一种磁编码器内部信号传输延时的测量及补偿方法
阅读说明：本技术 一种磁编码器内部信号传输延时的测量及补偿方法 (Measurement and compensation method for internal signal transmission delay of magnetic encoder ) 是由 徐纯科 杨海鑫 其他发明人请求不公开姓名 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁编码器内部信号传输延时的测量及补偿方法,将光编码器与装有磁编码器的被测电机同轴连接并校正；将磁编码器接入伺服驱动器；DSP读取磁编码器的输出值,并将磁编码器的角度值以模拟信号的方式输出,使用示波器观察DAC输出值以及光编码器Z相输出值,测量DAC输出值零点到光编码器Z相上升沿的时间间隔T-(0)减去DAC固有处理延时,得到磁编码器延时,对多次测量数据进行拟合,建立转速-延时补偿表；再采用Smith预估补偿器对控制系统进行延时补偿。本发明将光编码器与磁编码器同轴安装,以光编码器作为基准,确定出磁编码器的延时值。本方法简单易用,不需要特定的硬件接口,适用性较广,利于工业应用。(The invention discloses a measuring and compensating method for signal transmission delay in a magnetic encoder, which is characterized in that an optical encoder is coaxially connected with a tested motor provided with the magnetic encoder and is corrected; connecting a magnetic encoder to a servo driver; the DSP reads the output value of the magnetic encoder, outputs the angle value of the magnetic encoder in an analog signal mode, observes the DAC output value and the Z-phase output value of the optical encoder by using an oscilloscope, and measures the time from the zero point of the DAC output value to the Z-phase rising edge of the optical encoderSeparate T 0 Subtracting the inherent processing delay of the DAC to obtain the delay of the magnetic encoder, fitting the measured data for multiple times, and establishing a rotating speed-delay compensation table; and then a Smith pre-estimation compensator is adopted to carry out delay compensation on the control system. The optical encoder and the magnetic encoder are coaxially arranged, and the time delay value of the magnetic encoder is determined by taking the optical encoder as a reference. The method is simple and easy to use, does not need a specific hardware interface, has wide applicability and is beneficial to industrial application.)
技术领域
本发明涉及工业机器人控制技术领域，尤其涉及编码器校正技术领域，具体的说，是一种磁编码器内部信号传输延时的测量及补偿方法。
背景技术
磁编码器内部信号传输产生延时的原因有内部信号处理以及通讯传输等，相当于为伺服控制系统的反馈回路增加了一个纯滞后环节，会影响到系统的稳定性，容易在控制器大参数的情况下引起系统状态的发散。现有技术中对编码器的补偿方法大多是从其精度的角度进行，鲜有对编码器的延时进行测量补偿的，公开号为CN212620783U、名称为一种具备延时补偿的SSI总线磁性编码器的中国实用新型专利中对编码器的电路结构进行了改进，补偿了延时问题，该方法通过设计了一种新型的编码器结构，改善编码器传输延时，但是工业现场使用的电机，因电机结构、驱动器、成本等原因，普遍都无法更换编码器，故该方法不适合工业现场应用；公开号为CN111831019A、名称为一种电机位置数据补偿方法及电机控制系统的中国发明专利申请中，通过向编码器发送时钟信号，使得编码器按照一定的频率发送信号，然后接收编码器发出的信号，通过记录读取编码器信号的发出和接收编码器信息的时间差，获得编码器通讯接口固定延时和采集器随机延时，从而对编码器传输延时进行补偿。虽然计算方法较为精确，但是需要编码器硬件支持外部时钟激励，工业现场很多磁编码器都是电机厂家固定方案，硬件普遍都不支持外部时钟激励，且信号传输方法各不相同，故该方法不具有一定的普适性，不适合工业现场应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁编码器内部信号传输延时的测量及补偿方法，用于解决工业现场应用中磁性编码器的延时无法计算和补偿的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种磁编码器内部信号传输延时的测量及补偿方法，包括：
步骤S100，将光编码器与装有磁编码器的被测电机同轴连接，并对光编码器进行校正；
步骤S200，将磁编码器接入与被测电机配套的伺服驱动器，作为速度控制的反馈信号；
步骤S300：伺服驱动器的DSP读取磁编码器的输出值，并通过数字模拟转换器DAC将磁编码器的角度值以模拟信号的方式输出，使用示波器同时观察DAC输出值以及光编码器Z相输出值，测量DAC输出值零点到光编码器Z相上升沿的时间间隔T0，得到磁编码器延时Tdelay：
Tdelay＝T0-TDAC
其中，TDAC为DAC固有处理延时；
步骤S400，重复步骤S300，测量被测电机不同转速下的磁编码器延时，对测量数据进行拟合，建立转速-延时补偿表；
步骤S500，根据转速-延时补偿表，采用Smith预估补偿器对控制系统进行延时补偿。
对光编码器进行校正的步骤包括：
步骤A1：将光编码器码盘和光编码器码盘读头，通过连接工件组装起来并安装到被测电机转轴；
步骤A2：手动慢速转动电机转轴，调整光编码器码盘安装位置以及连接工件与被测电机转轴的垂直度，保证光编码器读头和光编码器码盘接触且垂直；
步骤A3：均匀、低速运行被测电机，使用示波器观测光编码器输出的ABZ三相信号的周期以及高电平持续时间；
步骤A4：若输出的ABZ三相信号的周期或高电平持续时间不稳定，则调整码盘安装水平度，返回步骤A2；否则，进入下一步；
步骤A5：对光编码器进行零位校正，具体包括：
对被测电机按照从U相绕组流入、V相绕组流出的方向通电，通电电流为小于额定值的直流电流；
将转子定向到一个平衡位置，调整码盘位置，用示波器观测光编码器Z相输出信号，并调整连接工件和电机转轴的相对位置，直至光编码器Z相信号刚好产生高电平信号上升沿，并稳定高电平，固定光编码器、连接工件和电机转轴相对位置；
往正反两个方向扭动电机转轴，松开后让电机转轴自由恢复到平衡位置，观察过程中是否会产生Z轴上升沿，并稳定在高电平，若不是，则返回步骤A2；若稳定，则将此位置也作为磁编码器的零位，进入下一步；
步骤A6：锁紧连接工件。
所述步骤S400包括：
在电机转速小于1000RPM的低速段，从50RPM开始，以步长50RPM增加电机给定速度直到1000RPM，在每个转速下测量5组磁编码器延时数据：
从1200RPM开始，以步长200RPM增加电机给定速度，直到额定转速(例如3000RPM)，对每个速度测量5组磁编码器延时数据：
令拟合函数为一次线性方程定义损失函数其中，Ωk为转速；
将测量的磁编码器延时数据代入拟合函数，得到超定方程组：
求其最小二乘解，获得使损失函数最小的解将超定方程组改写成矩阵形式：
得到：
超定方程组的唯一最小二乘解为：
拟合函数为该拟合函数可认为是电机转速与编码器延时之间的最优函数表达式；
将电机的转数设定值代入该拟合函数，即可求出磁编码器延时值，得到转速-延时补偿表。
所述步骤S500包括：采用Smith预估补偿器对控制器进行前馈，将磁编码器延时值代入Smith预估补偿器的延时预估环节中，补偿延时对控制系统带来的影响。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明将光编码器与磁编码器同轴安装，以光编码器作为基准，利用其输出的模拟信号低延时的特性，与所测磁编码器进行对比，从而确定出磁编码器的延时值。本方法简单易用，且不需要所测编码器具有特定的硬件接口，适用性较广，利于工业应用。
(2)通过光编码器计算出时延之后，再采用Smith预估补偿器对控制器进行前馈，将磁编码器延时值代入Smith预估补偿器的延时预估环节中，补偿延时对控制系统带来的影响。
附图说明
图1为本发明的光编码器-连接工件-被测电机安装示意图；
图2为光编码器-连接工件-被测电机安装效果图；
图3为延时测量原理示意图；
图4为反馈回路存在延时环节的Smith预估补偿器结构示意图；
其中，1-磁编码器；2-被测电机；3-光编码器码盘；4-光编码器读头。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
结合附图1和图2所示，一种磁编码器内部信号传输延时的测量方法，包括：
步骤S100，将光编码器与装有磁编码器1的被测电机2同轴连接，并对光编码器进行校正，校正步骤如下：
(1)参考光编码器手册，将光编码器码盘3、光编码器读头4，通过连接工件组装起来并安装到被测电机2转轴；
(2)手动慢速转动电机转轴，观察光编码器读头4是否会和码盘接触，是否倾斜，若有，则调整码盘安装位置，连接工件与电机转轴的垂直度；
(3)匀低速运行被测电机2，使用示波器观测光编码器输出的ABZ三相信号的周期、高电平持续时间是否稳定，若不稳定，则重复步骤(2)(3)，调整光编码器码盘3安装水平度；
(4)零位校正，被测电机2按照从U相绕组流入、V相绕组流出的方向通以小于额定值的直流电流，将转子定向到一个平衡位置，调整码盘位置，用示波器观测光编码器Z相输出信号，一边观察一边调整连接工件和电机转轴的相对位置，直至光编码器Z相信号刚好产生高电平信号上升沿，并稳定高电平，固定编码器连接工件和电机转轴相对位置。往正反两个方向扭动电机转轴，松开后让电机转轴自由恢复到平衡位置，观察过程中是否会产生Z轴上升沿，并稳定在高电平，若不是，则重复步骤(3)(4)，若稳定，则将此位置也作为磁编码器1的零位；
(5)锁紧连接工件，检查光编码器码盘3通过连接工件与电机轴的连接是否牢固，有无松动现象。
步骤S200，将磁编码器1接入与被测电机2配套的伺服驱动器，作为速度控制的反馈信号；
步骤S300：伺服驱动器的DSP读取磁编码器1的输出值，并通过数字模拟转换器DAC将磁编码器1的角度值以模拟信号的方式输出，使用示波器同时观察DAC输出值以及光编码器Z相输出值，测量DAC输出值零点到光编码器Z相上升沿的时间间隔T0，如图3所示，得到磁编码器1延时Tdelay：
Tdelay＝T0-TDAC
其中，TDAC为DAC固有处理延时；
步骤S400，重复步骤S300，测量被测电机2不同转速下的磁编码器1延时，对测量数据进行拟合，建立转速-延时补偿表；
所述步骤S400包括：
在电机转速小于1000RPM的低速段，从50RPM开始，以步长50RPM增加电机给定速度直到1000RPM，在每个转速下测量5组磁编码器1延时数据：
从1200RPM开始，以步长200RPM增加电机给定速度，直到额定转速(以3000RPM为例)，对每个速度测量5组磁编码器1延时数据：
令拟合函数为一次线性方程定义损失函数其中，Ωk为转速；
将测量的磁编码器1延时数据代入拟合函数，得到超定方程组：
求其最小二乘解，获得使损失函数最小的解将超定方程组改写成矩阵形式：
得到：
根据最小二乘求解定理：向量X*是方程AX＝B的最小二乘解的充要条件为ATAX*＝ATB，且当A的各列向量线性无关时，解存在唯一。因此超定方程组的唯一最小二乘解为：
拟合函数为该拟合函数可认为是电机转速与编码器延时之间的最优函数表达式；
将电机的转数设定值代入该拟合函数，即可求出磁编码器1延时值，得到转速-延时补偿表。
如图4所示，所述步骤S500包括：根据转速-延时补偿表，采用Smith预估补偿器对控制器进行前馈，将磁编码器1延时值代入Smith预估补偿器的延时预估环节中，补偿延时对控制系统带来的影响，提高系统控制性能。
本发明利用光编码器输出模拟信号低延时的特性，将其Z相信号作为基准值，与被测电机的磁编码器输出值进行比较，从而测量出磁编码器信号的延时大小，并能对不同转速情况下的延时大小进行函数拟合。本发明测量方法简单，不需要过多的设备成本。同时还通过在电机转轴上安装光编码器的连接工件，使得光编码器安装方便，安装精度较高。针对不同的电机转速，由测量数据拟合而来的拟合函数能够计算出不同转速对应的延时值，所得到的编码器延时值可作为设计延时补偿算法的一个重要参考，对编码器延时也有了一个更加直观的表现。该方法可以用来作为一种评估磁性编码器延时的方法，测量出的数据也可以直接通过控制算法进行补偿，提高了基于磁性编码器的伺服系统的控制性能。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
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