一種基于光電編碼器的高精度測速和測加速度方法

1、一種基于光電編碼器的高精度測速和測加速度方法A New Way of Measuring Velocity and Acceleration Based on Photoelectric Encoder姜慶明 楊旭 甘永梅 王曉鈺 王兆安 jiang qing ming（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049） 【摘要】在比較常用的基于光電編碼器的測速、測加速度方法的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的基于光電編碼器的高精度測速和測加速度的方法，論述了軟硬件的實(shí)現(xiàn)方法。并且針對編碼器脈沖不均勻性對測速、測加速度精度的造成的影響，提出了一種軟件處理的方法，很好的提高了精度。關(guān)鍵詞：光電編碼器

2、 測速 測加速度 脈寬誤差 【Abstract】By analyzing and comparing the existing ways of measuring velocity and acceleration based on photoelectric encoder, the paper proposed a new way of measuring the velocity and acceleration. How to design and realize the hardware and software is introduced. And how to improve t

3、he measuring accuracy influenced by the width error of the pulse is also introduced. 【Key words】photoelectric encoder、measure velocity、measure acceleration、width error of pulse1引言光電脈沖編碼器是一種數(shù)字式角度傳感器, 它能將角位移量轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電脈沖進(jìn)行輸出,主要用于機(jī)械轉(zhuǎn)角位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測與控制。在以光電編碼器構(gòu)成的測速系統(tǒng)中，常用的測速方法有三種，即 “M法”、“T法”和“M/T 法”。加速度值理論上只要

4、根據(jù)上述方法測得的相鄰兩個(gè)速度點(diǎn)的速度差及其間隔時(shí)間即可計(jì)算得到。 本文在分析、比較現(xiàn)有的基于光電編碼器的各種測速方法的基礎(chǔ)上提出了一種新的方法，具有較高的測速精度和實(shí)時(shí)性；此外，普通編碼器的制造誤差使得編碼器的脈寬是不均勻的，這對測速、測加速度精度的影響很大，本文提出了一種軟件處理方法用于解決這個(gè)問題。本文所提出的測速、測加速度方法在我國首臺自行研制的摩托車交流底盤測功機(jī)測控系統(tǒng)得到應(yīng)用。底盤測功機(jī)是摩托車整車室內(nèi)試驗(yàn)中最常用的大型關(guān)鍵設(shè)備之一，其測控系統(tǒng)對測速、測加速度的精度和實(shí)時(shí)性要求都非常高，現(xiàn)有的幾種常用的基于光電編碼器的測速、測加速度方法都無法滿足要求，本文提出的方法很好地滿足了其

5、測控系統(tǒng)對速度、加速度測量精度和實(shí)時(shí)性的要求。2常用的幾種基于光電編碼器的測速方法 在下圖中列出了三種常用的基于光電編碼器的測速方法，假定時(shí)鐘頻率為f，光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P。和分別是對編碼器脈沖和時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)值。圖1. 各種測速法原理圖21 “M法”測速通過測量一段固定的時(shí)間間隔內(nèi)的編碼器脈沖數(shù)來計(jì)算轉(zhuǎn)速，適用于高速場合。如圖1(a)所示；設(shè)在固定時(shí)間T內(nèi)測得的編碼器脈沖數(shù)為，則轉(zhuǎn)速為： （1）其相對誤差： （2）22 “T法”測速通過測量編碼器兩個(gè)相鄰脈沖的時(shí)間間隔來計(jì)算轉(zhuǎn)速，適用于速度比較低的場合，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)其準(zhǔn)確性較差。由圖1(b)可以得到： （3）其相對誤差： （4）2

6、3 “M/T 法”測速 “M/T 法”則是前兩種方法的結(jié)合,同時(shí)測量一定個(gè)數(shù)編碼器脈沖和產(chǎn)生這些脈沖所花的時(shí)間，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都有較好的準(zhǔn)確性，但是對于低速，該方法需要較長的檢測時(shí)間才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，無法滿足轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。由圖1（c）有： （5）式中的值在測量前已經(jīng)確定了，所以其相對誤差為： （6）通常時(shí)鐘頻率f遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)角編碼器的輸出脈沖頻率，因此上面各式中也遠(yuǎn)大于。對比（2）、（4）、（6）式可以發(fā)現(xiàn)“M法”測速主要適用于中高速段，隨著速度降低也減小，因而低速段的測速精度很差，但通過選取適當(dāng)采樣時(shí)間T可以很容易地滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求；“T”法測速情況與此恰恰相反；“M/T

7、法”在整個(gè)速度范圍都可以達(dá)到較高的測速精度，但是通常選取的值大于1,在低速段的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比“T”法還慢。3提出一種基于光電編碼器的新的測速方法3.1基本原理根據(jù)以上分析可知，“M/T法”綜合了“M法”和“T法”的優(yōu)點(diǎn)，但低速段動(dòng)態(tài)響應(yīng)太慢，因此如果能夠根據(jù)速度情況實(shí)時(shí)改變“M/T法”中的值，隨著速度的降低減少的值，就可以改善“M/T法”在低速段測速動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問題。本文就是基于這個(gè)原理，通過相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高精度的測速方法。其測速原理與相對誤差的計(jì)算表面上和“M/T法”沒有區(qū)別，而實(shí)際上“M/T法”的采樣周期總是產(chǎn)生個(gè)編碼器脈沖的時(shí)間，隨著轉(zhuǎn)速升高，編碼器脈沖頻率變大，采樣周期逐漸變小

8、，其相對誤差增大了；而由本文提出的測速方法由于的值可以隨速度改變，在高速段增加值使得采樣周期基本不變。因而其相對誤差也基本不變，在低轉(zhuǎn)速段，值可降到1，滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，而相對誤差與“M/T法”相差很小。3.2 軟硬件實(shí)現(xiàn)如果測控系統(tǒng)中選用了工控機(jī)，只需加上計(jì)數(shù)板卡以及部分外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)這種新的測速方法。測量過程中計(jì)數(shù)板卡要分別對編碼器脈沖和時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，由測速原理可知兩個(gè)計(jì)數(shù)通道并不是完全獨(dú)立的，從其相對誤差的計(jì)算式可以看出對編碼器脈沖的計(jì)數(shù)必須是完全沒有誤差的，這就要求計(jì)數(shù)周期要與編碼器脈沖的上升沿嚴(yán)格同步，并且要實(shí)現(xiàn)“M/T法”中值隨著速度變化而改變，系統(tǒng)的外圍電路中采用了

9、兩個(gè)D觸發(fā)器和一些附屬電路實(shí)現(xiàn)了上述功能。如圖2所示：圖2. 外圍硬件電路圖在摩托車交流底盤測功機(jī)測控系統(tǒng)中要求10ms左右刷新一次速度，所以在第一個(gè)D觸發(fā)器的置零端接了一個(gè)周期為10ms的窄脈沖，脈沖寬度為10us。最終生成的信號用于接到計(jì)數(shù)器的GATE端用于控制計(jì)數(shù)器的工作。其中第二個(gè)D 觸發(fā)器所接的延時(shí)電路延時(shí)時(shí)間t為20us左右，利用這段時(shí)間鎖住計(jì)數(shù)器，這樣可以很精確的讀取計(jì)數(shù)器的值。圖3. 硬件電路工作時(shí)序圖從圖3所示的工作時(shí)序圖可以看出，第一個(gè)D觸發(fā)器使得信號的上升沿與編碼器脈沖嚴(yán)格同步，從而保證了可以無誤差的對編碼器脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；而且在周期為10ms的負(fù)脈沖的作用下，其相鄰兩個(gè)脈

10、沖的時(shí)間間隔為最接近10ms的個(gè)編碼器脈沖的時(shí)間，這個(gè)間隔時(shí)間不受編碼器脈沖頻率變化的影響，所以測速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受影響。第二個(gè)D觸發(fā)器主要作用是在信號的上升沿來臨的時(shí)候鎖住計(jì)數(shù)器，并通過延時(shí)電路延時(shí)一段時(shí)間再啟動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，這樣就可以精確的讀取計(jì)數(shù)器的值，把差值加上延時(shí)時(shí)間就得到編碼器輸出個(gè)脈沖的同時(shí)輸出的時(shí)鐘脈沖數(shù)。通過簡單的電路就可以使得“M/T法”測速中值隨著轉(zhuǎn)速變化自動(dòng)改變，并且在整個(gè)速度范圍內(nèi)采樣周期都在10ms左右，解決了“M/T法”測速存在低速段動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問題。測速程序每10ms產(chǎn)生一次中斷，中斷來臨后查詢信號是否為低電平，確認(rèn)是低電平后讀取編碼器脈沖計(jì)數(shù)器和時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器的值

11、，與上一次中斷得到的值相減，并將鐘脈沖數(shù)加上延時(shí)時(shí)間，就可以精確的得到、的值，由式（5）計(jì)算得到轉(zhuǎn)速值。4.編碼器脈寬不均勻性對測速的影響及其處理方法以上提到的各種測速方法誤差分析都建立在編碼器脈寬是均勻的基礎(chǔ)上的。而普通的編碼器的制造偏差在0.5%左右，如果不加以處理，將會(huì)大大影響測速精度。下圖中虛線是電機(jī)在一恒定速度下旋轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)測得到的轉(zhuǎn)速曲線，可以看出編碼器脈沖不均勻性對測速精度的影響是很大的，大大超過了式（6）的誤差分析結(jié)果。圖4. 用軟件方法處理前后的速度曲線本文提出了一種對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件處理的辦法取得了很好的效果。由于速度不能突變，當(dāng)選取的采樣周期很小時(shí)，分析實(shí)際系統(tǒng)所能達(dá)到的加速

12、度情況，通常連續(xù)測得的幾十個(gè)點(diǎn)的實(shí)際速度變化很小，可近似認(rèn)為是一條直線，所以可以對之前實(shí)際測得的n個(gè)速度點(diǎn)采用線性最小二乘法擬合出一條直線S=aT+b，根據(jù)這條直線計(jì)算得到當(dāng)前的速度值,圖4中的實(shí)線是取n24時(shí)處理后的結(jié)果，對比兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)從2rpm下降至0.1rpm。其中a、b 計(jì)算公式如下： （7） （8）通過上述簡單的軟件處理方法就可以大為改善編碼器脈沖不均勻性帶來的測速問題。5加速度測量從理論上分析，只要測得相鄰的兩個(gè)速度點(diǎn)的速度差及其時(shí)間間隔就可以通過簡單的計(jì)算得到加速度值。而實(shí)際上由于量化誤差、計(jì)算舍入誤差和編碼器的脈寬誤差等因素的影響，實(shí)際測得的轉(zhuǎn)速值波動(dòng)很大，無法

13、簡單的用計(jì)算得到加速度值。本文采用的方法是對之前實(shí)際測得的m個(gè)速度點(diǎn)用線性最小二乘法擬合出一條直線S=aT+b，把式（7）計(jì)算得到的斜率a作為當(dāng)前的加速度值。根據(jù)系統(tǒng)的要求選取合適的m值來計(jì)算加速度，很明顯當(dāng)前計(jì)算得到加速度值實(shí)際上是個(gè)采樣周期前的加速度，所以m的選取要兼顧測加速度精度和實(shí)時(shí)性要求。為了減少測加速度的滯后時(shí)間，在軟硬件允許的條件下應(yīng)該盡可能的縮短測速的采樣周期。 6結(jié)論本文在對比分析了常用的各種基于光電編碼器的測速方法的原理、相對誤差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ)上提出了一種新的高精度的測速方法。（1）通過相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)使得本文提出的新的測速方法在測速精度和相對誤差上和“M/T法”相近，并

14、且很好解決了“M/T法”在低速段動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問題。（2）針對編碼器脈寬不均勻性問題，提出了用線性最小二乘法根據(jù)之前的n個(gè)點(diǎn)預(yù)測當(dāng)前點(diǎn)速度值的方法，很好的提高了測速精度。 （3）通過對之前m個(gè)測得的速度點(diǎn)采用線性最小二乘法擬合計(jì)算斜率的測加速度方法簡單實(shí)用,而且可以得到較高的測量精度。采用本文提出的方法可以僅使用普通的編碼器就可以獲得很高的測速、測加速度精度，并在我國首臺自行研制的摩托車交流底盤測功機(jī)測控系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。【參考文獻(xiàn)】1 張秀香， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的微機(jī)測量系統(tǒng)。電子工程師，2002年（第28卷）第四期2 Galvan, E. A simple digital t

15、achometer with high precision in a wide speed range，Industrial Electronics, 1994. IECON '94., 20th International Conference on , Volume: 2 , 5-9 Sept. 1994 Page(s): 920 -923 vol.23 Hagiwara, N. A method of improving the resolution and accuracy of rotary encoders using code compensation technique. Instrumen