一种增量式编码器的检测方法及检测装置与流程

1.本发明涉及编码器技术领域，尤其涉及一种增量式编码器的检测方法及检测装置。


背景技术：

2.旋转编码器是一种采用光电等方法将轴的机械转角转换为数字信号输出的精密传感器，分为增量式旋转编码器和绝对式旋转编码器。增量式编码器输出的是与转角的增量成正比的脉冲，需要用计时器来计脉冲数量。增量式编码器分：单通道编码器、ab相编码器、三通道编码器。例如，新能源下线测试台架一般采用ab相编码器，并采用功率分析仪、plc等来采集转速/转矩信号。
3.但在实际应用中，转速/转矩的转换周期较长，实时性不强，不能快速反馈实时的台架转速/转矩状态，并且旋转编码器生成的脉冲信号容易受到干扰，数据准确性不能够保证。而选择其他高速采样仪表，代价也相对较高。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种增量式编码器的检测方法及检测装置，以提升增量式编码器的状态检测的实时性。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种增量式编码器的检测方法，包括：
6.通过板载时钟创建定时循环的计时器；
7.通过所述计时器分别对增量式编码器输出的a相脉冲信号和b相脉冲信号进行数字量的采样；所述a相脉冲信号和b相脉冲信号的相位差为90度；
8.根据所述b相脉冲信号，获取所述a相脉冲信号单位时间内上升沿的第一累计数量和下降沿的第二累计数量；获取单位时间内所述计时器的滴答时间的第三累计数量；
9.根据所述第一累计数量、第二累计数量和所述第三累计数量获取所述a相脉冲信号的脉冲频率；并根据所述a相脉冲信号的脉冲频率获取所述增量式编码器的实时转速。
10.第二方面，本发明实施例还提供了一种增量式编码器的检测装置，用于执行本发明任意实施例提供的增量式编码器的检测方法，所述增量式编码器的检测装置包括：旋转机械平台、控制器和上位机；
11.所述旋转机械平台用于带动增量式编码器转动；
12.所述控制器用于通过板载时钟创建定时循环的计时器；所述控制器还用于通过所述计时器对增量式编码器输出的a相脉冲信号和b相脉冲信号进行数字量的采样；所述a相脉冲信号和b相脉冲信号的相位差为90度；
13.所述控制器还用于根据所述b相脉冲信号，获取所述a相脉冲信号单位时间内上升沿的第一累计数量和下降沿的第二累计数量；获取单位时间内所述计时器的滴答时间的第三累计数量；并根据所述第一累计数量、第二累计数量和所述第三累计数量获取所述a相脉冲信号的脉冲频率，以根据所述a相脉冲信号的脉冲频率获取所述增量式编码器的实时转
速；
14.所述上位机用于显示所述增量式编码器的实时转速。
15.本发明中，可创建高速定时循环的计时器，并利用该计时器对增量式编码器输出的脉冲信号进行采样，具体的，可对a相脉冲信号和b相脉冲信号进行数字量的采样，从而获取a相脉冲信号和b相脉冲信号的图形。并根据上述图形获取a相脉冲信号在单位时间内上升沿的第一累计数量和下降沿的第二累计数量，并获取单位时间内计时器中断的滴答时间的第三累计数量，使得根据上述累计数量获取a相脉冲信号的脉冲频率，从而换算出增量式编码器的实时转速，本发明能够实时高速的获取增量式编码器的转速，从而快速反馈实时的台架运行状态。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的一种增量式编码器的检测方法的流程示意图；
17.图2为本发明实施例提供的采样信号示意图；
18.图3为本发明实施例提供的增量式编码器正转时的脉冲信号的图形示意图；
19.图4为本发明实施例提供的增量式编码器反转时的脉冲信号的图形示意图；
20.图5为本发明实施例提供的一种滤波处理的流程示意图；
21.图6为本发明实施例提供的一种滤波处理的效果示意图；
22.图7为本发明实施例提供的另一种增量式编码器的检测方法的流程示意图；
23.图8为本发明实施例提供的另一种增量式编码器的检测方法的流程示意图；
24.图9为本发明实施例提供的转矩测量精度效果图；
25.图10为本发明实施例提供的一种增量式编码器的检测装置的结构示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
27.增量式编码器是一种将运动机构输出轴的旋转运动转化为脉冲信号的传感器，一般用于检测运动机构的位置、速度和方向。通常增量式编码器和运动机构同轴连接，随运动机构一起旋转，产生和转速成正比的两路相位相差90度的频率相同的正交脉冲，增量式编码器具有精度高、测量范围广、体积小、重量轻、使用可靠、易于维护等优点，被广泛用于机器人、数控机床等领域。
28.现有技术中通常采用功率分析仪、plc等来采集转速转矩信号。以s7-200(plc)为例，使用高速计数器(选择a/b相正交计数器模式)，可以实现正传时加计数，反转时减计数。如果编码器输出脉冲的周期大于plc的扫描循环时间的两倍，通过在b相脉冲的上升沿判断a相脉冲信号的0、1状态，可以判断编码器旋转的方向。但是上述方法在实际应用中，转速转换周期较长，实时性不强，不能快速反馈实时的台架转速状态。
29.本发明实施例提供了一种增量式编码器的检测方法，如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种增量式编码器的检测方法的流程示意图，增量式编码器的检测方法具体包括如下步骤：
30.步骤s101、通过板载时钟创建定时循环的计时器。
31.在轴承实时检测系统中，可通过灵活配置采集系统，例如，对于nicrio-9066底座，其自带一个fpga和一个real-time操作系统，fpga操作系统具有强大的数据处理能力。本实施例中，可利用其自带的板载时钟创建高速定时循环的计时器，本实施例利用计时器采集增量式编码器输出的脉冲信号的计数数据，从而还原出脉冲信号的具体图形，之后，fpga操作系统可将采集的计数数据换算成实时转速，本实施例通过采集系统的高速信息采集和高速信息处理能力，能够采集到实时的转速数据。
32.步骤s102、通过计时器分别对增量式编码器输出的a相脉冲信号和b相脉冲信号进行数字量的采样。
33.a相脉冲信号和b相脉冲信号的相位差为90度。因为增量式编码器的内部有两对光电耦合器，两路相位相差90度的频率相同的两路脉冲序列可以为：a相脉冲信号和b相脉冲信号。本实施例通过较高的采样频率，对增量式编码器输出的a相脉冲信号和b相脉冲信号进行数字量(高电平或低电平)的采集，则在脉冲信号的一个脉冲周期内，可设置多个采样点，从而有效还原a相脉冲信号和b相脉冲信号的波形。
34.可选的，只要采样频率大于2～5倍的a相脉冲信号和b相脉冲信号的频率即可，但是为了进一步提高a相脉冲信号和b相脉冲信号还原准确性，本实施例可限定采样频率远大于a相脉冲信号和b相脉冲信号的频率。优选的，所述计时器对a相脉冲信号和b相脉冲信号的一个脉冲周期的采集点数大于或等于100。示例性的，若增量式编码器的规格为a/b转速[
±
20000rpm(1024脉冲/转)]。已知最大转速20000rpm，对应脉冲频率：f1＝20000/60*1024≈341.333khz。采用40mhz高频采样数字脉冲高低电平，转速的一个脉冲周期最少采样点数n＝40mhz/341.333khz≈117。如图2所示，图2为本发明实施例提供的采样信号示意图，每个脉冲周期中，采样点数较多，能够准确还原出增量式编码器输出的a相脉冲信号和b相脉冲信号，提高转速检测精准性。
[0035]
步骤s103、根据b相脉冲信号，获取a相脉冲信号单位时间内上升沿的第一累计数量和下降沿的第二累计数量；获取单位时间内计时器的滴答时间的第三累计数量。
[0036]
图3为本发明实施例提供的增量式编码器正转时的脉冲信号的图形示意图，图4为本发明实施例提供的增量式编码器反转时的脉冲信号的图形示意图。参考图3和图4，当增量式编码器正转和反转时两路脉冲序列的超前、滞后关系刚好相反。具体的，在b相脉冲信号的上升沿，正转和反转时a相脉冲信号的电平高低刚好相反。所以，通过a相脉冲信号和b相脉冲信号可以有效判断增量式编码器的旋转方向。可选的，本实施例可通过a相脉冲信号进行转速测量，通过b相脉冲信号判断增量式编码器的旋转方向。
[0037]
本实施例通过获取取a相脉冲信号单位时间内上升沿和下降沿的累计数量(一个脉冲周期包括一个上升沿和一个下降沿)，获取a相脉冲信号的频率，从而还原出增量式编码器转速。具体的，本实施例累计获取a相脉冲信号单位时间内上升沿的第一累计数量和下降沿的第二累计数量，从而获取a相脉冲信号的频率。此外，本实施例还获取单位时间内计时器的滴答时间的第三累计数量，因为计时器在由初始值减到零时，会产生一次时钟中断，也即一次滴答时间，滴答时间的第三累计数量与初始值的乘积即为单位时间内的总计时累计量，上述总计时累计量可用于验证第一累计数量和第二累计数量的精准性，提高转速测量的精准性。
[0038]
步骤s104、根据第一累计数量、第二累计数量和第三累计数量获取a相脉冲信号的脉冲频率；并根据a相脉冲信号的脉冲频率获取增量式编码器的实时转速。
[0039]
可选的，本实施例可控制real-time操作系统根据第一累计数量、第二累计数量和第三累计数量获取a相脉冲信号的脉冲频率(b相脉冲信号的脉冲频率与a相脉冲信号的脉冲频率大致相同)，a相脉冲信号代表了增量式编码器的转速数据，real-time操作系统将a相脉冲信号的脉冲频率转换为增量式编码器的实时转速，实时性高，状态反馈效率及时。此外，本实施例中不需要选择其他高速采样仪器即可实现实时数据测量，不需要付出额外成本，提升增量式编码器的检测性价比。
[0040]
本发明实施例中，可创建高速定时循环的计时器，并利用该计时器对增量式编码器输出的脉冲信号进行采样，具体的，可对a相脉冲信号和b相脉冲信号进行数字量的采样，从而获取a相脉冲信号和b相脉冲信号的图形。并根据上述图形获取a相脉冲信号在单位时间内上升沿的第一累计数量和下降沿的第二累计数量，并获取单位时间内计时器中断的滴答时间的第三累计数量，使得根据上述累计数量获取a相脉冲信号的脉冲频率，从而换算出增量式编码器的实时转速，本发明能够实时高速的获取增量式编码器的转速，从而快速反馈实时的台架运行状态。
[0041]
以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
可选的，通过计时器分别对增量式编码器输出的a相脉冲信号和b相脉冲信号进行数字量的采样之后，还可以包括：对采样得到的数字量进行滤波处理。因为在数字量的采集过程中，增量式编码器生成的脉冲信号容易受到采集信号的干扰，使得最终计算的a相脉冲信号的脉冲频率有明显震荡波动。本实施例在每次采样得到数字量之后，还可以进行滤波处理，保证测量数字量的准确性，提高a相脉冲信号的脉冲频率的测量稳定性。
[0043]
在上述实施例的基础上，滤波处理可存在多种处理方式，本实施例以一种滤波方式进行示意说明。具体的，如图5所示，图5为本发明实施例提供的一种滤波处理的流程示意图，具体包括如下步骤：
[0044]
步骤s201、获取当前采样点的数字量，并获取当前采样点之前的m-1个采样点的数字量；并将m个数字量全部转换为数值。
[0045]
m为大于1的整数。图6为本发明实施例提供的一种滤波处理的效果示意图。可知a相脉冲信号和b相脉冲信号的理想脉冲波形为规范的脉冲波形。收到干扰之后的波形会多出较窄脉冲形式的干扰电平，影响脉冲频率的测量。本实施例采用移动平均的方式进行滤波，具体的，当获取当前采样点的数字量时，因为可能该数字量存在误差，所以将该采样点之前的m-1个采样点的数字量同时进行获取，并将数字量转换为数值，例如，高电平转换为1,低电平转换为-1。
[0046]
步骤s202、对m个数值执行求和运算。
[0047]
步骤s203、若求和运算结果大于零，则标记当前采样点的数字量为高电平。
[0048]
步骤s204、若求和运算结果小于或等于零，则标记采样点的数字量为低电平。
[0049]
对这个m个数字量(当前采样点以及当前采样点之前的m-1个采样点)进行求和运算，获取sumn，当sumn》0时，采样点记为高电平；当sumn≤0时，采样点记为低电平。从而获取
当前采样点的精准数字量，提高采样精准性。如图6所示，移动平均的方式的滤波形式使得a相脉冲信号和b相脉冲信号趋于理想脉冲信号。
[0050]
本实施例通过将数字量转化为数值的形式，通过连续多个采样点的数字量确定当前采样点的精准数字量，有效提高增量式编码器的脉冲信号测量精准性，以及最终转速测量精准性。
[0051]
在上述实施例的基础上，本实施例对上述第一累计数量、第二累计数量和第三累计数量的获取及处理过程进行详述，具体的，如图7所示，图7为本发明实施例提供的另一种增量式编码器的检测方法的流程示意图，具体包括如下步骤：
[0052]
步骤s301、通过板载时钟创建定时循环的计时器。
[0053]
步骤s302、通过所述计时器分别对增量式编码器输出的a相脉冲信号和b相脉冲信号进行数字量的采样。
[0054]
步骤s303、在单位时间内，若a相脉冲信号处于上升沿，则通过b相脉冲信号判断增量式编码器的旋转方向；若旋转方向为正转，则第一累计数量加1，若旋转方向为反转，则第一累计数量减1。
[0055]
步骤s304、在单位时间内，若a相脉冲信号处于下降沿，则通过b相脉冲信号判断增量式编码器的旋转方向；若旋转方向为正转，则第二累计数量加1，若旋转方向为反转，则第二累计数量减1。
[0056]
可选的，根据b相脉冲信号，获取a相脉冲信号单位时间内上升沿的第一累计数量和下降沿的第二累计数量，可以包括上述步骤s303和s304的内容。上述上升沿的第一累计数量和下降沿的第二累计数量可代表a相脉冲信号的脉冲个数的累计量，当旋转方向为正转时，累计数量增加，当旋转方向为反转时，累计数量降低，从而实现脉冲个数的精准累计。
[0057]
可选的，通过b相脉冲信号判断增量式编码器的旋转方向，可以包括：当a相脉冲信号处于上升沿或下降沿时，若b相脉冲信号的数字量与a相脉冲信号的数字量相同，则增量式编码器的旋转方向为反转；当a相脉冲信号处于上升沿或下降沿时，若b相脉冲信号的数字量与a相脉冲信号的数字量相反，则增量式编码器的旋转方向为反转。
[0058]
步骤s305、根据所述第一累计数量、第二累计数量和所述第三累计数量获取所述a相脉冲信号的脉冲频率。
[0059]
步骤s306、获取增量式编码器的实际转速n＝f1/a*60。
[0060]
可选的，根据a相脉冲信号的脉冲频率获取增量式编码器的实时转速，可以包括：获取增量式编码器的实际转速n＝f1/a*60；其中，f1为a相脉冲信号的脉冲频率；a为增量式编码器旋转一周产生的脉冲周期的个数。
[0061]
本实施例中公开了脉冲频率累计的具体过程，并通过计时器的滴答时间的第三累计数量验证脉冲频率累计数量。提高脉冲频率计数精准性。此外，若当目前增量式编码器旋转一周产生的脉冲周期的个数a确定，则本实施例可精准获取增量式编码器的实际转速n。
[0062]
可选的，增量式编码器的工作状态不仅包括转速，还可以包括转矩，同理，如图8所示，图8为本发明实施例提供的另一种增量式编码器的检测方法的流程示意图，具体包括如下步骤：
[0063]
步骤s401、通过计时器对增量式编码器输出的转矩脉冲信号进行数字量的采样。
[0064]
示例性的，若增量式编码器的规格为转矩[
±
500nm(60khz
±
30khz)]。已知最大转
矩500nm，对应脉冲频率：f2＝90khz。采用40mhz高频采样数字脉冲高低电平，转矩单脉冲周期最少采样点数n＝40mhz/90khz≈444，因此能够很好还原转速转矩脉冲波形。
[0065]
步骤s402、获取转矩脉冲信号单位时间内上升沿的第四累计数量和下降沿的第五累计数量。
[0066]
同理，在单位时间内，若转矩脉冲信号处于上升沿；若旋转方向为正转，则第四累计数量加1，若旋转方向为反转，则第四累计数量减1。在单位时间内，若转矩脉冲信号处于下降沿；若旋转方向为正转，则第五累计数量加1，若旋转方向为反转，则第五累计数量减1。同样的，第三累计数量与计时器初始值的乘积用于验证第四累计数量和第五累计数量的测量准确性。
[0067]
步骤s403、根据第四累计数量、第五累计数量和第三累计数量获取转矩脉冲信号的脉冲频率；并根据转矩脉冲信号的脉冲频率获取增量式编码器的实时转矩。
[0068]
可选的，根据转矩脉冲信号的脉冲频率获取增量式编码器的实时转矩，可以包括：增量式编码器的实时转矩t＝[f2-(fb+fm)/2]/(fb-fm)*tb；其中，f2为转矩脉冲信号的脉冲频率；fb为转矩脉冲信号的脉冲频率上限；fm为转矩脉冲信号的脉冲频率下限；增量式编码器的扭矩量程为-tb～+tb。
[0069]
本实施例中公开了转矩脉冲信号的脉冲频率的累计的具体过程，并通过计时器的滴答时间的第三累计数量验证脉冲频率累计数量。提高脉冲频率计数精准性。此外，若当目前增量式编码器转矩脉冲信号的额定频率(脉冲频率上限和脉冲频率下限)固定，且扭矩量程确定，则本实施例可精准获取增量式编码器的实时转矩t。
[0070]
新能源下线测试台架轴系安装扭矩传感器，将crio的采样通道接入扭矩传感器。上位机显示采集的实时转速转矩，实时转速转矩更新速率达到1khz的频率，快速反馈轴系转速转矩状态。如图9所示，图9为本发明实施例提供的转矩测量精度效果图。例如，测量转矩响应时间时，直接给定电机目标扭矩值，测试电机和控制器响应输出达到目标扭矩值所用时间，测试精度可以到达1ms。
[0071]
基于同一构思，本发明实施例还提供一种增量式编码器的检测装置，可用于执行本发明任意实施例提供的增量式编码器的检测方法，如图10所示，图10为本发明实施例提供的一种增量式编码器的检测装置的结构示意图。增量式编码器的检测装置包括：旋转机械平台11、控制器12和上位机13；
[0072]
旋转机械平台11用于带动增量式编码器转动；
[0073]
控制器12用于通过板载时钟创建定时循环的计时器；控制器12还用于通过计时器对增量式编码器输出的a相脉冲信号和b相脉冲信号进行数字量的采样；a相脉冲信号和b相脉冲信号的相位差为90度；
[0074]
控制器12还用于根据b相脉冲信号，获取a相脉冲信号单位时间内上升沿的第一累计数量和下降沿的第二累计数量；获取单位时间内计时器的滴答时间的第三累计数量；并根据第一累计数量、第二累计数量和第三累计数量获取a相脉冲信号的脉冲频率，以根据a相脉冲信号的脉冲频率获取增量式编码器的实时转速；
[0075]
上位机13用于显示增量式编码器的实时转速。
[0076]
本发明实施例中，增量式编码器的检测装置可创建高速定时循环的计时器，并利用该计时器对增量式编码器输出的脉冲信号进行采样，具体的，可对a相脉冲信号和b相脉
冲信号进行数字量的采样，从而获取a相脉冲信号和b相脉冲信号的图形。并根据上述图形获取a相脉冲信号在单位时间内上升沿的第一累计数量和下降沿的第二累计数量，并获取单位时间内计时器中断的滴答时间的第三累计数量，使得根据上述累计数量获取a相脉冲信号的脉冲频率，从而换算出增量式编码器的实时转速，本发明能够实时高速的获取增量式编码器的转速，从而快速反馈实时的台架运行状态。
[0077]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。