阅读说明：本技术 一种基于时间戳的编码器位置信号估计方法 (Encoder position signal estimation method based on time stamp ) 是由 徐晓强 胡宏伟 王向红 贺湘宇 易可夫 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：一种基于时间戳的编码器位置信号估计方法,令控制系统的编码器采集模块工作在高低两个频率下：在高频率下检视编码器位置变化,当编码器位置变化时对编码器事件进行记录,并在寄存器中保存最近的编码器事件序列；在低频率下对编码器位置信号进行采集,对寄存器中的编码器事件序列进行多项式拟合求解,进而对位置信号进做出修正。本发明方法可以对编码器位置信号进行实时有效修正,减小量化误差的影响,提高低分辨率编码器的测试精度。(An encoder position signal estimation method based on a timestamp enables an encoder acquisition module of a control system to work under two frequencies, namely a high frequency and a low frequency: the method comprises the steps of inspecting the position change of an encoder at high frequency, recording encoder events when the position of the encoder changes, and storing a latest encoder event sequence in a register; and collecting the position signal of the encoder at low frequency, and performing polynomial fitting solution on the event sequence of the encoder in the register so as to correct the position signal. The method can effectively correct the position signal of the encoder in real time, reduce the influence of quantization error and improve the test precision of the low-resolution encoder.)

一种基于时间戳的编码器位置信号估计方法

技术领域

本发明涉及一种基于时间戳的编码器位置信号估计方法，属于位置测量领域。

背景技术

编码器作为一种位置传感器广泛配备于自动化装备中(机床、工业机器人、雷达等)， 用于控制系统的位置反馈。编码器的物理分辨率由光栅刻线的间隔决定，间隔越大，分辨率 越低。编码器位置信号存在由光栅刻线间隔导致的量化误差，量化误差可达光栅刻线间隔的 一半。为提高编码器位置信号的精度，往往得采取减小光栅刻线间隔或增加后处理的细分电 路的措施，但这都会大大增加测试的硬件成本。如何在不增加测试成本的条件下，减小量化 误差，提高编码器测试位置信号的精度是工业界面临的一大难题。

专利申请号为201711324569.3的专利提出了一种提高编码器位置精度的方法，通过 高精度转台的参考位置来校准编码器测量值，该方法可以一定程度上克服编码器的制造安装 误差导致的精度下降，但依然无法减小量化误差的影响。

发明内容

本专利的目的在于提供一种基于时间戳的编码器位置信号估计方法，利用控制系统 自身的编码器信号采集功能，寄存器功能和计算能力，通过信号处理的方式减小物理分辨率 导致的量化误差，不增加额外硬件成本。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于时间戳的编码器位置信号估计方法，包括以下步骤：

步骤一，编码器信号在高低两个频率下被采集和分析处理，高频的采样间隔为T_e，低频采样间隔为T_c，T_e<<T_c。

步骤二，高频(典型值1MHz)采样的信号不对信号的完整序列进行保存，只是不断检视当前位置相比上一个采样点是否发生变化，如发生变化，则记为一次编码器事件。每项编码器事件记录为(t_k,x_k)，k为事件序号，t_k为编码器位置发生变化的时间戳，取值为相邻采样点时刻的平均值，x_k为对应的编码器位置，取值为相邻采样点位置的平均值。

步骤三，将最近的N个编码器事件(t_1,…,N,x_1,…,N)按周期T_c传输保存在寄存器，N的建议值为5。

每当有新的编码器事件发生后，则将最前的事件(t₁,x₁)删除，将其他事件的序号k减 1，并将新事件补充在寄存器最后，记为(t_N,x_N)。

步骤四，低频(典型值1kHz)采集的编码器信号为待修正的位置信号，对最近的N个编码器事件(t_1,…,N,x_1,…,N)进行M阶多项式拟合(M为阶数，建议值2)实现对位置信号 的修正，k＝1,…,N为事件的序号。位置信号的修正将在一个控制周期T_c内计算完毕并发送 到控制系统，用于实时反馈。具体计算过程如下：

构建时间戳矩阵A，多项式系数矩阵P和位置矩阵B,AP＝B。

P＝[p_M p_M-1 … p₀]^T (2)

B＝[x₁ … x_N-1 x_N]^T (3)

通过最小二乘法对多项式系数矩阵P进行求解：

P＝(A^TA)^-1A^TB (4)

则在t_c时刻采样位置

的修正为

可以进一步计算t_c时刻的速度和加速度，速度为加速度为

本发明具有以下有益效果：

a)可以对编码器位置信号进行实时有效修正，减小量化误差的影响，提高低分辨率 编码器的测试精度。

b)对寄存器占用空间小，计算效率高，位置信号可以实时反馈给控制系统。

c)通过软件算法实现，无须增加额外的测试硬件，有利于发明方法的推广和应用。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明实施例编码器未修正位置信号、参考位置信号和修正后位置信号。

图3为图2在时刻40秒到40.05秒的局部放大图。

图4为本发明实施例中修正前后位置信号的误差。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

以某数控机床的X伺服轴在圆周运动过程中编码器位置信号估计为例，相关参数如下：1)直线编码器的物理分辨率为0.02mm；2)高频采样频率为1MHz，用于检视编 码器事件；3)低频采样频率设置为1kHz，采样时长为90秒；4)圆周运动的直径大小为 100mm，进给速度为100mm/min。5)使用能对相邻光栅刻线进行4096倍细分的后处理 电路采集编码器信号作为参考位置信号(即实际位置信号)。

应用本发明方法对X轴编码器位置信号进行估计。

如图1所示，基于时间戳的编码器位置信号估计方法，包括以下步骤：

步骤一，编码器信号在高低两个频率下被采集和分析处理，高频的采样间隔为T_e＝1 微秒，低频采样间隔为T_c＝1毫秒，T_e<<T_c。

步骤二，高频(1MHz)采样的信号不对信号的完整序列进行保存，只是不断检视当前位置相比上一个采样点是否发生变化，如发生变化，则记为一次编码器事件。每项编码器事件记录为(t_k,x_k)，k为事件序号，t_k为编码器位置发生变化的时间戳，取值为相邻采样点时刻的平均值，x_k为对应的编码器位置，取值为相邻采样点位置的平均值。

步骤三，将最近的N个编码器事件(t_1,…,N,x_1,…,N)按周期T_c传输保存在寄存器，此实施例中N＝5。

每当有新的编码器事件发生后，则将最前的事件(t₁,x₁)删除，将其他事件的序号k减 1，并将新事件补充在寄存器最后，记为(t_N,x_N)。

步骤四，低频(典型值1kHz)采集的编码器信号为待修正的位置信号，对最近的N个编码器事件(t_1,…,N,x_1,…,N)进行M阶多项式拟合(M为阶数，实施例中M＝2)实现对位置 信号的修正，k＝1,…,N为事件的序号。位置信号的修正将在一个控制周期T_c内计算完毕并发送到控制系统，用于实时反馈。具体计算过程如下：

构建时间戳矩阵A，多项式系数矩阵P和位置矩阵B,AP＝B。

P＝[p_M p_M-1 … p₀]^T (2)

B＝[x₁ … x_N-1 x_N]^T (3)

通过最小二乘法对多项式系数矩阵P进行求解：

P＝(A^TA)^-1A^TB (4)

则在t_c时刻采样位置的修正为

如图2所示，实施例中X轴伺服轴在90秒内完成了半个圆周的行程，图中分别用 虚线、点画线和实线分别表示未修正位置信号、参考位置信号和修正后位置信号，由于编 码器物理分辨率为0.02mm，三种信号从整体上无法进行区分。这里将时刻40秒到40.05 秒数据进行局部放大如图3，可以看出修正前的位置信号由于存在量化误差，与实际位置 偏差较大，而采用本发明专利进行修正后的位置信号与实际位置比较贴合。图4为全行程 过程中修正前后位置信号的误差，可见本发明方法大大降低的修正前位置信号存在的量化 误差，估计误差的大小从均方根为5.8微米下降到为0.33微米，使整体误差降低了一个数 量级。

本发明提出的一种基于时间戳的编码器位置信号估计方法，可以对编码器位置信号 进行实时有效修正，减小量化误差的影响，提高低分辨率编码器的测试精度。