CN107655511A - 一种磁性编码器校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁性编码器校准装置及方法，它直接构建出磁性编码器信号发生部分所输出的模拟电压信号和绝对式角度值之间的高精度映射关系，消除永磁体磁场的非线性、加工精度以及装配误差等因素对测量效果的影响，从而极大提高编码器检测精度和分辨率。本发明针对每一过程中出现的异常情况均具有相应的警号输出，以便工作人员根据异常情况判断出现问题的原因，及时排查。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于编码器技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及编码器技术领域，特别是关于一种磁性编码器校准装置及方法。
背景技术
校准，即采用更高精度或分辨率的测量仪器对待校准仪器进行测量，以对待校准仪器的输出误差进行补偿，从而实现消除待校准仪器的误差以提高测量精度的目的。本质上分析任何测量仪器都需要进行校准，只是校准过程表现的方式不一样，如光电编码器中光栅盘的刻线过程就相当于一个校准过程，依靠高精度圆刻线机进行刻线，其刻线的精度和陡直度直接影响测量精度。校准技术在摄影测量学、工业机器人、混联机床和瞬态温度测量等领域得到应用和发展。
传统单对极磁性编码器，基于反正切算法构造的霍尔信号和角度之间映射关系的准确性必然受磁场信号的非线性以及装配误差等因素影响。并且磁性编码器的原始输出信号以及测量误差难以用一个确切的数学模型进行描述，即便是有这样一个数学模型，但考虑到每台编码器装配等具体因素的不同，各磁性编码器的信号曲线和误差函数也不尽一样，因此难以用同一个误差模型对多个磁性编码器的测量误差进行补偿。另外，虽然校准使得在磁性编码器信号发生部分固定不变的情况下，大大降低永磁体磁场的非线性、加工精度以及装配误差等因素对编码器精度的影响，但校准***本身的机械装配误差还是会影响编码器自身精度。
当前针对磁性编码器进行校正存在以下问题：
1)校准操作比较复杂，通常PC机上手动操作，上传或下载数据也是手动操作，工作效率较低；
2)出现校准误差时很难找到原因，通常在PC机上看Excel表格数据才能分析，对操作人员要求比较高；
3)光电编码器与磁性编码器数据增减无法提前软件处理；
4)采集数据周期与实际使用的周期一致性，即周期一致性，也就是校准数据采集时每次采样时间周期和实际使用时每次采样时间周期的一致性；
5)校准***硬件设计缺陷导致整体上稳定性、可靠性差，容易损坏。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中编码器测量精度低和分辨率低的问题，本发明提供一种磁性编码器校准装置来解决上述问题。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：一种磁性编码器校准装置，其特征在于：它包括校准卡和机械模块；所述校准卡连接所述机械模块；所述校准卡包括微处理器，且所述微处理器包括A/D转换器；所述机械模块包括拖动电机、联接机构、标准编码器、被拖电机和待校准磁性编码器，且所述待校准磁性编码器连接所述校准卡中的所述微处理器；其中，所述待校准磁性编码器安装在所述被拖电机上，所述联接机构将所述拖动电机、所述标准编码器、所述被拖电机连接到一起，使得所述拖动电机的轴、所述标准编码器的轴和所述被拖电机的轴都在同一轴线上，所述拖动电机将拖动所述标准编码器、所述被拖电机和所述待校准磁性编码器一起旋转。
所述校准装置还包括电源模块，所述电源模块连接所述校准卡并为其供电；所述电源模块包括电源开关和稳压电源。
所述校准装置还包括PC模块，所述PC模块连接所述校准卡，用于与所述校准卡通信；所述PC模块包括PC机和PC通讯启动/复位按键；所述PC机与所述校准卡连接，用于数据通讯。
所述校准装置还包括LCD显示器；所述LCD显示器与所述校准卡连接，用于接收所述校准卡传送过来的数据信息及异常情况并显示输出。
所述LCD显示器和所述校准卡之间采用RS-232通讯方式通信。
所述校准装置还包括启动/复位按键，所述启动/复位按键连接所述微处理器，所述启动/复位按键用于启动或复位整个校准过程。
所述校准装置还包括模式切换键，所述模式切换键连接所述微处理器，所述模式切换键用于校准模式和正常工作模式或精度检测模式功能之间的切换。
一种磁性编码器校准装置的方法，它包括以下步骤：1)所述校准卡控制所述待校准磁性编码器工作在校准采样模式下，并通过控制所述拖动电机转动带动所述标准编码器、所述被拖电机和所述待校准磁性编码器一起旋转；所述校准卡采样到所述标准编码器每转过一个设定角度，就同步采样所述待校准磁性编码器的数字信号，并与所述标准编码器旋转角度值形成一组数据，存储在所述校准卡中，采集完成多组数据之后形成原始数据表；2)从原始数据表中，单独提取所述待校准磁性编码器某一路电压信号值与所述标准编码器中角度值一一对应的数据表格；依次提取每一路电压值信号与角度值一一对应的数据表格，并分为若干段，利用最小二乘拟合算法进行曲线方程拟合，并利用曲线方程反算电压信号所对应的角度值，形成对应所述待校准磁性编码器信号发生部分每一路信号的、以电压信号分辨率为基准、电压信号值与角度值一一对应的数据表；3)所述校准卡与所述待校准磁性编码器通信，把步骤2)处理完成的数据表下载到所述待校准磁性编码器内部的处理器芯片中的指定存储区域；4)所述校准卡控制所述待校准磁性编码器工作在正常模式，并通过控制所述拖动电机控制所述拖动电机转动带动所述标准编码器、所述被拖电机和所述待校准磁性编码器一起旋转，同时采样所述标准编码器和所述待校准磁性编码器输出的角度值，计算两者输出角度值之间的差值，转轴转动超过一周后，所述校准卡计算得到的最大差值为所述待校准磁性编码器的检测精度。
所述步骤1)中，同步采样所述待校准编码器的数字信号有如下三种方式：第一种，待校准编码器的电路部分带有进行数据处理的芯片，校准时芯片对线性霍尔输出的电压信号进行采集，转换为数字量，然后采用RS-通信把有关霍尔输出的电压信号数字量通过所述角度信息采样接口传送给校准卡；第二种，待校准编码器的电路部分不带有数据处理芯片，仅对线性霍尔输出的电压信号进行滤波处理，通过所述角度信息采样接口与校准卡连接后，校准卡的数据处理芯片对电压信号进行模数转换，继而进行数据处理；第三种，待校准编码器的电路部分不带有数据处理芯片，仅对线性霍尔输出的电压信号进行滤波处理，待校准编码器与使用所述待校准编码器的设备连接，设备上的数据处理芯片对电压信号进行模数转换；然后设备再采用RS-通信把有关霍尔输出的电压信号数字量通过所述角度信息采样接口传送给校准卡。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明设计一种磁性编码器校准原理算法，直接构建出磁性编码器信号发生部分所输出的模拟电压信号和绝对式角度值之间的高精度映射关系，消除永磁体磁场的非线性、加工精度以及装配误差等因素对测量效果的影响，从而极大提高编码器检测精度和分辨率。2、本发明针对每一过程中出现的异常情况均具有相应的警号输出，以便工作人员根据异常情况判断出现问题的原因，及时排查。3、本发明脱离PC机，所有操作在一块主控制板上，一键完成，降低使用复杂度，减少人为操作时间。4、本发明校准***硬件优化设计，合理布局硬件结构，充分应用硬件资源，从而提高了校准***整体稳定性、可靠性。5、本发明从信号采集到最终得出结果的反映速度快，提高生产效率，相对于同等性能的产品大大降低了成本。6、本发明输出的结果可以直接生成PC机上的Excel表格数据，通过该表格数据直接显示校准误差原因，工作人员直接通过该Excel表格数据即可得到出现校准误差时的原因，从而降低了对工作人员技术要求。7、本发明校准***硬件优化设计，根据新校准原理合理布局硬件结构，充分应用硬件资源。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于编码器技术领域。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明装置的工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种磁性编码器校准装置，包括校准卡1、机械模块2、电源模块3、PC模块4、LCD显示器5、启动/复位按键6和模式切换键7。
其中，校准卡1分别连接机械模块2、电源模块3、PC模块4、LCD显示器5。
其中，校准卡1是本发明磁性编码器校准装置的核心部分，它包括微处理器11、随机存取存储器12、电可擦可编程只读存储器13、接口部分14。上述校准卡1具有高速高精度数据计算能力和多接口信号协调处理能力。
微处理器11分别连接随机存取存储器12、电可擦可编程只读存储器13、启动/复位按键6和模式切换键7。
微处理器11包括A/D转换器，作为主控芯片进行对数据的计算和分析；
随机存取存储器12作为随机存储芯片，与微处理器11进行直接数据交换，存储计算过程中的临时数据；
电可擦可编程只读存储器13作为可擦写存储器，用于存储微处理器11得出的最终数据。
接口部分14包括接收角度信号接口141、角度信息采样接口142、PC通讯接口143、显示接口144和电源接口145。
其中，接收角度信号接口141与标准编码器23连接，用于接收标准编码器23发出的角度信号；
角度信息采样接口142与待校准磁性编码器25连接，用于接收待校准磁性编码器25发送的电压信号，并采用校准卡1的微处理器11中A/D转换器将待校准磁性编码器25输出的电压信号转换成数字信号；
PC通讯接口143与PC机41连接，采用RS-485通讯方式，用于与PC机41进行数据通讯；
显示接口144与LCD显示器5连接，采用RS-232通讯方式，用于向LCD显示器5传输显示数据及异常情况；
电源接口145与稳压电源32连接，以便稳压电源32给校准卡1提供电源。
机械模块2包括拖动电机21、联接机构22、标准编码器23、被拖电机24和待校准磁性编码器25。
其中，待校准磁性编码器25安装在被拖电机24上，联接机构22将拖动电机21、标准编码器23、被拖电机24连接到一起，使得拖动电机21的轴、标准编码器23的轴和被拖电机24的轴都在同一轴线上，拖动电机21将拖动标准编码器23、被拖电机24和待校准磁性编码器25一起旋转。上述联接机构22主要包括联轴器和联接轴，其为现有技术，故不再详述。
电源模块3包括电源开关31和稳压电源32。电源开关31用于控制是否接入外部220V电，稳压电源32用于将外部220V电转换成稳压直流5V电源提供给校准卡1。
PC模块4包括PC机41和PC通讯启动/复位按键42。PC机41与校准卡1连接，用于数据通讯；PC通讯启动/复位按键42用于是否启动或复位PC机41与校准卡1之间的数据通讯。
LCD显示器5与校准卡1连接，通过RS-232通讯方式，用于接收校准卡1传送过来的数据信息及异常情况并显示输出。
启动/复位按键6用于启动或复位整个校准过程。
模式切换键7用于校准模式和正常工作模式或精度检测模式功能之间的切换。
本发明原理如下：1、数据采样；2、数据处理；3、数据下载；4、精度检测：
1)数据采样——校准卡1控制待校准磁性编码器25工作在校准采样模式下，并通过控制拖动电机21转动带动标准编码器23、被拖电机24和待校准磁性编码器25一起旋转；校准卡1采样到标准编码器23每转过一个设定角度，就同步采样待校准磁性编码器25的数字信号，并与标准编码器23旋转角度值形成一组数据，存储在校准卡1中，采集完成多组数据之后形成原始数据；
同步采样待校准编码器25的数字信号有如下三种方式：
第一种，待校准编码器25的电路部分带有进行数据处理的芯片，校准时芯片对线性霍尔输出的电压信号进行采集，转换为数字量，然后采用RS-485通信把有关霍尔输出的电压信号数字量通过角度信息采样接口142传送给校准卡1；
第二种，待校准编码器25的电路部分不带有数据处理芯片，仅对线性霍尔输出的电压信号进行滤波处理，通过角度信息采样接口142与校准卡1连接后，校准卡1的数据处理芯片(A/D转换器)对电压信号进行模数转换，继而进行数据处理；
第三种，待校准编码器25的电路部分不带有数据处理芯片，仅对线性霍尔输出的电压信号进行滤波处理，待校准编码器25与使用此编码器的设备通过连接，设备上的数据处理芯片对电压信号进行模数转换；然后设备再采用RS-485通信把有关霍尔输出的电压信号数字量通过角度信息采样接口142传送给校准卡1；
2)数据处理——从原始数据表中，单独提取待校准磁性编码器25某一路电压信号值与标准编码器23中角度值一一对应的数据表格；依次提取每一路电压值信号与角度值一一对应的数据表格，并分为若干段，利用最小二乘拟合算法进行曲线方程拟合，并利用曲线方程反算电压信号所对应的角度值，形成对应待校准磁性编码器25信号发生部分每一路信号的、以电压信号分辨率为基准、电压信号值与角度值一一对应的数据表；
3)数据下载——校准卡1与待校准磁性编码器25通信，把步骤2)处理完成的数据表下载到待校准磁性编码器25内部的处理器芯片中的指定存储区域；
4)精度检测——校准卡1控制待校准磁性编码器25工作在正常模式，并通过控制拖动电机21控制拖动电机21转动带动标准编码器23、被拖电机24和待校准磁性编码器25一起旋转，同时采样标准编码器23和待校准磁性编码器25输出的角度值，计算两者输出角度值之间的差值，转轴转动超过一周后，校准卡1计算得到的最大差值为待校准磁性编码器25的检测精度。
综上可知，本发明设计一种磁性编码器校准原理算法，直接构建出磁性编码器信号发生部分所输出的模拟电压信号和绝对式角度值之间的高精度映射关系，消除永磁体磁场的非线性、加工精度以及装配误差等因素对测量效果的影响，从而极大提高编码器检测精度和分辨率。校准方法的设计中，对样本数据传输的速度和准确度决定了编码器工业化生产的效率，传输速度越快，校准过程时间缩短，传输准确度越高，校准错误校验次数减少；对样本信号映射重构的精确度决定了编码器的测量分辨率和精度，信号映射重构的角度值越精确，编码器测量时能有更高的分辨率和精度。
进一步的，如图2所示，本发明磁性编码器校准装置工作时的主要步骤流程如下：1、启动；2、数据校准；3、精度检测；4、结果输出。
第一步，启动：开启电源模块3，通过稳压电源32给校准卡1提供直流5V电源；启动PC通讯启动/复位42，启动功能启动/复位，数据采样开始；
第二步，按照本发明磁性编码器校准装置工作原理技术说明进行校准，即数据采样、数据处理、数据下载；在此过程中，当出现运行监测拖动电机21速度过快，或者当待校准磁性编码器25或标准编码器23与校准卡1有一个没连接或其中一个连接不稳定为异常情况1；当运行A/D转换器值接收完成中断，采样待校准磁性编码器25信号数据少于3个数时为异常情况2；
第三步，按照本发明磁性编码器校准装置工作原理技术说明进行精度检测；在此过程中，当待校准磁性编码器25信号发生部分所输出电压信号的最大电压值不在正常范围内(根据待校准磁性编码器25信号发生部分中，定子上霍尔磁感应元件的输出电压范围)，此时为异常情况3；
第四步，结果输出：一方面是通过LCD显示器5实时显示上述第二和第三步骤中的结果数据及状态；另一方面是通过校准卡1与PC机41通讯，将数据分析结果上传到PC机41上，可以做进一步处理和应用。
上述输出的结果可以直接生成PC机上的Excel表格数据，通过该表格数据直接显示校准误差原因，工作人员直接通过该Excel表格数据即可得到出现校准误差时的原因，从而降低了对工作人员技术要求。
综上可知，本发明针对每一过程中出现的异常情况均具有相应的警号输出，以便工作人员根据异常情况判断出现问题的原因，及时排查。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种磁性编码器校准装置，其特征在于：它包括校准卡(1)和机械模块(2)；所述校准卡(1)连接所述机械模块(2)；
所述校准卡(1)包括微处理器(11)，且所述微处理器(11)包括A/D转换器；
所述机械模块(2)包括拖动电机(21)、联接机构(22)、标准编码器(23)、被拖电机(24)和待校准磁性编码器(25)，且所述待校准磁性编码器(25)连接所述校准卡(1)中的所述微处理器(11)；
其中，所述待校准磁性编码器(25)安装在所述被拖电机(24)上，所述联接机构(22)将所述拖动电机(21)、所述标准编码器(23)、所述被拖电机(24)连接到一起，使得所述拖动电机(21)的轴、所述标准编码器(23)的轴和所述被拖电机(24)的轴都在同一轴线上，所述拖动电机(21)将拖动所述标准编码器(23)、所述被拖电机(24)和所述待校准磁性编码器(25)一起旋转。
2.根据权利要求1所述的一种磁性编码器校准装置，其特征在于：所述校准装置还包括电源模块(3)，所述电源模块(3)连接所述校准卡(1)并为其供电；所述电源模块(3)包括电源开关(31)和稳压电源(32)。
3.根据权利要求1所述的一种磁性编码器校准装置，其特征在于：所述校准装置还包括PC模块(4)，所述PC模块(4)连接所述校准卡(1)，用于与所述校准卡(1)通信；
所述PC模块(4)包括PC机(41)和PC通讯启动/复位按键(42)；所述PC机(41)与所述校准卡(1)连接，用于数据通讯。
4.根据权利要求1所述的一种磁性编码器校准装置，其特征在于：所述校准装置还包括LCD显示器(5)；所述LCD显示器(5)与所述校准卡(1)连接，用于接收所述校准卡(1)传送过来的数据信息及异常情况并显示输出。
5.根据权利要求4所述的一种磁性编码器校准装置，其特征在于：所述LCD显示器(5)和所述校准卡(1)之间采用RS-232通讯方式通信。
6.根据权利要求1所述的一种磁性编码器校准装置，其特征在于：所述校准装置还包括启动/复位按键(6)，所述启动/复位按键(6)连接所述微处理器(11)，所述启动/复位按键(6)用于启动或复位整个校准过程。
7.根据权利要求1所述的一种磁性编码器校准装置，其特征在于：所述校准装置还包括模式切换键(7)，所述模式切换键(7)连接所述微处理器(11)，所述模式切换键(7)用于校准模式和正常工作模式或精度检测模式功能之间的切换。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种磁性编码器校准装置的方法，它包括以下步骤：
1)所述校准卡(1)控制所述待校准磁性编码器(25)工作在校准采样模式下，并通过控制所述拖动电机(21)转动带动所述标准编码器(23)、所述被拖电机(24)和所述待校准磁性编码器(25)一起旋转；所述校准卡(1)采样到所述标准编码器(23)每转过一个设定角度，就同步采样所述待校准磁性编码器(25)的数字信号，并与所述标准编码器(23)旋转角度值形成一组数据，存储在所述校准卡(1)中，采集完成多组数据之后形成原始数据表；
2)从原始数据表中，单独提取所述待校准磁性编码器(25)某一路电压信号值与所述标准编码器(23)中角度值一一对应的数据表格；依次提取每一路电压值信号与角度值一一对应的数据表格，并分为若干段，利用最小二乘拟合算法进行曲线方程拟合，并利用曲线方程反算电压信号所对应的角度值，形成对应所述待校准磁性编码器(25)信号发生部分每一路信号的、以电压信号分辨率为基准、电压信号值与角度值一一对应的数据表；
3)所述校准卡(1)与所述待校准磁性编码器(25)通信，把步骤2)处理完成的数据表下载到所述待校准磁性编码器(25)内部的处理器芯片中的指定存储区域；
4)所述校准卡(1)控制所述待校准磁性编码器(25)工作在正常模式，并通过控制所述拖动电机(21)控制所述拖动电机(21)转动带动所述标准编码器(23)、所述被拖电机(24)和所述待校准磁性编码器(25)一起旋转，同时采样所述标准编码器(23)和所述待校准磁性编码器(25)输出的角度值，计算两者输出角度值之间的差值，转轴转动超过一周后，所述校准卡(1)计算得到的最大差值为所述待校准磁性编码器(25)的检测精度。
9.根据权利要求1所述的一种磁性编码器校准方法，其特征在于：所述步骤1)中，同步采样所述待校准编码器(25)的数字信号有如下三种方式：
第一种，待校准编码器(25)的电路部分带有进行数据处理的芯片，校准时芯片对线性霍尔输出的电压信号进行采集，转换为数字量，然后采用RS-485通信把有关霍尔输出的电压信号数字量通过所述角度信息采样接口(142)传送给校准卡(1)；
第二种，待校准编码器(25)的电路部分不带有数据处理芯片，仅对线性霍尔输出的电压信号进行滤波处理，通过所述角度信息采样接口(142)与校准卡(1)连接后，校准卡(1)的数据处理芯片对电压信号进行模数转换，继而进行数据处理；
第三种，待校准编码器(25)的电路部分不带有数据处理芯片，仅对线性霍尔输出的电压信号进行滤波处理，待校准编码器(25)与使用所述待校准编码器(25)的设备连接，设备上的数据处理芯片对电压信号进行模数转换；然后设备再采用RS-485通信把有关霍尔输出的电压信号数字量通过所述角度信息采样接口(142)传送给校准卡(1)。
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