一种跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法

摘要

本发明提供了一种跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法，本发明适用于一种跟踪控制平台，平台由主处理器模块、存储模块、显示模块、电源模块、执行模块、被控模块、光电编码器测量模块、通信接口模块和人机交互模块组成。本发明通过跟踪控制平台被控对象位置量来对编码器测量模块的细分信号误差进行补偿。本发明实用性和外场适应能力强，无需价格昂贵的误差检测设备和带给平台较大延时的复杂算法。同时，本发明仅需获取轴系位置信息，无需了解跟踪控制平台和编码器测角模块及平台下层软硬件结构，可移植可操作能力强，省时省力，为解决光电跟踪控制平台常见的编码器细分信号误差问题提供了一个很好的解决思路。

说明书

技术领域

本发明属于精密跟踪与控制技术领域，具体涉及一种跟踪控制平台光电编码器细分信号 误差补偿方法。

背景技术

跟踪控制平台对捕获、跟踪及瞄准要求苛刻，精度需至角秒量级，甚至要超低速工作， 对光电编码器的轴角测量精度和准确度提出很高的要求。光栅信号周期大小，光栅的一致性 和边缘清晰度，光学过滤器质量，光电检测元件特性和输出模拟信号在后续处理中的稳定性 和动态性能是影响光电编码器测量精度的主要因素。对于无内置轴承的角度编码器还要考虑 安装误差，被测轴轴承误差，读数头调整误差导致的附加误差等对测量精度的影响。对于内 置轴承角度编码器和内置定子联轴器角度编码器，还需考虑联轴器带来的误差。这些因素对 编码器测量的影响最终体现在细分信号误差上，提高编码器精度需对细分信号误差进行修正 或补偿。针对细分信号误差对编码器测角精度造成的影响，通常从误差检测和误差补偿两个 方面补救。细分信号误差测量方面，如能检测出来细分误差的成因、量值或动态规律，就可 尽量规避产生误差的因素或直接对细分误差进行补偿，以提高编码器精度。细分误差测量方 法存在的问题是编码器误差检测装置复杂，检测过程繁琐，对环境要求严格，大多只能在实 验室条件下检测，并不适合在工作现场对编码器进行检测。另外，检测装置大多只能实现对 编码器的静态误差检测，不能够很好的实现对编码器的动态误差检测。昂贵的价格也是限制 其在实际工程中应用的重要因素。细分误差补偿方面，多侧重基于BP神经网络和基于径向 基函数网络等智能和自适应算法的研究。编码器细分误差补偿方法存在的问题是误差修正需 要在实验室等较理想的环境下进行,工作内容只针对编码器测角模块的细分误差进行修正或 补偿，不考虑编码器测角模块应用于复杂大平台轴系时，细分误差对整个平台造成的影响。 因此，这些细分误差补偿方法很难适应光电编码器工作现场及工作环境的变化等情况。针对 目前编码器细分信号误差补偿方法存在的上述缺点，本发明提出一种跟踪控制平台光电编码 器细分信号误差补偿方法。该方法实用性和外场适应能力强，无需价格昂贵的误差检测设备 和带给平台较大延时的复杂算法。同时，该方法仅需获取轴系位置信息，无需了解光电控制 平台和编码器测角模块及平台下层软硬件结构，可移植可操作能力强，省时省力，为解决光 电控制平台常见的编码器细分信号误差问题提供了一个很好的解决思路。该方法减小了细分 信号误差对跟踪控制平台的影响，提高了跟踪控制平台光电编码器测角精度，使得平台具有 更宽的带宽、更高的刚度、更快的响应速度、更强的负载能力以及更好的稳定性。

中国专利文献库公布了一种名称为《高精度编码器光电信号细分误差的检测方法》(专 利申请号201210488003.5)的发明专利申请技术，该发明专利申请技术公开了一种测量超长 导轨直线度的方法，涉及一种测量导轨尤其是超长导轨直线度的方法。本发明解决现有测量 方法测量精度低、误差大，并且存在数据处理和运算比较复杂的问题。本发明所述方法通过 激光跟踪仪测量、采集超长导轨上若干数据点，对这些数据点进行空间直线拟合，采用最小 二乘法拟合算法对采集的N个测试采样点的数据信息进行直线度计算，即可得到导轨的直线 度。本发明所述的方法数据分析和实验操作简便、测试时间短、数据处理简单、测试成本低 以及测试效率很高。其不足之处在于该发明专利激光跟踪仪器仅适用直线编码器，不适用于 角度编码器，其误差检测设备价格昂贵，实用性和外场适应能力不强，对光电控制平台和编 码器模块及平台下层软硬件结构熟悉度要求高，可移植可操作能力差，很难适应光电编码器 工作现场及工作环境的变化等情况。

发明内容

为解决编码器细分信号误差对跟踪控制平台稳定性及跟踪控制精度造成了较严重的影 响，而目前常用的细分信号误差补偿方法在实用性，外场适应能力，价格，可移植可操作能 力和实时性方面无法满足需求的问题，本发明提供一种跟踪控制平台光电编码器细分信号误 差补偿方法。

本发明采用的技术方案为：一种跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法，跟踪 控制平台包括主处理器模块、存储模块、显示模块、电源模块、执行模块、被控模块、光电 编码器测量模块、通信接口模块和人机交互模块。跟踪控制平台以主处理器模块为中心，被 控模块为跟踪控制平台控制对象，光电编码器测量模块用于测量被控模块的位移量，执行模 块用于驱动和控制被控模块，存储模块与主处理器模块连接用于存储实时处理数据和固化程 序等，连接在主处理器模块上的显示模块主要用来显示被控模块动态和行为，通信模块用 于模块间的信息交互，人机交互模块主要便于操作员操作跟踪控制系统，电源模块则是为整 个硬件平台提供电源供应。

该跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法按以下步骤实现：

步骤(1)、控制平台光电编码器输出由莫尔条纹技术获得的两路正交信号，波形为准正 弦波，正弦波和余弦波表示如下：

其中，细分信号A和B由四部分组成，A₀和B₀表示信号直流分量，为直流误差源；A_m和B_m表示基波信号幅值，为信号幅值误差源；表示高次 谐波之和，为谐波分量误差来源；δ_e表示电噪声，为噪声来源；另外，光电编码器细分角度 的模拟量与数字量间的转换为量化误差源，A和B两路信号的相位差为相位误差来源；

有高精度需求的编码器应用平台，要达到高细分倍数，需采用反正切细分方法。细分方 法及细分误差如下式所示。

${\theta }_r={\theta }_d+\mathrm{\Delta \theta }=\arctan \frac{A}{B}$

其中，θ_r表示真实理论细分角度，θ_d为测量所得细分角度，△θ即为细分信号误差。

判断细分误差对控制平台精度影响程度，若微弱到忽略不计，则算法结束。否则通过对 细分信号误差的上述数理分析判断误差源类型；

步骤(2)、计算控制平台细分误差补偿方法初始参数：

a)编码器系统分辨率：

b)编码器光栅角分辨率：

c)细分信号细分分辨率：

AllBit,CoarseBit,FineBit分别表示光电编码器位数，粗码位数和精码位数。其中，粗码 表示光电编码器码盘物理刻画的单圈光栅数，精码表示单细分信号周期电子细分数；

步骤(3)、求将实测轴系位置的粗码表示则用粗码表示的位置量 θ_{P_Coarse}为：θ_{P_Coarse}＝CoarseCode*Q_C。由精码表示用于细分的位置量为θ_{P_Fine}＝θ_P-θ_{P_Coarse}；

步骤(4)、求真实细分角度值

步骤(5)、判断细分角相位零点是否发生偏移，若发生偏移，求由现细分角零点为起点 测到的细分角度量θ_dR为：θ_dR＝θ_d-InitialAngle。θ_d表示实际测到的细分角，其表达式根据 不同的细分误差类型由θ_r及A和B的表达式求得，InitialAngle表示细分角零点位置的偏移 量。若细分角相位零点无偏移则θ_dR＝θ_d；

步骤(6)、求对应θ_dR的精码则实测位置总码为 CodeAll＝CoarseCode·2^FineBit+FineCode；

步骤(7)、由式CodeAll＝CoarseCode·2^FineBit+FineCode和ACoarseCode＝CoarseCode， 推出步骤(6)获得总码中的粗码(ACoarseCode与 CoarseCode区别是来源方面不同，前者由输入该模块的总码值中分离而来，后者由轴系实 测位置量获得，两者理论上等值)。此步骤作用是可进一步纯化粗码值，使之更精确；

步骤(8)、求未修正精码NCFineCode＝CodeAll-ACoarseCode；

步骤(9)、求未修正的细分精码表示的细分角度(FinePhaseOrigin与θ_dR来源不同，前者来自未修正精码，后者来源于轴系位置测量值。由 于取整的原因，前者值一般会小于后者)；

步骤(10)、若存在零点漂移，细分角测量值θ_d＝FinePhaseOrigin+InitialAngle，否则 θ_d＝FinePhaseOrigin；

步骤(11)、根据不同的细分误差类型，计算细分信号误差量△θ，即修正量；

步骤(12)、求修正后的细分角度θ_dc＝θ_d+△θ；

步骤(13)、求修正后的精码则修正后的总码由下式求出：

CodeAllCorrected＝ACoarseCode+FineCodeCorrected

步骤(14)、计算出修正后的轴系位置值θ_PC：θ_PC＝CodeAllCorrected·Q

步骤(15)、将修正后的位置量θ_PC通过反馈带入到该跟踪控制平台中。

其中，本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的主处理器模块可以为 PC机、FPGA、PowerPC和DSP中的一种或几种。

其中，本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的存储模块可为电子固态 硬盘，TF，CF或SD卡中的一种或几种。

其中，本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的显示模块可为OLED或 LCD。

其中，本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的电源模块采用特定的电 源管理芯片，同时包含电池及电池充电电路。

其中，本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的执行模块为被控对象专 有功率级驱动。

其中，本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的被控模块为跟踪控制平 台控制末端和控制对象。

其中，本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的光电编码器测量模块为 平台所用编码器及与编码器通过特定接口配套的细分和数字化电子电路设备。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明通过对光电编码器细分信号误差进行理论分析，借助跟踪控制平台，对比现有细 分信号误差补偿方法，能够不对光电编码器测角系统进行改动，同时不采用复杂的影响跟踪 快速性的智能算法，而是利用光电编码器所在跟踪控制系统实测位置量修正光电编码器细分 信号误差。本发明能够适用于精度高，实时性强，且复杂度高的大型设备的编码器输出细分 信号误差补偿。同时，本发明实用性和外场适应能力强，无需价格昂贵的误差检测设备和带 给系统较大延时的复杂算法。另外，本发明仅需获取轴系位置信息，无需了解光电控制系统 和编码器测角系统及系统下层软硬件结构，可移植可操作能力强，省时省力，为解决光电控 制系统常见的编码器细分信号误差问题提供了一个很好的解决方法。该方法减小了细分信号 误差对跟踪控制平台的影响，提高了跟踪控制平台光电编码器测角精度，使得平台具有更宽 的带宽、更高的刚度、更快的响应速度、更强的负载能力以及更好的稳定性。

本发明的方法应用于跟踪控制平台后，平台低速性能明显增强，说明本发明提出的细分 信号误差补偿方法对抑制平台跟踪控制误差，提高平台控制精度行之有效，特别是在确保控 制平台低速平稳性方面。对比跟踪控制平台仅速度环路细分误差补偿修正和速度与位置环路 都修正的测试结果，后者控制方法效果更佳优良，尤其是在平台0.05-0.3s起步阶段和0.8s 以后较平稳运行阶段。同时，后者的测试结果更加接近性能比较优良的参考平台测试结果。 考虑到本发明提出的细分误差补偿方法简单易行，给平台整体运算带来的负担较小。所以， 跟踪控制平台选择将本发明提出的细分误差补偿算法同时运用于控制平台的速度环路和位 置环路。测试表明，对比跟踪控制平台性能，细分信号误差补偿修正后，跟踪控制位置误差 最大值由1.42″减小到0.74″，降低了47.9％，低速性能明显提升，控制平台整体性能得到增 强。

附图说明

图1为跟踪控制平台总体结构框图；

图2为本发明提出的跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法流程图；

图3为具体实施方式中光电编码器细分信号误差补偿方法应用于跟踪控制平台的效果 图；其中，表示参考跟踪控制平台低速跟踪性能，表示未细分信号误差补偿前跟踪 控制平台低速跟踪性能，表示将本发明提出的误差补偿方法仅应用于跟踪控制平台速度 环路后的跟踪控制平台低速跟踪性能，表示将本发明提出的误差补偿方法同时应用于 跟踪控制平台控制系统速度环路和位置环路后跟踪控制平台低速跟踪性能；

图1中：1.主处理器模块，2.存储模块，3.显示模块，4.电源模块，5.执行模块，6.被控 模块，7.光电编码器测量模块，8.通信接口模块，9.人机交互模块。

具体实施方式

为了更好了解本发明所提出的细分信号误差补偿方法，下面结合附图和实施案例对本发 明作进一步描述。

图1为跟踪控制平台总体结构框图，跟踪控制平台包括主处理器模块1、存储模块2、 显示模块3、电源模块4、执行模块5、被控模块6、光电编码器测量模块7、通信接口模块 8、人机交互模块9。跟踪控制平台以主处理器模块1为处理核心，被控模块6为跟踪控制平 台控制对象，光电编码器测量模块7主要给执行模块5提供控制和驱动测量被控模块6的位 移量并测量被控模块6的位置量，存储模块2与主处理器模块1连接用于存储实时处理数据 和固化程序等，连接在主处理器模块1上的显示模块3主要用来显示被控模块动态和行为， 通信模块8用于模块间的信息交互，人机交互模块9主要便于操作员操作跟踪控制系统，电 源模块4则是为整个硬件平台提供电源供应。

本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的主处理器模块可以为PC机、 FPGA、PowerPC和DSP中的一种或几种。

本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的存储模块可为电子固态硬盘， TF，CF或SD卡中的一种或几种。

本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的显示模块可为OLED或LCD。

本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的电源模块采用特定的电源管 理芯片，同时包含电池及电池充电电路。

本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的执行模块为被控对象专有功 率级驱动。

本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的被控模块为跟踪控制平台控 制末端和控制对象。

本发明跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法的光电编码器测量模块为平台 所用编码器及与编码器通过特定接口配套的细分和数字化电子电路设备。

图2为本发明提出的跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法流程图，按以下步 骤实现：

步骤(1)、控制平台光电编码器输出由莫尔条纹技术获得的两路正交信号，波形为准正 弦波，正弦波和余弦波表示如下：

其中，细分信号A和B由四部分组成，A₀和B₀表示信号直流分量，为直流误差源；A_m和B_m表示基波信号幅值，为信号幅值误差源；和表示高次 谐波之和，为谐波分量误差来源；δ_e表示电噪声，为噪声来源。另外，光电编码器细分角度 的模拟量与数字量间的转换为量化误差源，A和B两路信号的相位差为相位误差来源。

有高精度需求的编码器应用平台，要达到高细分倍数，需采用反正切细分方法。细分方 法及细分误差原理如下式所示。

${\theta }_r={\theta }_d+\mathrm{\Delta \theta }=\arctan \frac{A}{B}$

其中，θ_r表示真实理论细分角度，θ_d为测量所得细分角度，△θ即为细分信号误差。

判断细分误差对控制平台精度影响程度，若微弱到忽略不计，则算法结束。否则通过对 细分信号误差的上述数理分析判断误差源类型；

步骤(2)、计算控制平台细分误差补偿方法初始参数：

a)编码器系统分辨率：

b)编码器光栅角分辨率：

c)细分信号细分分辨率：

AllBit,CoarseBit,FineBit分别表示光电编码器位数，粗码位数和精码位数。其中，粗码 表示光电编码器码盘物理刻画的单圈光栅数，精码表示单细分信号周期电子细分数；

步骤(3)、求将实测轴系位置的粗码表示则用粗码表示的位置量 θ_{P_Coarse}为：θ_{P_Coarse}＝CoarseCode*Q_C。由精码表示用于细分的位置量为θ_{P_Fine}＝θ_P-θ_{P_Coarse}；

步骤(4)、求真实细分角度值

步骤(5)、判断细分角相位零点是否发生偏移，若发生偏移，求由现细分角零点为起点 测到的细分角度量θ_dR为：θ_dR＝θ_d-InitialAngle。θ_d表示实际测到的细分角，其表达式根据 不同的细分误差类型由θ_r及A和B的表达式求得，InitialAngle表示细分角零点位置的偏移 量。若细分角相位零点无偏移则θ_dR＝θ_d；

步骤(6)、求对应θ_dR的精码则实测位置总码为 CodeAll＝CoarseCode·2^FineBit+FineCode；

步骤(7)、由式CodeAll＝CoarseCode·2^FineBit+FineCode和ACoarseCode＝CoarseCode， 推出step 6获得总码中的粗码(ACoarseCode与 CoarseCode区别是来源方面不同，前者由输入该模块的总码值中分离而来，后者由轴系实 测位置量获得，两者理论上等值)。此步骤作用是可进一步纯化粗码值，使之更精确；

步骤(8)、求未修正精码NCFineCode＝CodeAll-ACoarseCode；

步骤(9)、求未修正的细分精码表示的细分角度(FinePhaseOrigin与θ_dR来源不同，前者来自未修正精码，后者来源于轴系位置测量值。由 于取整的原因，前者值一般会小于后者)；

步骤(10)、若存在零点漂移，细分角测量值θ_d＝FinePhaseOrigin+InitialAngle，否则 θ_d＝FinePhaseOrigin；

步骤(11)、根据不同的细分误差类型，计算细分信号误差量△θ，即修正量；

步骤(12)、求修正后的细分角度θ_dc＝θ_d+△θ；

步骤(13)、求修正后的精码则修正后的总码由下式求出：

CodeAllCorrected＝ACoarseCode+FineCodeCorrected

步骤(14)、计算出修正后的轴系位置值θ_PC：θ_PC＝CodeAllCorrected·Q

步骤(15)、将修正后的位置量θ_PC通过反馈带入到控制平台中。

图3为具体实施方式中光电编码器细分信号误差补偿方法应用于跟踪控制平台的效果 图。实际工程中，测量原跟踪控制平台和性能良好的参考跟踪控制平台的跟踪控制性能。将 本发明提出的跟踪平台光电编码器细分信号误差补偿方法应用于跟踪控制平台速度环及将 细分信号误差补偿方法同时应用于跟踪控制平台速度环和位置环，分别测试跟踪控制平台的 跟踪控制性能。仅速度环路补偿和速度环路与位置环路同时补偿后平台低速性能平台低速性 能都明显增强，说明本发明提出的细分信号误差补偿方法对抑制平台跟踪控制误差，提高平 台控制精度有效。对比跟踪控制平台仅速度环路细分误差补偿修正和速度与位置环路都修正 的测试结果，后者控制方法效果更佳优良，尤其是在平台0.05-0.3s起步阶段和0.8s以后较 平稳运行阶段。同时，后者的测试结果更加接近性能比较优良的参考平台测试结果。考虑到 本发明提出的细分误差补偿方法简单易行，给平台整体运算带来的负担较小。所以，跟踪控 制平台选择将本发明提出的细分误差补偿算法同时运用于控制平台的速度环路和位置环路。 测试表明，对比跟踪控制平台性能，细分信号误差补偿修正后，跟踪控制位置误差最大值由 1.42″减小到0.74″，降低了47.9％，低速性能明显提升，控制平台整体性能得到增强。

高精度光电跟踪控制系统对捕获、跟踪及瞄准要求苛刻，精度需至角秒量级，同时，经 常工作于低速状态，跟踪速度甚至小于1″/s，对光电编码器的轴角测量精度和准确度提出很 高的要求。光栅信号周期大小，光栅的一致性和边缘清晰度，光学过滤器质量，光电检测元 件特性和输出模拟信号在后续处理中的稳定性和动态性能是影响光电编码器测量精度的主 要因素。这些因素对编码器测量的影响最终体现在细分信号误差上，提高编码器精度需对细 分信号误差进行修正或补偿。

针对细分信号误差对编码器测量精度造成的影响，通常从误差检测和误差补偿两个方面 补救。在细分信号误差测量方面，如能检测出来细分误差的成因、量值或动态规律，就可尽 量规避产生误差的因素或直接对细分误差进行补偿，以提高编码器精度。在细分误差补偿技 术研究方面，通常采用目前较先进的人工智能算法来实现包括细分误差在内的光电编码器测 角误差的补偿。本发明是通过对编码器细分误差进行数理分析，借助编码器所在跟踪控制平 台测得的跟踪控制平台的位置值，对编码器细分信号误差进行补偿，算法简单有效，无需像 现在对细分信号误差修正或补偿方法那样对编码器测角系统进行修改。