一种编码器数字信号故障检测方法及系统

本发明涉及电机控制，尤其涉及一种编码器数字信号故障检测方法及系统。

背景技术：

1、大型望远镜的主轴位置是由编码器的测量信号实时提供的，此处的主轴可以指地平式望远镜的方位轴、俯仰轴，也可以指极轴式望远镜的赤经轴和赤纬轴。由于编码器是二进制数字信号，通过较长的光纤线或者其他数字信号线从望远镜的机上传输至机下接收系统，传输过程中偶尔的干扰可能会使得编码器出现误码现象。例如编码器的某一个“位”从“0”跳变为“1”或者从“1”跳变为“0”，这就可能会使得伺服控制软件解码后的轴系机械位置存在一次大的跳变。而对编码器数据的常规检测，例如帧头帧尾检测、自累加字节检测等，对编码器的这种位跳变是无法检测和补偿的。另外，即使使用校验位的方法能够及时发现编码器误码，但是该误码是否明显影响系统性能，以及如何对该误码进行实时性地补偿，也没有明确的方法。

2、如果望远镜的轴系是直流力矩电机驱动的，偶尔一帧编码器跳变不会对闭环控制产生明显的影响，但是如果望远镜的轴系是交流永磁同步电机驱动的，那么即使是一帧的编码器跳变也可能会对系统造成很明显的速度波动。

3、由于电流与力矩是成正比的，因此电流的波动相当于加速度的波动，从而引起了速度和位置的波动。这会使本来做零速闭环静止不动的望远镜忽然失控地转起来，或者使本来跟踪目标的视轴偏离目标等，对望远镜系统的稳定性和安全性造成了威胁，同时会导致跟踪任务失败。可见，交流永磁同步电机驱动的望远镜对编码器的误码更加敏感，即使只有一帧的位置波动，也会影响后续的闭环输出，以及影响望远镜的使用效率和安全性，同时编码器误码有可能预示着数字信号传输链路中的光纤或者解码板等出现了问题。因此出现此问题后，需要及时报警并且排查，另外为了使排查完毕之前不影响望远镜的使用，可以对出现的误码进行补偿，从而保障当前任务能够顺利完成而不会出现失控的情况。

4、为了克服这些缺陷，本申请提出了一种编码器数字信号故障检测方法及系统。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种编码器数字信号故障检测方法及系统，旨在解决上述的问题。

2、为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

3、本申请提供一种编码器数字信号故障检测方法，包括：

4、获取编码器信号后计算差分加速度信号，并得到判断编码器误码的差分加速度信号阈值；

5、将所述差分加速度信号阈值与所述差分加速度信号进行对比，判断所述编码器是否产生误码，若当编码器产生误码，则使用前一帧差分速度对编码器值进行补偿修正；

6、判断所述编码器的误码次数是否异常，若判断异常则主轴电机自锁，并向健康管理系统发送编码器异常报警。

7、进一步的，在获取编码器信号后计算差分加速度信号，并得到判断编码器误码的差分加速度信号阈值的步骤中，具体包括下述步骤：

8、设所述编码器的位数是n，编码器的解码板输出数字信号θk，由编码器数字信号θk差分得到离散差分速度信号为vk，由差分速度信号vk差分得到离散差分加速度信号为ak；

9、所述差分速度信号vk和所述差分加速度信号ak的计算公式为：

10、

11、其中k＝2,3,4,...,v1＝0,a1＝0；

12、获取控制器响应的速度和加速度，根据所述差分加速度信号和差分速度信号，取所述差分加速度信号与反馈的加速度信号的绝对值的最大值amax，冗余系数l(l>1)，则所述差分加速度信号阈值为：

13、athreshold＝lamax。

14、进一步的，在将所述差分加速度信号阈值与所述差分加速度信号进行对比，判断所述编码器是否产生误码，若当编码器产生误码，则使用前一帧差分速度信号对编码器值进行补偿修正的步骤中，具体包括下述步骤：

15、若所述差分加速度信号的绝对值|ak|大于所述差分加速度信号阈值athreshold，则计时器timer＝timer+1；判断所述编码器产生误码，使用前一帧差分速度信号对编码器值进行补偿修正。进一步的，在判断所述编码器的误码次数是否异常，若判断异常则主轴电机自锁，并向健康管理系统发送编码器异常报警的步骤中，具体包括下述步骤：

16、设fntmax为预设的错误计数器阈值，若所述计数器fnt满足fnt<fntmax，则正常闭环使用系统；

17、若fnt≥fntmax，则所述主轴电机自锁，并且向健康管理系统发送编码器异常报警，由技术人员进行错误原因的具体排查和定位。

18、本申请提供一种编码器数字信号故障检测系统，包括：

19、计算模块：获取编码器信号后计算差分加速度信号，并得到判断编码器误码的差分加速度信号阈值；

20、判断模块：将所述差分加速度信号阈值与所述差分加速度信号进行对比，判断所述编码器是否产生误码，若当编码器产生误码，则使用前一帧差分速度对编码器值进行补偿修正；

21、处理模块：判断所述编码器的误码次数是否异常，若判断异常则主轴电机自锁，并向健康管理系统发送编码器异常报警。

22、本申请提供一种设备，所述设备包括处理器、与所述处理器耦接的存储器，其中，所述存储器存储有用于实现一种编码器数字信号故障检测方法的程序指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令以实现一种编码器数字信号故障检测。

23、本申请提供一种存储介质，存储有处理器可运行的程序指令，所述程序指令用于执行一种编码器数字信号故障检测方法。

24、本申请提供了一种编码器数字信号故障检测方法及系统，具有以下有益效果：

25、通过计算差分速度信号和差分加速度信号，再进行判断编码器是否产生误码，进行补偿，从而及时发现编码器误码现象；最后根据判断编码器误码次数与阈值的关系进行检测，及时报警并且排查；对编码器发生误码时的及时修正补偿，能够保障当前任务能够顺利完成而不会出现失控的情况，提高了望远镜主轴控制系统的容错能力，方法简单易实现，利于在工程中实现和应用。

技术特征：

1.一种编码器数字信号故障检测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种编码器数字信号故障检测方法，其特征在于，在获取编码器信号后计算差分加速度信号，并得到判断编码器误码的差分加速度信号阈值的步骤中，具体包括下述步骤：

3.根据权利要求1所述的一种编码器数字信号故障检测方法，其特征在于，在将所述差分加速度信号阈值与所述差分加速度信号进行对比，判断所述编码器是否产生误码，若当编码器产生误码，则使用前一帧差分速度信号对编码器值进行补偿修正的步骤中，具体包括下述步骤：

4.根据权利要求1所述的一种编码器数字信号故障检测方法，其特征在于，在判断所述编码器的误码次数是否异常，若判断异常则主轴电机自锁，并向健康管理系统发送编码器异常报警的步骤中，具体包括下述步骤：

5.一种根据权利要求1所述的一种编码器数字信号故障检测方法的系统，其特征在于，包括：

6.一种设备，其特征在于，所述设备包括处理器、与所述处理器耦接的存储器，其中，所述存储器存储有用于实现权利要求1-4任一项所述的一种编码器数字信号故障检测方法的程序指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令以实现一种编码器数字信号故障检测。

7.一种存储介质，其特征在于，存储有处理器可运行的程序指令，所述程序指令用于执行权利要求1-4任一项所述的一种编码器数字信号故障检测方法。

技术总结
本发明公开了一种编码器数字信号故障检测方法及系统，运用于电机控制技术领域，其方法包括：获取编码器信号后计算差分加速度信号，并得到判断编码器误码的差分加速度信号阈值；将所述差分加速度信号阈值与所述差分加速度信号进行对比，判断所述编码器是否产生误码，若当编码器产生误码，则使用前一帧差分速度信号对编码器值进行补偿修正；判断所述编码器的误码次数是否异常，若判断异常则主轴电机自锁，并向健康管理系统发送编码器异常报警；提高了望远镜主轴控制系统的容错能力，方法简单易实现，利于在工程中实现和应用。

技术研发人员：杨晓霞,邓永停,赵金宇,张斌
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4