一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法与流程

1.本发明涉及角度校准领域，特别是涉及一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法。
背景技术：
：：2.编码器是一种常用的圆周连续角度测量设备，广泛应用于精密仪器、航空航天、国防军工等领域。目前，工业发展对编码器的动态测角精度提出了更高的要求，需要通过编码器量值校准进行动态性能评估。3.编码器量值校准分为静态校准和动态校准，静态校准由于被测角度值是静止、固定的，只需保证测角系统输出值的准确性即可；但对于动态校准，由于被测角度值随时间变化而变化，在校准过程中会引入由“时间”这一因素所带来的误差。4.采用高精度转台对编码器进行动态校准标定，通过示值误差来评价编码器的动态测角精度；其中示值误差有两大来源：一是转台的角位置测量误差，该项误差即为静态校准方法的误差；二是转台测角系统和编码器信号处理延时不同会引入的动态同步误差。在动态校准过程中，测量发生时刻与测量值输出时刻存在一定延时，同时转台测角系统与编码器延时不一致，形成同步误差。5.目前国内对信号同步方法作已有了相关研究，例如论文《researchondatasynchronizationtechnologybetweenrotarytableandfiberopticgyroscope》6.(doi：10.1016/j.measurement.2020.108579)中，提出了一种通过延迟光纤陀螺仪的读数据指令来实现当前采样时钟光纤陀螺仪数据与下一采样时钟转台数据同步的数据同步方案，延迟时间通过转台角振动的方案来测量。又如论文7.《一种转台测角系统动态比对的信号同步方法》(doi：10.19650/j.cnki.cjsi.j2210598)中，提出了一种通过延迟环形激光测角仪的触发指令来实现当前帧环形激光测角仪数据与下一帧转台数据同步的数据同步方案，延迟时间通过固定转速下的环形激光测角仪与转台示值误差来求取。8.以上两种信号同步方法需要额外实验方案或是固定转速来求取延时时间，在实际应用过程中步骤繁琐、局限性较大。技术实现要素：9.本发明所要解决的技术问题是：打破现有技术的局限，提出一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法，本发明不借助其他实验装置，通过转台测角系统和编码器的测量角速率极值获取同步误差，实现动态校准过程中转台测角系统和编码器的数据同步。10.一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法，包括以下步骤：11.步骤(1)分别建立转台测角系统和编码器的动态校准下同步误差模型；12.步骤(2)对上述模型在阶跃响应下进行拉普拉斯逆变换，求取转台测角系统和编码器测量角速率随时间变化曲线ωa(t)和ωb(t)；13.步骤(3)求取ωa(t)和ωb(t)角速率极值点对应的峰值时间tpa和tpb；14.步骤(4)计算同步误差δτ＝tpb-tpa；15.步骤(5)完成转台测角系统和编码器的信号同步。16.本发明的有益效果是：本发明通过建立同步误差模型，利用转台测角系统和编码器的测量角速率极值来获取同步误差；相比较于传统校准方法，该方法简化了信号同步过程。附图说明17.图1是同步延时误差产生机理示意图；18.图2是系统整体角速率变化框图；19.图3是角速率时域曲线图；20.图4是动态校准信号同步流程图。具体实施方式21.以下结合附图对本发明作进一步说明。22.图1是同步误差产生机理的示意图，图1中o是转台旋转轴轴心，ω是转台旋转角速率，旋转过程中转台角位置记为θr(t)。23.当转台测角系统测量转台在tr时刻的角位置θr(tr)时，由于存在自身信号处理延时ta，其测量值在ta(ta＝tr+τa)时刻输出，记为θa(ta)，即转台测角系统在ta时刻输出的测量值对应转台在tr时刻的角位置，记为24.θa(ta)＝θr(tr)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(1)25.同理，编码器也因自身信号处理延时τb，在tb(tb＝tr+τb)时刻输出测量值θb(tb)也对应转台在tr时刻的角位置，记为26.θb(tb)＝θr(tr)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(2)27.可见，当转台测角系统和编码器的自身信号处理延时不相等，即存在同步误差δτ＝τb-τa。28.图2是系统整体角速率变化框图，由图1原理可知，在动态校准中转台测角系统和编码器存在同步误差δτ，现需要获取同步误差δτ，则需要建立同步误差模型。29.设ω*为设定角速率，ω为电机控制下转台、编码器实际角速率，ωa为转台测角系统测量角速率，ωb为编码器测量角速率，g(s)为转台实际角速率闭环传递函数，ga(s)为转台测角系统测量角速率闭环传递函数，gb(s)为编码器测量角速率闭环传递函数，τa为转台测角系统自身信号处理延时，τb为编码器自身信号处理延时。30.转台和编码器受电机控制同轴旋转，ga(s)和gb(s)与g(s)相关。转台测角系统存在信号处理延时τa，延时环节编码器存在信号处理延时τb，延时环节ga(s)和gb(s)可表示为：31.32.当转台测角系统和编码器的延时不相等，即存在同步误差δτ＝τb-τa，完成同步误差模型建立。33.转台运动是带有速度反馈、加速度反馈的电机控制系统，因此可以将受电机控制的g(s)抽象表示为一个三阶系统：[0034][0035]其中：-z0、-z1为闭环零点，-p0为闭环实数极点，为闭环复数极点。[0036]当输入量为阶跃响应时，输出量的拉氏变换为：[0037][0038]对应的时域表达式即为转台实际角速率曲线，表示为：[0039][0040]根据式(3)，s域中的延时环节在时域中表现为延时τa，转台测角系统测量角速率ωa(t)表示为：[0041][0042]同理根据式(3)，编码器测量角速率ωb(t)可表示为：[0043][0044]图3是角速率时域曲线图，前文完成对转台测角系统和编码器测量角速率随时间变化曲线ωa(t)、ωb(t)定义。计算转台实际角速率曲线极大值maximum对应的峰值时间tp，进而利用转台测角系统和编码器角速率曲线峰值时间tpa、tpb之间时间间隔δt计算同步误差δτ，其步骤如下：[0045]为计算转台实际角速率曲线极大值对应的峰值时间，求取式(6)驻点，得到式(9)：[0046][0047]可见转台角速率曲线峰值时间tp为a、b、c、α、β、p0共同作用的函数[0048]tp＝f(a,b,c,α,β,p0)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(10)[0049]为计算转台测角系统测量角速率曲线极大值对应的峰值时间tpa，求取式(7)驻点，得到式(11)：[0050][0051]为计算编码器测量角速率曲线极大值对应的峰值时间tpb，求取式(8)驻点，得到式(12)：[0052][0053]转台测角系统测量角速率曲线峰值时间tpa和编码器测量角速率峰值时间tpb可表示为：[0054][0055]则峰值时间之间的时间间隔δt可表示为：[0056]δt＝tpb-tpa＝τb-τaꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(14)[0057]时间间隔δt与同步误差δτ相同，完成对同步误差δτ的计算。[0058]图4是动态校准信号同步流程图。现根据前面所述的原理对同步误差进行计算。[0059]建立动态校准下同步误差模型[0060]对ga(s)和gb(s)在阶跃响应下进行拉普拉斯逆变换，求取转台测角系统和编码器测量角速率随时间变化曲线ωa(t)和ωb(t)；[0061]求取ωa(t)和ωb(t)角速率极值点对应的峰值时间tpa和tpb；[0062]计算同步误差δτ＝tpb-tpa；[0063]完成转台测角系统和编码器的信号同步。[0064]综上，本发明相比传统的信号同步方法，直接以运动参数极值点为特征点，完成转台测角系统和编码器的信号同步，拥有更强的自适应以及抗干扰能力，在实际应用中更加便捷、稳定。[0065]值得指出的是，利用运动参数极值计算同步误差是动态校准评价编码器动态测角精度的重要环节。只要是根据本发明的基本技术构思，本领域普通技术人员无须经过创造性劳动即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。当前第1页12当前第1页12
技术特征：
1.一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1)分别建立转台测角系统和编码器的动态校准下同步误差模型；步骤(2)对上述模型在阶跃响应下进行拉普拉斯逆变换，求取转台测角系统和编码器测量角速率随时间变化曲线ω
a
(t)和ω
b
(t)；步骤(3)求取ω
a
(t)和ω
b
(t)角速率极值点对应的峰值时间t
pa
和t
pb
；步骤(4)计算同步误差δτ＝t
pb-t
pa
；步骤(5)完成转台测角系统和编码器的信号同步。2.根据权利要求1所述的一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法，其特征在于：所述的转台测角系统同步误差模型g
a
(s)表达如下：所述的编码器同步误差模型g
b
(s)表达如下：其中g(s)为转台实际角速率闭环传递函数，τ
a
为转台测角系统自身信号处理延时，τ
b
为编码器自身信号处理延时，s为复变量。3.根据权利要求2所述的一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法，其特征在于：所述的转台实际角速率闭环传递函数g(s)为三阶系统，通过阶跃响应获得该三阶系统输出量的拉氏变换；进而求得对应的时域表达式即为转台实际角速率曲线ω(t)。4.根据权利要求3所述的一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法，其特征在于：转台测角系统测量角速率随时间变化曲线ω
a
(t)＝ω(t-τ
a
)。5.根据权利要求3所述的一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法，其特征在于：编码器测量角速率随时间变化曲线ω
b
(t)＝ω(t-τ
b
)。6.根据权利要求3所述的一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法，其特征在于：在步骤(3)之前还需要计算转台实际角速率曲线极大值对应的峰值时间t
p
；所述的峰值时间t
p
通过对转台实际角速率曲线ω(t)求取驻点获得。7.根据权利要求6所述的一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法，其特征在于：由所述峰值时间t
p
确定同步误差δτ。

技术总结
本发明公开了一种基于运动参数极值的编码器动态校准同步方法。本发明首先分别建立转台测角系统和编码器的动态校准下同步误差模型；其次对上述模型在阶跃响应下进行拉普拉斯逆变换，求取转台测角系统和编码器测量角速率随时间变化曲线ω


技术研发人员：韩章扬 朱维斌 黄垚 邹伟 孔明 薛梓
受保护的技术使用者：中国计量科学研究院
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/19