一种增量式编码器自诊断方法及控制装置与流程

1.本发明属于编码器技术领域，具体涉及一种增量式编码器自诊断方法及控制装置。


背景技术：

2.随着控制技术的日益发展，增量式编码器的应用愈加广泛，从工业机床电机控制，到机器人关节运动控制，再到平衡车的控制，都可看到增量式编码器的身影，增量式编码器作为测速和测量转角的一种传感器，其自身如果出现故障，将会出现不堪设想的后果，所以发明一种增量式编码器自诊断方法显得尤其重要。
3.增量式编码器与控制器间的通信不是通过一般的通信协议，而是通过将编码器的位置变化转换为脉冲信号，控制器通过脉冲信号去判断编码器的转角，而脉冲信号并不能包含故障信息，因而当编码器出现故障，如断线的情况下，控制器是无法直接识别故障的，目前关于增量式编码器自诊断的方法还比较少，当然也有通过a相连续采集到的信号达到一定的阈值判断b相断线，通过b相连续采集到的信号达到一定阈值来判断a相断线的方法，但此方法存在一定的误检的可能。
4.当使用增量式编码器时，未使用其自诊断方法，一旦发生编码器故障，控制器将读取到错误的转角信息，控制系统将产生不堪设想的后果，如机器人底盘在使用增量式编码器做轮子电机速度闭环控制时，如果ab相断线，此时控制器控制轮子电机在转动，而控制器获取到的速度为0，通过闭环控制算法，控制器将增大电机输出，以至于轮子速度达到设定速度，但由于编码器处于故障状态，所测速度始终为0，最终将出现设备飞车的现象，这是非常危险的。
5.而现有的增量式编码器自诊断方案中，通过a相连续采集到的信号达到一定阈值判断b相断线，通过b相连续采集到的信号达到一定阈值来判断a相断线，此方法存在弊端，可能出现误判的情况，如当在编码器在某一位置附近现象左右小幅度连续转动时，就会产生一相连续出现脉冲，另一相没有脉冲的现象，此时通过以上方法将会判断出编码器故障，但实际并未故障；而且现有的增量式编码器对abz相全断的情况是无效的。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种增量式编码器自诊断方法，所述方法包括：
7.采集增量式编码器的电脉冲信号，判断是否有脉冲信号触发；
8.若采集到脉冲信号触发，判断信号类型；
9.若判断采集到的信号为a相或b相脉冲信号时，通过ab相脉冲信号检测z相是否故障；
10.若判断采集到的信号为z相脉冲信号时，通过z相脉冲信号检测ab相是否故障；
11.若未采集到脉冲信号触发，通过电机输出功率与所述增量式编码器速度检测ab
相、z相是否全故障。
12.具体地，所述若判断采集到的信号为a相或b相脉冲信号时，通过ab相脉冲信号检测z相是否故障包括：
13.比较所述a相信号在前还是所述b相信号在前，判断所述增量式编码器的转向；
14.所述ab相脉冲信号的计数包括所述a相信号、所述b相信号的上升沿和/或下降沿；
15.若所述增量式编码器为正转，ab相脉冲计数器计数值加一；
16.若所述增量式编码器为反转，ab相脉冲计数器计数值减一；
17.所述ab相脉冲计数器计数值的加或减均为所述ab相脉冲计数器计数值变化量。
18.具体地，所述若判断采集到的信号为z相脉冲信号时，通过z相脉冲信号检测ab相是否故障包括：
19.所述z相脉冲信号的计数为所述z相信号的上升沿或下降沿中的一种，若采集到所述z相脉冲信号，无论所述增量式编码器为正转或反转，z相脉冲计数器计数值加一；
20.所述z相脉冲计数器计数值加一，即采集到所述z相脉冲信号时，获取当前所述增量式编码器转动方向，并进行保存；
21.判断本次脉冲触发与上次脉冲触发时，所述增量式编码器转动方向是否相同。
22.进一步地，所述ab相脉冲信号的计数包括所述a相信号、所述b相信号的上升沿和/或下降沿包括：
23.所述ab相脉冲信号计数只包括所述a相信号的上升沿、所述a相信号的下降沿、所述b相信号的上升沿、所述b相信号的下降沿中的一种；
24.或，所述ab相脉冲信号计数只包括所述a相信号和所述b相信号的上升沿；
25.或，所述ab相脉冲信号计数只包括所述a相信号和所述b相信号的下降沿；
26.或，所述ab相脉冲信号计数包括所述a相信号、所述b相信号的上升沿和下降沿。
27.具体地，所述判断本次脉冲触发与上次脉冲触发时，所述增量式编码器转动方向是否相同，包括：
28.本次脉冲触发与上次脉冲触发时，所述增量式编码器转动方向相反，若所述ab相脉冲计数器计数值变化量不为0，提示ab相故障；
29.本次脉冲触发与上次脉冲触发时，所述增量式编码器转动方向相同，所述ab相脉冲信号的计数包括所述a相信号、所述b相信号的上升沿和下降沿时，若所述ab相脉冲计数器计数值变化量和所述增量式编码器分辨率4倍值不相等，提示ab相故障。
30.优选地，设置第一误差阈值，若所述ab相脉冲计数器计数值变化量不为0且误差达到所述第一误差阈值，提示ab相故障；设置第二误差阈值，若所述ab相脉冲计数器计数值变化量与所述增量式编码器分辨率4倍值的误差达到所述第二误差阈值，提示ab相故障。
31.进一步地，所述若判断采集到的信号为a相或b相脉冲信号时，通过ab相脉冲信号检测z相是否故障还包括：
32.所述ab相脉冲信号的计数包括所述a相信号、所述b相信号的上升沿和下降沿时，若所述ab相脉冲计数器计数值变化量达到所述增量式编码器分辨率的四倍，所述z相脉冲计数器计数递增小于一，提示z相故障；
33.或，所述ab相脉冲信号的计数只包括所述a相信号和所述b相信号的上升沿，或是所述ab相脉冲信号的计数只包括所述a相信号和所述b相信号的下降沿时，若所述ab相脉冲
计数器计数值变化量达到所述增量式编码器分辨率的二倍，所述z相脉冲计数器计数递增小于一，提示z相故障；
34.或，所述ab相脉冲信号计数只包括所述a相信号的上升沿、所述a相信号的下降沿、所述b相信号的上升沿、所述b相信号的下降沿中的一种时，若所述ab相脉冲计数器计数值变化量达到所述增量式编码器分辨率的一倍，所述z相脉冲计数器计数递增小于一，提示z相故障。
35.具体地，所述若未采集到脉冲信号触发，通过电机输出功率与所述增量式编码器速度检测ab相、z相是否全故障包括：
36.预设功率检测值p、时间检测值t；
37.当电机驱动器输出功率达到所述功率检测值p、累计时长达到所述时间检测值t、且电机未发生堵转时，计算增量式编码器的转速；
38.若未检测到ab相故障和z相故障，且所述增量式编码器的转速为0，提示此时ab相、z相全部故障。
39.本发明还提出了一种控制装置，所述控制装置用于实现如前文所述方法中的步骤，所述控制装置包括控制器、电机驱动器、电机和增量式编码器，所述控制器与电机驱动器、所述增量式编码器相连接，所述电机驱动器与所述电机相连接，所述增量式编码器的转轴与所述电机的转轴相连接，所述控制器通过所述电机驱动器控制所述电机转动，所述电机转动同时带动所述增量式编码器转动，所述增量式编码器将测量得到的所述电机的信息传递至所述控制器。
40.进一步地，所述控制装置为机器人。
41.另外，本发明还提出了一种控制系统，所述控制系统装载有程序，能够实现如前文述方法中的步骤。
42.本发明至少具有以下有益效果：
43.1.能够通过ab相脉冲信号检测z相是否故障；
44.2.能够通过z相脉冲信号检测ab相是否故障；
45.3.通过预设的电机输出功率检测值与增量式编码器速度检测值，实现对abz相全故障情况的检测；
46.4.ab相脉冲信号具有多种计数方式，较为灵活。
47.以此，本发明通过分析增量式编码器的abz相波形，在不增加其他外部设备的情况下，实现增量式编码器的自诊断功能，通过ab相脉冲计数来检测z相是否故障，再通过z相脉冲计数来检测ab相是否故障，最后通过电机输出功率与编码器速度来分析是否发生abz三相全断的故障。该方法可覆盖编码器的所有故障，且可设置诊断精度，不会产生故障误报的情况，可准确分析出增量式编码器故障，并及时上报故障信息。
附图说明
48.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
49.图1为增量式编码器abz相脉冲信号波形图；
50.图2为本发明提供的一种增量式编码器自诊断方法的流程示意图；
51.图3为本发明提供的一种增量式编码器自诊断方法的具体流程示意图；
52.图4为本发明提供的一种控制装置的结构示意图。
具体实施方式
53.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.增量式编码器的转轴与电机转轴相连接，所述增量式编码器用于检测所述电机的信息，电机转动带动增量式编码器转动，增量式编码器转动时，a相、b相、z相均会产生脉冲波形，器波形如图1所示。其中，增量式编码器每转一圈，a相产生的方波或b相产生的方波个数等于增量式编码器的分辨率，同时a相信号波形和b相信号波形之间的相位差90度。
55.此外，可以通过判断a相信号在前还是b相信号在前，来判断增量式编码器是正转还是反转；而z相脉冲代表零位参考位，增量式编码器每转动一圈会产生一个方波。控制器通过增量式编码器脉冲信号获取电机的转角和速度，通过获取到的实际速度进行速度闭环控制。
56.增量式编码器和控制器间通过脉冲信号通信，而脉冲信号不能包含故障信息，因而当增量式编码器出现故障时，控制器无法进行识别。本发明可通过增量式编码器波形判断出编码器是否出现故障，当故障发生时控制系统可立即做出处理，从而避免了增量式编码器故障造成的事故。
57.本发明提供一种增量式编码器自诊断方法，通过ab相脉冲计数来检测z相是否故障，再通过z相脉冲计数来检测ab相是否故障，最后通过电机输出功率与编码器速度来分析是否发生abz三相全断的故障，所述ab相脉冲信号计数包括所述a相信号的上升沿和下降沿、所述b相信号的上升沿和下降沿。
58.在本实施例中，编码器转一圈ab相的脉冲数为编码器分辨率的4倍，实际上采用的是四倍频计数；另外，也可以采用其它倍频计数方式，比如令ab相脉冲信号计数只包括a相信号和b相信号的上升沿，或令ab相脉冲信号计数只包括a相信号和b相信号的下降沿，则此时可采用二倍频计数，编码器转一圈ab相的脉冲数为编码器分辨率的2倍；或令ab相脉冲信号计数只包括a相信号的上升沿、a相信号的下降沿、b相信号的上升沿、b相信号的下降沿中的一种，则此时可采用一倍频计数，编码器转一圈ab相的脉冲数为编码器分辨率的1倍。
59.本实施例的增量式编码器自诊断方法包括以下步骤：
60.s100：控制器控制电机转动，电机带动编码器旋转。
61.增量式编码器的转轴与电机转轴相连接，控制器控制电机转动，带动增量式编码器转动，增量式编码器转动时，a相、b相、z相均会产生脉冲波形，进入步骤s110。
62.请参照图2，图2为本实施例的增量式编码器自诊断方法的流程示意图，该流程包括：
63.s110：采集增量式编码器的电脉冲信号，判断是否有脉冲信号触发。
64.具体地，通过控制器对增量式编码器的a相、b相、z相脉冲进行检测。
65.当步骤s110采集到脉冲信号触发时转至步骤s120，当步骤s110未采集到脉冲信号触发时转至步骤s150。
66.s120：判断信号类型。
67.当步骤s120判断出采集到的信号为a相或b相脉冲信号时转至步骤s130，当步骤s120判断出采集到的信号为z相脉冲信号时转至步骤s140。
68.通过比较a相信号在前还是b相信号在前，能够判断出增量式编码器的转向；所述z相脉冲信号的计数只能为所述z相信号上升沿或下降沿中的一种。
69.在有采集到ab相脉冲信号的情况，通过ab相脉冲判断编码器转动方向，同时进行脉冲计数。若增量式编码器为正转，ab相脉冲计数器计数值加一；若增量式编码器为反转，ab相脉冲计数器计数值减一。所述ab相脉冲计数器计数值的加或减均为所述ab相脉冲计数器计数值变化量。
70.在有采集到z相脉冲信号的情况，无论增量式编码器为正转或反转时，z相脉冲计数器计数值均加一。
71.需要说明的是，部分控制器具有编码器接口，可直接读取到ab相脉冲的数值及编码器转向。
72.s130：通过ab相脉冲信号检测z相是否故障。
73.当ab相脉冲计数器计数值变化量达到增量式编码器分辨率的四倍，即增量式编码器转动了一圈时，查看z相脉冲计数器计数值变化，此时z相脉冲计数器计数应递增大于等于一。若此时z相脉冲计数器计数递增小于一，则提示z相故障。
74.具体地，ab相脉冲计数器计数值变化为累计递增变化或累计递减变化的情况。
75.若编码器未转一圈时向反方向来回转动，此时z相脉冲计数器计数递增不一定等于一，也有存在大于一的情况。
76.s140：通过z相脉冲信号检测ab相是否故障。
77.当出现z相脉冲信号时，查看当前编码器的转向：
78.若本次z相脉冲触发与上次z相脉冲触发时方向相反，可判断增量式编码器转角为0，此时查看两次z相脉冲触发时ab相脉冲计数器计数值变化量，ab相脉冲计数器计数值变化量应为0。若ab相脉冲计数器计数值变化量不为0，提示ab相故障；
79.若本次z相脉冲触发与上次z相脉冲触发时方向相同，可判断增量式编码器转动一圈，此时查看两次z相脉冲触发时ab相脉冲计数器计数值变化量，ab相脉冲计数器计数值变化量和增量式编码器分辨率4倍值应相等。若ab相脉冲计数器计数值变化量和增量式编码器分辨率4倍值不相等，提示ab相故障。
80.优选地，可以根据使用需求设置合理的误差阈值：
81.若本次z相脉冲触发与上次z相脉冲触发时方向相反，可判断增量式编码器转角为0，此时查看两次z相脉冲触发时ab相脉冲计数器计数值变化量，预设第一误差阈值，ab相脉冲计数器计数值变化量应为0或接近0，ab相脉冲计数器计数值变化量不为0时，误差应小于第一误差阈值。若ab相脉冲计数器计数值变化量不为0且误差达到第一误差阈值，提示ab相故障；
82.若本次z相脉冲触发与上次z相脉冲触发时方向相同，可判断增量式编码器转动一
圈，此时查看两次z相脉冲触发时ab相脉冲计数器计数值变化量，预设第二误差阈值，ab相脉冲计数器计数值变化量与增量式编码器分辨率4倍值的误差应小于第二误差阈值。若ab相脉冲计数器计数值变化量和增量式编码器分辨率4倍值的误差达到第二误差阈值，提示ab相故障。
83.进一步地，所述第一误差阈值与所述第二误差阈值可相等。
84.s150：通过电机输出功率与编码器速度检测ab相、z相是否全故障。
85.预设功率检测值p、时间检测值t。当电机驱动器输出功率达到功率检测值p、累计时长达到时间检测值t、且电机未发生堵转时，计算增量式编码器的转速，若增量式编码器的转速为0，且未检测到ab相故障、z相故障，提示此时ab相、z相全部故障。
86.结合图3，在本实施例中，当步骤s110采集到脉冲信号触发时转至步骤s120，当步骤s110未采集到脉冲信号触发时转至步骤s151；当步骤s120判断出采集到的信号为a相或b相脉冲信号时转至步骤s131，当步骤s120判断出采集到的信号为z相脉冲信号时转至步骤s141。
87.s131：判断编码器转动方向。
88.若编码器转动方向为反转，进入步骤s132；或编码器转动方向为正转，进入步骤s134。
89.s132：ab相脉冲计数器的计数值减一，进入步骤s133。
90.s133：判断计数器累计递减达编码器分辨率四倍时，z相脉冲计数是否大于等于一。
91.若判断结果为否，进入步骤s136；若判断结果为是，则返回步骤s100。
92.s134：ab相脉冲计数器的计数值加一，进入步骤s135。
93.s135：判断计数器累计递增达编码器分辨率四倍时，z相脉冲计数是否大于等于一。
94.若判断结果为否，进入步骤s136；若判断结果为是，则返回步骤s100。
95.s136：提示z相故障。
96.s141：z相脉冲计数器计数值加一，进入步骤s142。
97.s142：获取当前编码器转动方向，并进行保存，进入步骤s143。
98.s143：判断本次脉冲触发时转向与上次脉冲触发编码器转动方向是否相同。
99.若判断结果为否，进入步骤s144；若判断结果为是，进入步骤s145。
100.s144：判断ab相脉冲计数器变化量是否为0。
101.若判断结果为否，进入步骤s146；若判断结果为是，则返回步骤s100。
102.优选地，预设第一误差阈值，判断ab相脉冲计数器计数值变化量的误差是否达到第一误差阈值，若判断结果为是，进入步骤s146；若判断结果为否，则返回步骤s100。
103.s145：判断ab相脉冲计数器变化量是否为编码器分辨率的四倍。
104.若判断结果为否，进入步骤s146；若判断结果为是，则返回步骤s100。
105.优选地，预设第二误差阈值，判断ab相脉冲计数器变化量和编码器分辨率的4倍值的误差是否达到第二误差阈值，若判断结果为是，进入步骤s146；若判断结果为否，则返回步骤s100。
106.s146：提示ab相故障。
107.s151：电机输出功率达到预设值，累计时间达到预设值，且电机未发生堵转，判断增量式编码器所测转速是否为0。
108.需要说明的是，电机输出功率达到的预设值为前文所述的预设功率检测值p，时间检测值t。
109.此时，计算增量式编码器的转速，判断增量式编码器的转速是否为0，以及是否存在ab相故障、z相故障。
110.若判断结果为编码器的转速为0，且未发生ab相故障和z相故障，进入步骤s152；否则返回步骤s100。
111.s152：提示ab相、z相全部故障。
112.参见图4，本发明还提供一种控制装置200，该控制装置200包括控制器210、电机驱动器220、电机230和增量式编码器240。所述控制器210与电机驱动器220、所述增量式编码器240相连接，所述电机驱动器220与所述电机230相连接，所述增量式编码器240的转轴与所述电机230的转轴相连接。
113.所述控制器210通过所述电机驱动器220控制所述电机230转动，所述电机230转动同时带动所述增量式编码器240转动，所述增量式编码器240将测量得到的所述电机230的信息传递至所述控制器210，实现上述增量式编码器自诊断方法中的步骤。
114.需要说明的是，所述控制装置200可以为包含增量式编码器和电机的设备，如任意类型的机器人，在本发明实施例中不作限制。
115.另外，本发明还提供一种控制系统，所述控制系统装载有程序，能够实现上述增量式编码器自诊断方法中的步骤。
116.综上所述，本发明通过分析增量式编码器的abz相波形，在不增加其他外部设备的情况下，实现增量式编码器的自诊断功能，通过ab相脉冲计数来检测z相是否故障，再通过z相脉冲计数来检测ab相是否故障，最后通过电机输出功率与编码器速度来分析是否发生abz三相全断的故障。该方法可覆盖编码器的所有故障，且可设置诊断精度，不会产生故障误报的情况，可准确分析出增量式编码器故障，并及时上报故障信息。
117.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。