基于角域重采样迭代的编码器误差测量方法及系统

1.本发明属于编码器误差测量技术领域，涉及一种基于角域重采样迭代的编码器误差测量方法及系统。


背景技术：

2.编码器主要用来速度测量和定位，在精密制造、汽车工程、铁路船舶等领域有着广泛的应用。编码器误差是衡量编码器性能的重要指标，编码器测量误差对瞬时角速度的测量有着密切的联系，对旋转机械的故障诊断有着重大意义。对编码器进行自校准实现编码器精确测量，可以增强微弱的特征信号成分，从而提高对旋转机械真实运行状况和故障的准确性。
3.光电编码器是一种将角度信号按一定规律转换为易于采集、传输和处理的信号(一般为电信号)，以确定角位移或方位角的器件或装置，它是一种重要的传感器，广泛应用于仪表测量、工业自动化、信号检测、机器人和航空航海等领域。目前，光电编码器按输出信号的性质分为模拟式与数字式两大类，模拟式又分为同步机、分解器、电位器、感应式传感器等；数字式分为脉冲盘式、接触编码式、光电编码式、电磁编码式和感应同步器等。随着科技发展和应用需要，对光电编码器在保证成本的条件下精度有了更高的要求。因此，如何降低干扰提高传感器的输出精度是工程应用中一个重要的问题，需要精准获取光电编码器的误差，才可进行后续误差校正。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于角域重采样迭代的编码器误差测量方法及系统，精准获取光电编码器的误差。
5.为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，包括如下步骤：
6.s1，通过多个探头获取编码器脉冲解析信号，并得到编码器的时域解析信号；
7.s2，基于步骤s1获得的编码器时域解析信号，进行信号差分，获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号；
8.s3，对步骤s2获得的含有误差成分的瞬时角速度信号进行时域同步平均；
9.s4，对步骤s3获得的时域同步平均后的信号进行积分和校准；
10.s5，对步骤s4中积分和校准后的编码器信号进行角域非线性重采样，获得编码器角域信号；
11.s6，对编码器角域信号进行信号差分，获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号；
12.s7，对步骤s6获得的含有误差成分的瞬时角速度信号进行角域同步平均；
13.s8，对步骤s7获得的角域同步平均后的信号进行积分和校准；
14.s9，对步骤s8积分和校准后的编码器信号进行角域非线性重采样；
15.s10，将步骤s9角域非线性重采样后的编码器角域信号进行角域迭代修正，即重新将角域信号带入步骤s6至步骤s9中进行信号处理，判断是否收敛；如果收敛则输出编码器误差；否则返回步骤s6。
16.本基础方案的工作原理和有益效果在于：通过探头，实现变转速工况下编码器误差自测量，有效的提高编码器测量的精度。先对时域解析信号进行处理，在对角域信号进行处理，利用傅里叶变换的积分性质，对同步平均后的瞬时角速度误差进行积分，获得编码器瞬时角误差。进行有效的误差测量，在低成本低精度编码器的瞬时角速度精确测量方面具有良好的应用前景。
17.进一步，步骤s1中获取时域解析信号的方法如下：
18.测量解调获取的调制相位λ
′
值包括轴旋转相位λ和由编码器误差引起的相位偏差λd；
19.通过两个探头测得的编码器误差偏差λ
d1
(λ)和λ
d2
(λ)存在角度差δ，对应脉冲调制信号中相位差为nδ，n为编码器的线数，即为一转所发出的脉冲的个数；
20.调制相位中编码器误差成分关系为：
[0021][0022]
其中，λd(λ)为编码器误差；
[0023]
测得编码器方波的时域解析信号a(t)为：
[0024][0025]
其中，p(t)为编码器方波函数，h为希尔伯特变换，i为虚数单位，a(t)为幅值函数，λ
′
(t)为被调制的相位，为测得的轴转角函数，e为自然常数；
[0026]
两个探头获取的时域解析信号p1(t)，p2(t)为：
[0027][0028]
其中，λ
′1(t)与λ
′2(t)为测得脉冲信号中以时间t为自变量的时域相位；n为调制频率的阶次，阶次值为0，1，2，
……
n。
[0029]
计算简单，便于使用。
[0030]
进一步，步骤s2中获取瞬时角速度信号的方法如下：
[0031]
对解析信号进行中心差分并频域解调，编码器间隔角δθ可以近似估算为只包含编码器误差瞬时角度基于中心差分近似计算为：
[0032][0033]
其中，为误差成分的瞬时角速度，n为编码器的线数，ad(t)为双探头编码器脉
冲信号的解析差分信号：
[0034][0035]
a1(t)为探头#1的解析信号，a2(t)为探头#2的解析信号，为误差成分的微分解析信号。
[0036]
获取时域内的瞬时角速度信号，利于后续使用。
[0037]
进一步，步骤s3中对含有误差成分的瞬时角速度信号进行时域同步平均的方法为：
[0038]
对含误差成分的瞬时角速度信号进行时域同步平均，以轴旋转周期为平均周期，时域同步平均处理后，编码器瞬时角速度误差为：
[0039][0040]
n＝n
1-m+1,n
1-m+2,...,n1[0041]
其中，n为编码器的线数；m为长度；mk为kt/δt的近似取值；k表示次数；t为对编码器瞬时角速度误差中特征周期；δt为采样间隔；n为调制频率的阶次，阶次值为0，1，2，
……
n；n1为采样点数，为未经时域同步平均处理的编码器瞬时角速度误差的采样序列。
[0042]
对含误差成分的瞬时角速度信号进行时域同步平均加强，便于后续使用。
[0043]
进一步，步骤s4中对时域同步平均后的信号进行积分和校准的方法如下：
[0044]
利用傅里叶变换的积分性质，对时域同步平均后的瞬时角速度误差进行积分，获得编码器瞬时角误差θe(t)为：
[0045][0046]
其中，为傅里叶逆变换，为编码器误差瞬时角速度的频域表达，j为虚数单位，f为频率。
[0047]
利用傅里叶变换的积分性质，对时域同步平均后的瞬时角速度误差进行积分，操作简单。
[0048]
进一步，步骤s5中获得编码器角域信号的方法为：
[0049]
时域中：基于样条插值及获得的编码器角误差θe(t)，进行三次样条曲线插值，获取角域线性且等角间隔的时间序列t
inter
(n)：
[0050]
t
inter
(m)＝spline(θ
carrier
(n),t(n),θ
inter
(m))
[0051]
其中，spline为三次样条插值，θ
carrier
(n)为载波信号的等时间间隔的角度序列，θ
inter
(m)为等角间隔序列，t(n)为源信号等时间间隔序列；
[0052]
根据差值获得的t
inter
(m)与θ
inter
(m)的映射关系，对时域信号进行线性角域重采样重构，获得编码器信号的角域信号，即
[0053]
编码器方波的角域解析信号a(θ)为：
[0054][0055]
其中，p(θ)为解析信号的实部表达式，h为希尔伯特变换，i为虚数单位，a(θ)为编码器方波信号的幅值函数，λ
′
(θ)为编码器方波信号的相位函数，为编码器方波信号的角度函数；
[0056]
两个探头获取的角域解析信号为：
[0057][0058]
其中，λ
′1(θ)与λ
′2(θ)为测得脉冲信号中以转轴旋转角度θ为自变量的角域相位，n为调制频率的阶次，阶次值为0，1，2，
……
n。
[0059]
运算简单，便于使用。
[0060]
进一步，步骤s6中获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号为：
[0061][0062]
其中，为编码器含有误差成分的瞬时角速度信号，下标q为第q次迭代，ad(θ)为双探头编码器脉冲信号的解析差分信号的角域：
[0063][0064]
其中，a1(θ)为第一个探头的解析信号的角域表达；a2(θ)为第二个探头的解析信号的角域表达，为解析差分信号的角域的微分解析信号。
[0065]
在角域中，获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号，利于后续使用。
[0066]
进一步，步骤s7中对含有误差成分的瞬时角速度信号进行角域同步平均的方法为：
[0067][0068]
n＝n
θ1-m+1,n
θ1-m+2,...,n
θ1
[0069]
其中，m为长度；n为编码器的线数；n
θ1
为平均段数；m
θk
为kθ/δθ的近似取值；为角域同步平均之后含有误差成分的瞬时角速度信号；为未经时域同步平均处理的编码器瞬时角速度误差的采样序列，下标q为第q次迭代，n为调制频率的阶次，阶次值为0，1，2，
……
n。
[0070]
对含有误差成分的瞬时角速度信号进行角域同步平均加强，便于后续使用。
[0071]
进一步，步骤s8中对角域同步平均后的信号进行积分和校准的方法如下：
[0072][0073]
其中，为傅里叶逆变换，θ
qe
(θ)为编码器瞬时角误差的角域表达式，为编码器瞬时角速度的角域表达式，f
θ
为角域中频率的表达方式，下标q为第q次迭代，j为虚数单位。
[0074]
利用傅里叶变换的积分性质，对角域同步平均后的瞬时角速度误差进行积分。
[0075]
进一步，步骤s9中对积分和校准后的编码器信号进行角域非线性重采样的方法如下：
[0076]
时域-角域变换非线性插值重构：
[0077]
t
q_inter
(m
θ
)＝spline(θ
q-1_carrier
(n
θ
),t
q-1_inter
(m
θ
),θ
inter
(m
θ
))
[0078]
基于时域-角域变换关系的解析信号的非线性角域重构及重采样：
[0079]
α
q_inter
(m
θ
)＝spline(α
q-1
(m
θ
),θ
q-1_inter
(m
θ
),θ
inter
(m
θ
))
[0080]
其中，spline为三次样条插值，下标q为第q次迭代，θ
q-1_carrier
(n
θ
)为第q-1次迭代中载波信号的等时间间隔的角度序列，t
q_inter
(m
θ
)为第q次迭代中角域线性且等角间隔的时间序列，t
q-1_inter
(m
θ
)为第q-1次迭代中角域线性且等角间隔的时间序列；α
q_inter
(m
θ
)为角域第q次迭代中插值的编码器方波解析信号；α
q-1
(m
θ
)为角域中第q-1次迭代中编码器方波解析信号；θ
q-1_inter
(m
θ
)为第q-1次迭代中插值的等角间隔序列；θ
inter
(m
θ
)为角域中等角间隔序列。
[0081]
操作简单，利于使用。
[0082]
进一步，根据获得的编码器误差，并通过测量角度信号获取的编码器误差成分对编码器脉输出角度信号相减消除，最终实现编码器误差校正。
[0083]
获取更准确的编码器误差，利于实现编码器的自校准，提高编码器测量精度。
[0084]
本发明还提供一种基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量系统，包括码盘，设置在码盘上的至少两个探头，以及处理器，所述处理器的输入端与探头的输出端连接，处理器执行本发明所述方法，进行编码器误差测量。
[0085]
利用该系统，实现编码器误差的精准测量，利于编码器校准。
附图说明
[0086]
图1是本发明基于角域重采样迭代的编码器误差测量方法的流程示意图；
[0087]
图2是本发明基于角域重采样迭代的编码器误差测量系统的结构示意图；
[0088]
图3是本发明基于角域重采样迭代的编码器误差测量方法的编码器信号角域非线性重采样的曲线图。
具体实施方式
[0089]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0090]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0091]
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0092]
本发明针对编码器制造以及安装误差影响测量精度的问题，公开了一种基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，可以有效实现编码器的自校准，提高编码器测量精度，在低成本低精度编码器的瞬时角速度精确测量方面具有良好的应用前景。如图1所示，该方法包括如下步骤：
[0093]
s1，通过多个探头获取编码器脉冲解析信号，并得到编码器的时域解析信号；
[0094]
s2，基于步骤s1获得的编码器时域解析信号，进行信号差分，获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号；
[0095]
s3，对步骤s2获得的含有误差成分的瞬时角速度信号进行时域同步平均；
[0096]
s4，对步骤s3获得的时域同步平均后的信号进行积分和校准；
[0097]
s5，对步骤s4中积分和校准后的编码器信号进行角域非线性重采样，获得编码器角域信号；
[0098]
s6，对编码器角域信号进行信号差分，获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号；
[0099]
s7，对步骤s6获得的含有误差成分的瞬时角速度信号进行角域同步平均；
[0100]
s8，对步骤s7获得的角域同步平均后的信号进行积分和校准；
[0101]
s9，对步骤s8积分和校准后的编码器信号进行角域非线性重采样；
[0102]
s10，将步骤s9角域非线性重采样后的编码器角域信号进行角域迭代修正，即重新将角域信号带入步骤s6至步骤s9中进行信号处理，判断是否收敛；具体若两次迭代结果差值绝对值与前次结果绝对值的比值小于0.1％，则判断为收敛，如果收敛则输出编码器误差；否则返回步骤s6。
[0103]
本发明的一种优选方案中，步骤s1中获取时域解析信号的方法如下：
[0104]
测量解调获取的调制相位λ
′
值包括轴旋转相位λ和由编码器误差引起的相位偏差λd；
[0105]
通过两个探头测得的编码器误差偏差λ
d1
(λ)和λ
d2
(λ)存在角度差δ，对应脉冲调制信号中相位差为nδ，n为编码器的线数，即为一转所发出的脉冲的个数；
[0106]
调制相位中编码器误差成分关系为：
[0107][0108]
其中，λd(λ)为编码器误差；
[0109]
测得编码器方波的时域解析信号a(t)为：
[0110][0111]
其中，p(t)为编码器方波函数，h为希尔伯特变换，i为虚数单位，a(t)为幅值函数，λ
′
(t)为被调制的相位，为测得的轴转角函数，e为自然常数；
[0112]
两个探头获取的时域解析信号p1(t)，p2(t)为：
[0113][0114]
其中，λ
′1(t)与λ
′2(t)为测得脉冲信号中以时间t为自变量的时域相位；n为调制频率的阶次，阶次值为0，1，2，
……
n。
[0115]
本发明的一种优选方案中，步骤s2中获取瞬时角速度信号的方法如下：
[0116]
对解析信号进行中心差分并频域解调，编码器间隔角δθ可以近似估算为只包含编码器误差瞬时角度基于中心差分近似计算为：
[0117][0118]
其中，为误差成分的瞬时角速度，n为编码器的线数，ad(t)为双探头编码器脉冲信号的解析差分信号：
[0119][0120]
其中，a1(t)为探头#1的解析信号，a2(t)为探头#2的解析信号，为误差成分的微分解析信号。
[0121]
本发明的一种优选方案中，步骤s3中对含有误差成分的瞬时角速度信号进行时域同步平均的方法为：
[0122]
对含误差成分的瞬时角速度信号进行时域同步平均(tsa)，以轴旋转周期为平均周期，时域同步平均处理后，编码器瞬时角速度误差为：
[0123][0124]
n＝n
1-m+1,n
1-m+2,...,n1[0125]
其中，n为平均段数；m为长度；mk为kt/δt的近似取值；k表示次数；t为对编码器瞬时角速度误差中特征周期；δt为采样间隔；n为调制频率的阶次，阶次值为0，1，2，
……
n；n1为采样点数，为未经时域同步平均处理的编码器瞬时角速度误差的采样序列。
[0126]
本发明的一种优选方案中，步骤s4中对时域同步平均后的信号进行积分和校准的方法如下：
[0127]
利用傅里叶变换的积分性质，对时域同步平均后的瞬时角速度误差进行积分，获得编码器瞬时角误差θe(t)为：
[0128][0129]
其中，为傅里叶逆变换，为编码器误差瞬时角速度的频域表达，j为虚数单位，f为频率。
[0130]
本发明的一种优选方案中，如图3所示，步骤s5中获得编码器角域信号的方法为：
[0131]
理想无误差编码器，随轴旋转时其测得旋转角度只包含真实转动成分，即θ
carrier
(t)＝θr(t)，且测得转角与转速或时间存在线性关系，即θ
carrier
(t)＝ωct，编码器脉冲信号的调制频率恒定且只与编码器分辨率和转速ωc程线性相关。
[0132]
实际应用中，受制造和安装误差的影响，编码器测得旋转角度除真实转动成分外还包含编码器误差成分，即θ
carrier
(t)＝θr(t)+θe(t)，由于编码器误差成分θe(t)的随机特性，测得转角与编码器分辨率和转速ωc程非线性关系，编码器脉冲信号载波频率不稳。
[0133]
基于样条插值(为对给定的多点进行插值以获得平滑的曲线，采用样条插值的数据处理方式)及获得的编码器角误差θe(t)，进行三次样条曲线插值，获取角域线性且等角间隔的时间序列t
inter
(n)，为时域信号向角域信号转换提供桥梁：
[0134]
t
inter
(m)＝spline(θ
carrier
(n),t(n),θ
inter
(m))
[0135]
其中，spline为三次样条插值，θ
carrier
(n)为载波信号的等时间间隔的角度序列，θ
inter
(m)为等角间隔序列，t(n)为源信号等时间间隔序列；
[0136]
根据差值获得的t
inter
(m)与θ
inter
(m)的映射关系，对时域信号进行线性角域重采样重构，获得编码器信号的角域信号，既
[0137]
编码器方波的角域解析信号a(θ)为：
[0138][0139]
其中，p(θ)为解析信号的实部表达式，h为希尔伯特变换，i为虚数单位，a(θ)为编码器方波信号的幅值函数，λ
′
(θ)为编码器方波信号的相位函数，为编码器方波信号的角度函数；
[0140]
两个探头获取的角域解析信号为：
[0141][0142]
其中，λ
′1(θ)与λ
′2(θ)为测得脉冲信号中以转轴旋转角度θ为自变量的角域相位。
[0143]
本发明的一种优选方案中，步骤s6中获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号为：
[0144][0145]
其中，为编码器含有误差成分的瞬时角速度信号，下标q为第q次迭代，ad(θ)为双探头编码器脉冲信号的解析差分信号的角域：
[0146][0147]
其中，a1(θ)为第一个探头的解析信号的角域表达；a2(θ)为第二个探头的解析信号的角域表达，为解析差分信号的角域的微分解析信号。
[0148]
本发明的一种优选方案中，步骤s7中对含有误差成分的瞬时角速度信号进行角域同步平均的方法为：
[0149][0150]
n＝n
θ1-m+1,n
θ1-m+2,...,n
θ1
[0151]
其中，m为长度；n为编码器的线数；n
θ1
为平均段数；m
θk
为kθ/δθ的近似取值；为角域同步平均之后含有误差成分的瞬时角速度信号；为未经时域同步平均处理的编码器瞬时角速度误差的采样序列，下标q为第q次迭代，n为调制频率的阶次，阶次值为0，1，2，
……
n。
[0152]
本发明的一种优选方案中，步骤s8中对角域同步平均后的信号进行积分和校准的方法如下：
[0153][0154]
其中，为傅里叶逆变换，θ
qe
(θ)为编码器瞬时角误差的角域表达式，为编码器瞬时角速度的角域表达式，f
θ
为角域中频率的表达方式，下标q为第q次迭代，j为虚数单位。
[0155]
本发明的一种优选方案中，步骤s9中对积分和校准后的编码器信号进行角域非线性重采样的方法如下：
[0156]
时域-角域变换非线性插值重构：
[0157]
t
q_inter
(m
θ
)＝spline(θ
q-1_carrier
(n
θ
),t
q-1_inter
(m
θ
),θ
inter
(m
θ
))
[0158]
基于时域-角域变换关系的解析信号的非线性角域重构及重采样：
[0159]
α
q_inter
(m
θ
)＝spline(α
q-1
(m
θ
),θ
q-1_inter
(m
θ
),θ
inter
(m
θ
))
[0160]
其中，spline为三次样条插值，下标q为第q次迭代，θ
q-1_carrier
(n
θ
)为第q-1次迭代中载波信号的等时间间隔的角度序列，t
q_inter
(m
θ
)为第q次迭代中角域线性且等角间隔的时间序列，t
q-1_inter
(m
θ
)为第q-1次迭代中角域线性且等角间隔的时间序列；α
q_inter
(m
θ
)为角域第q次迭代中插值的编码器方波解析信号；α
q-1
(m
θ
)为角域中第q-1次迭代中编码器方波解
析信号；θ
q-1_inter
(m
θ
)为第q-1次迭代中插值的等角间隔序列；θ
inter
(m
θ
)为角域中等角间隔序列。
[0161]
本发明的一种优选方案中，根据获得的编码器误差，并通过测量角度信号获取的编码器误差成分对编码器脉输出角度信号相减消除，最终实现编码器误差校正。
[0162]
如图2所示，本发明还提供一种基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量系统，包括码盘，设置在码盘上的至少两个探头，以及处理器。探头包含了光源和感光元件，感光元件将由码盘旋转引起的光通断信号转换为高低电平信号，测量解调获取的调制相位λ
′
值包括轴旋转相位λ和由编码器误差引起的相位偏差λd。处理器的输入端与探头的输出端连接，处理器执行本发明所述方法，进行编码器误差测量。本技术方案通过设置任意角度的两个探头，实现变转速工况下编码器误差自测量。可在出厂时设置多探头，实现编码器全寿命周期的误差测量及自校准。也可通过加装临时第二探头，实现对现场使用编码器的误差测量及自校准。本方法可在成本小幅增加的前提下提高编码器精度，尤其是低成本及误差成分明显的霍尔式齿盘编码器。
[0163]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0164]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，通过多个探头获取编码器脉冲解析信号，并得到编码器的时域解析信号；s2，基于步骤s1获得的编码器时域解析信号，进行信号差分，获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号；s3，对步骤s2获得的含有误差成分的瞬时角速度信号进行时域同步平均；s4，对步骤s3获得的时域同步平均后的信号进行积分和校准；s5，对步骤s4中积分和校准后的编码器信号进行角域非线性重采样，获得编码器角域信号；s6，对编码器角域信号进行信号差分，获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号；s7，对步骤s6获得的含有误差成分的瞬时角速度信号进行角域同步平均；s8，对步骤s7获得的角域同步平均后的信号进行积分和校准；s9，对步骤s8积分和校准后的编码器信号进行角域非线性重采样；s10，将步骤s9角域非线性重采样后的编码器角域信号进行角域迭代修正，即重新将角域信号带入步骤s6至步骤s9中进行信号处理，判断是否收敛；如果收敛则输出编码器误差；否则返回步骤s6。2.如权利要求1所述的基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，其特征在于，步骤s1中获取时域解析信号的方法如下：测量解调获取的调制相位λ
′
值包括轴旋转相位λ和由编码器误差引起的相位偏差λ
d
；通过两个探头测得的编码器误差偏差λ
d1
(λ)和λ
d2
(λ)存在角度差δ，对应脉冲调制信号中相位差为nδ，n为编码器的线数，即为一转所发出的脉冲的个数；调制相位中编码器误差成分关系为：其中，λ
d
(λ)＝为编码器误差；测得编码器方波的时域解析信号a(t)为：其中，p(t)为编码器方波函数，h为希尔伯特变换，i为虚数单位，a(t)为幅值函数，λ
′
(t)为被调制的相位，为测得的轴转角函数，e为自然常数；两个探头获取的时域解析信号p1(t)，p2(t)为：其中，λ1′
(t)与λ2′
(t)为测得脉冲信号中以时间t为自变量的时域相位；n为调制频率的阶次，阶次值为0，1，2，
……
n。3.如权利要求1所述的基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，其特征
在于，步骤s2中获取瞬时角速度信号的方法如下：对解析信号进行中心差分并频域解调，编码器间隔角δθ可以近似估算为只包含编码器误差瞬时角度基于中心差分近似计算为：其中，为误差成分的瞬时角速度，n为编码器的线数，a
d
(t)为双探头编码器脉冲信号的解析差分信号：其中，a1(t)为探头#1的解析信号，a2(t)为探头#2的解析信号，为误差成分的微分解析信号。4.如权利要求1所述的基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，其特征在于，步骤s3中对含有误差成分的瞬时角速度信号进行时域同步平均的方法为：对含误差成分的瞬时角速度信号进行时域同步平均，以轴旋转周期为平均周期，时域同步平均处理后，编码器瞬时角速度误差为：n＝n
1-m+1,n
1-m+2,...,n1其中，n为编码器的线数；m为长度；m
k
为kt/δt的近似取值；k表示次数；t为对编码器瞬时角速度误差中特征周期；δt为采样间隔；n为调制频率的阶次，阶次值为0，1，2，
……
n；n1为采样点数，为未经时域同步平均处理的编码器瞬时角速度误差的采样序列。5.如权利要求1所述的基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，其特征在于，步骤s4中对时域同步平均后的信号进行积分和校准的方法如下：利用傅里叶变换的积分性质，对时域同步平均后的瞬时角速度误差进行积分，获得编码器瞬时角误差θ
e
(t)为：其中，为傅里叶逆变换，为编码器误差瞬时角速度的频域表达，j为虚数单位，f为频率。6.如权利要求1所述的基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，其特征在于，步骤s5中获得编码器角域信号的方法为：基于样条插值及获得的编码器角误差θ
e
(t)，进行三次样条曲线插值，获取角域线性且等角间隔的时间序列t
inter
(n)：t
inter
(m)＝spline(θ
carrier
(n),t(n),θ
inter
(m))
其中，spline为三次样条插值，θ
carrier
(n)为载波信号的等时间间隔的角度序列，θ
inter
(m)为等角间隔序列，t(n)为源信号等时间间隔序列；根据差值获得的t
inter
(m)与θ
inter
(m)的映射关系，对时域信号进行线性角域重采样重构，获得编码器信号的角域信号，即编码器方波的角域解析信号a(θ)为：其中，p(θ)为解析信号的实部表达式，h为希尔伯特变换，i为虚数单位，a(θ)为编码器方波信号的幅值函数，λ
′
(θ)为编码器方波信号的相位函数，为编码器方波信号的角度函数；两个探头获取的角域解析信号为：其中，λ
′1(θ)与λ
′2(θ)为测得脉冲信号中以转轴旋转角度θ为自变量的角域相位，n为调制频率的阶次，阶次值为0，1，2，
……
n。7.如权利要求1所述的基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，其特征在于，步骤s6中获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号为：其中，为编码器含有误差成分的瞬时角速度信号，下标q为第q次迭代，a
d
(θ)为双探头编码器脉冲信号的解析差分信号的角域：其中，a1(θ)为第一个探头的解析信号的角域表达；a2(θ)为第二个探头的解析信号的角域表达，为解析差分信号的角域的微分解析信号。8.如权利要求1所述的基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，其特征在于，步骤s7中对含有误差成分的瞬时角速度信号进行角域同步平均的方法为：n＝n
θ1-m+1,n
θ1-m+2,...,n
θ1
其中，m为长度；n为编码器的线数；n
θ1
为平均段数；m
θk
为kθ/δθ的近似取值；为角域同步平均之后含有误差成分的瞬时角速度信号；为未经时域同步平均处理的编码
器瞬时角速度误差的采样序列，下标q为第q次迭代，n为调制频率的阶次，阶次值为0，1，2，
……
n。9.如权利要求1所述的基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，其特征在于，步骤s8中对角域同步平均后的信号进行积分和校准的方法如下：其中，为傅里叶逆变换，θ
qe
(θ)为编码器瞬时角误差的角域表达式，为编码器瞬时角速度的角域表达式，f
θ
为角域中频率的表达方式，下标q为第q次迭代，j为虚数单位。10.如权利要求1所述的基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，其特征在于，步骤s9中对积分和校准后的编码器信号进行角域非线性重采样的方法如下：时域-角域变换非线性插值重构：t
q_inter
(m
θ
)＝spline(θ
q-1_carrier
(n
θ
),t
q-1_inter
(m
θ
),θ
inter
(m
θ
))基于时域-角域变换关系的解析信号的非线性角域重构及重采样：α
q_inter
(m
θ
)＝spline(α
q-1
(m
θ
),θ
q-1_inter
(m
θ
),θ
inter
(m
θ
))其中，spline为三次样条插值，下标q为第q次迭代，θ
q-1_carrier
(n
θ
)为第q-1次迭代中载波信号的等时间间隔的角度序列，t
q_inter
(m
θ
)为第q次迭代中角域线性且等角间隔的时间序列，t
q-1_inter
(m
θ
)为第q-1次迭代中角域线性且等角间隔的时间序列；α
q_inter
(m
θ
)为角域第q次迭代中插值的编码器方波解析信号；α
q-1
(m
θ
)为角域中第q-1次迭代中编码器方波解析信号；θ
q-1_inter
(m
θ
)为第q-1次迭代中插值的等角间隔序列；θ
inter
(m
θ
)为角域中等角间隔序列。11.如权利要求1所述的基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量方法，其特征在于，根据获得的编码器误差，并通过测量角度信号获取的编码器误差成分对编码器脉输出角度信号相减消除，最终实现编码器误差校正。12.一种基于相位差分角域重采样迭代的编码器误差测量系统，其特征在于，包括码盘，设置在码盘上的至少两个探头，以及处理器，所述处理器的输入端与探头的输出端连接，处理器执行权利要求1-11之一所述方法，进行编码器误差测量。

技术总结
本发明属于编码器误差测量技术领域，具体公开了一种基于角域重采样迭代的编码器误差测量方法及系统，该方法包括步骤：S1，得到编码器的时域解析信号；S2，获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号；S3，对步骤S2的瞬时角速度信号时域同步平均；S4，对步骤S3的信号积分和校准；S5，获得编码器角域信号；S6，获取编码器含有误差成分的瞬时角速度信号；S7，对步骤S6的瞬时角速度信号进行角域同步平均；S8，对角域同步平均后的信号积分和校准；S9，对积分和校准后的编码器信号进行角域非线性重采样；S10，对编码器角域信号角域迭代修正，判断是否收敛，如果收敛则输出编码器误差；否则返回步骤S6。采用本技术方案，误差测量更精确。误差测量更精确。误差测量更精确。


技术研发人员：曾强 刘元昊 张艺超 王利明 丁晓喜 余文念 黄文彬 白温毓
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/6