适应多向轴窜的编码器校准方法、系统、介质和设备与流程

本发明涉及工业自动化，尤其是指一种适应多向轴窜的编码器校准方法、系统、介质和设备。

背景技术：

1、编码器作为一种测量旋转角度的角度传感器，在工业生产过程中的使用越来越广泛。随着技术和生产的发展，行业对编码器的要求越来越朝着精密化、系统化的方向发展，对检测结果的精度有较高的要求。

2、在编码器的使用过程中，由于编码器结构件的加工误差、以及随着编码器使用时间的增加，其轴结构的不可靠性会有一定程度的增长；特别对于实心轴和盲孔结构的编码器，因其结构特性，还可能会发生轴向或径向的轴窜、即轴系晃动，从而影响编码器的精度。但是现有技术中没有可以有效解决因轴窜而导致的编码器精度下降的方法。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种适应多向轴窜的编码器校准方法、系统、介质和设备，可以降低成本、提高补偿精准度。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种适应多向轴窜的编码器校准方法，包括：

3、在编码器上安装微控制单元，以编码器的旋转轴中心为中心在编码器的码盘上方对径设置第一感光模块和第二感光模块，在所述第一感光模块、第二感光模块之间设置第三感光模块；

4、所述第一感光模块和第二感光模块分别将相同时间内接收到的光信号转换为正弦信号并发送给所述微控制单元，所述微控制单元分析接收到的正弦信号在频率和相位上的偏差得到编码器轴系晃动的偏心方向和偏心距；

5、所述第三感光模块将接收到的光信号转换为电信号并发送给所述微控制单元，所述微控制单元根据电信号计算编码器的转动速度；

6、所述微控制单元结合所述偏心方向、偏心距、编码器的转动速度得到编码器的轴系晃动造成的动态轴系晃动误差，根据所述动态轴系晃动误差对编码器的输出进行实时补偿。

7、进一步地，所述偏心距的计算方法为：

8、，

9、其中，为偏心距，为所述第一感光模块、第二感光模块探测到的正弦信号间的相位差， d为码盘上的光栅栅距。

10、进一步地，所述偏心距的计算过程，具体为：

11、将编码器的实际旋转轴中心记为 o d，将第一感光模块、第二感光模块在编码器的码盘上方的位置分别记为 a 1 、a 2，将码盘的理想位置几何中心记为 o m，将连接 a 1和 o m的延长线在码盘上的另一个交点位置记为 b，将 o d指向 o m的方向作为偏心方向、线段 o d o m为偏心距；以偏心方向为基准，此时第一感光模块、第二感光模块在光学圆周上经过的长度差为弧 a 2 b；

12、将连接 a 1 、a 2的直线记为 a 1 a 2，将过 o m垂直于 a 1 a2的交点位置记为 e，将 o m和 e间的距离记为 o m e，根据小角相似理论，弧 a 2 b≈ a 2 b、且 o m e⊥ a 1 a 2，根据几何相似关系得到弧 a 2 b≈2 o m e=2*sin，其中，为偏心方向与 a 1 a 2间的夹角；

13、将弧 a 2 b在信号采集周期内所对应的角度数作为第一感光模块、第二感光模块探测到的正弦信号间的相位差、得到：

14、，

15、其中，为所述第一感光模块、第二感光模块探测到的正弦信号间的相位差， d为码盘上的光栅栅距；

16、将 o m e作为编码器的旋转轴旋转过程中第一感光模块、第二感光模块的偏心路程差，在编码器的旋转轴旋转一周的过程中 o m e会两次达到极值点、分别记为极小值点 p min和极大值点 p max，分别对应偏心方向与 a 1 a 2正交时位于 a 2位置的第二感光模块读到的两个点；码盘从极小值点 p min逆时针旋转180°到极大值点 p max，期间第一感光模块、第二感光模块所读到的总相位差为，结合公式得到偏心距的计算公式为。

17、进一步地，所述偏心方向的获取方法为：

18、在所述第二感光模块读到任一极值点时开始记录，当所述第一感光模块、第二感光模块读到的总相位差达到极值后，将该位置与码盘旋转角度垂直的方向作为偏心方向。

19、进一步地，所述动态轴系晃动误差的计算方法为：

20、构建编码器工作时轴系晃动的幅值为：

21、 α＝σ＋g*exp(qv)，

22、其中， α为编码器工作时轴系晃动的幅值， σ是静态时轴系晃动的幅值， g是轴系晃动变化系数， exp(qv)为幅度增加趋势函数， q为轴系晃动帐度增加系数， v为编码器的转动速度；

23、动态轴系晃动误差表示为：

24、 ，

25、其中，为动态轴系晃动误差，为理想码盘位置中心与编码器测角位置的夹角，为偏心距， r为码盘的半径。

26、进一步地，所述动态轴系晃动误差的具体计算过程为：

27、构建码盘的理想位置和轴系晃动造成的码盘的实际位置，将码盘的理想位置的几何中心记为 o、码盘的实际位置的几何中心记为 o’，在码盘的实际位置上设置编码器的测量位置、记为 p，将轴系晃动方向与编码器测量位置的夹角记为，记编码器零点位置为 zero、码盘的半径为 r；

28、将编码器测得的当前角度值记为，连接o’和o得到向量，将方向作为偏心方向，偏心方向与编码器零点位置之间的夹角记为，=+；

29、记轴系晃动误差为δ，连接 o和 o’得到向量，其中，计算得到轴系晃动误差为：

30、，

31、将动态轴系晃动误差记为，结合公式 α＝σ＋g*exp(qv)，计算动态轴系晃动误差为：

32、，

33、将动态轴系晃动误差近似为：

34、，

35、将方向与方向的夹角记为，为连接o和p得到的向量；根据几何关系得到δ =-， r*sinδ=* sin(+δ)；结合公式得到最终的动态轴系晃动误差为：

36、 。

37、进一步地，根据所述动态轴系晃动误差对编码器的输出进行实时补偿，具体为：

38、将最终的动态轴系晃动误差叠加在编码器测得的当前角度值上，得到修正后的编码器的输出角度值为：

39、，

40、其中，为修正后的编码器的输出角度值。

41、本发明还提供了一种适应多向轴窜的编码器校准系统，包括：

42、微控制单元，安装在编码器上；

43、第一感光模块、第二感光模块和第三感光模块，所述第一感光模块、第二感光模块对径设置在以编码器的旋转轴中心为中心的码盘上方，所述第三感光模块设置在所述第一感光模块、第二感光模块之间；

44、偏心方向和偏心距计算模块，用于控制所述第一感光模块和第二感光模块分别将相同时间内接收到的光信号转换为正弦信号并发送给所述微控制单元，并控制所述微控制单元分析接收到的正弦信号在频率和相位上的偏差得到编码器轴系晃动的偏心方向和偏心距；

45、编码器转动速度计算模块，用于控制所述第三感光模块将接收到的光信号转换为电信号并发送给所述微控制单元，并控制所述微控制单元根据电信号计算编码器的转动速度；

46、校准模块，用于控制所述微控制单元结合所述偏心方向、偏心距、编码器的转动速度得到编码器的轴系晃动造成的动态轴系晃动误差，并根据所述动态轴系晃动误差对编码器的输出进行实时补偿。

47、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的适应多向轴窜的编码器校准系统中所述偏心方向和偏心距计算模块、编码器转动速度计算模块、校准模块的功能。

48、本发明还提供了一种适应多向轴窜的编码器校准设备，包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的适应多向轴窜的编码器校准系统中所述偏心方向和偏心距计算模块、编码器转动速度计算模块、校准模块的功能。

49、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：

50、本发明通过三个感光模块获取不同信号，接着通过微控制单元对不同信号进行分析得到偏心数据和转速并据此得到动态轴系晃动误差，最后根据动态轴系晃动误差对编码器的输出进行实时补偿；成本低且实现了对误差的补偿，补偿过程结合考虑了偏心数据和转速、补偿精准度高。