CN101226066A - 一种基于旋转变压器的多圈绝对型旋转编码器 - Google Patents

Abstract

一种基于旋转变压器的多圈绝对型旋转编码器，其特征在于，它以旋转变压器作为轴角位移传感器，以DSP为核心处理器构建轴角解码电路，由直接数字频率合成电路以数控振荡器的方式，产生频率、相位可控制的正弦波，经功率放大器、滤波电路直接作为旋转变压器的激磁信号；旋转变压器信号经过电子变压器匹配电路后，送入A/D变换，经过过采样、数字滤波及抽取数字信号处理，得到两个通道实际角度的正余弦值，由PI算法动态跟踪角度误差变化，将旋转物体转过的机械位移量转换成数字轴角位置、速度。它具有跟踪速度快、转换精度高、可靠性高等特点，也具有结构简单、动作灵敏、对环境条件要求低、抗干扰能力强、测量精度高和速度电压输出等优点。

Description

一种基于旋转变压器的多圈绝对型旋转编码器

技术领域

本发明涉及一种编码器，特别是一种基于旋转变压器的多圈绝对型旋转编码器，属于机电一体化技术领域。

背景技术

数控机床伺服系统的基本组成包括位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元、机械执行部件，其中位置控制单元在很大程度上决定了数控机床能够达到的精度。目前位置传感器一般采用高分辨率的旋转变压器、光电编码器、磁编码器等元件。旋转变压器输出两相正交波形，能输出转子的绝对位置，但其解码电路复杂，价格昂贵。磁编码器依靠磁极变化检测位置，目前正处于研究阶段，其分辨率较低。

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器.根据其刻度方法及信号输出形式可分为增量型编码器和绝对型编码器，较其它检测元件有直接输出数字量信号，惯量低，低噪声，高精度，高分辨率，制作简便，成本低等优点。增量型编码器结构简单，制作容易，一般在码盘上刻A、B、Z三道均匀分布的刻线。由于其给出的位置信息是增量式的，当应用于伺服领域时需要初始定位。绝对型编码器一般都做成循环二进制代码，，可直接输出转子的绝对位置，不需要测定初始位置。但其工艺复杂、成本高，实现高分辨率、高精度较为困难。通用的交流伺服系统上采用的绝对型编码器精度一般在12位至20位之间。

当前世界上生产光电编码器的主要厂家有：德国Heidenhain公司、OPTION公司，美国的Itek公司、B&L公司、三丰公司，日本的尼康公司和佳能公司。此外，英国、瑞士和俄罗斯的一些厂家也在光电编码器的研制方面做出了很多贡献。其中Heidenhain公司生产的编码器系列以其优质的性能、多样的品种誉满全球，居国际领先水平。日本编码器工业在工业机器人及办公自动化迅速普及的影响下，偏重于小型化、智能化的发展方向。

我国对计量光栅的研究始于1960年前后，由中科院长春光机所率先进行光电编码器的研制，现已有增量式和绝对式数十种型号的产品。在提高光电编码器的分辨率和精度方面，国内已采用电子学细分，多头读数及提高码盘刻划精度，提高轴系精度等多种措施。成都光电所研制的25位绝对式光电编码器，分辨率已达0.04″，精度0.71″。长春光机所在80年代末生产的23位绝对式光电编码器，分辨率为0.5″，测角精度达0.51″。国内其它数十家生产光电编码器厂家，大多只生产低位数的编码器。

光电编码器具有以下优点：体积小，精密，无接触无磨损；同一品种既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移；多圈光电绝对编码器可以检测相当长量程的直线位移；寿命长，安装随意，接口形式丰富，价格合理，成熟技术。但光电编码器也存在以下缺点：精密但对户外及恶劣环境下使用提出较高的保护要求；测量直线位移需依赖机械装置转换，需消除机械间隙带来的误差；检测轨道运行物体难以克服滑差；无速度电压输出。因此，这极大地限制了光电编码器的应用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新的跟踪速度快、转换精度高同时具有较佳抗振耐温及抗干扰性能、能适应任何环境的使用要求的基于旋转变压器的多圈绝对型旋转编码器。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。

本发明旋转编码器信号处理电路包括微处理器、可编程控制器、存储器、光偶和RS485接口芯片；旋转编码器以旋转变压器作为轴角位移传感器，以DSP为核心处理器构建轴角解码电路，由直接数字频率合成电路以数控振荡器的方式，产生频率、相位可控制的正弦波，经功率放大器、滤波电路直接作为旋转变压器的激磁信号；旋转变压器信号经过电子变压器匹配电路后，送入A/D变换，经过过采样、数字滤波及抽取数字信号处理，得到两个通道实际角度的正余弦值，由PI算法动态跟踪角度误差变化，将旋转物体转过的机械位移量转换成数字轴角位置、速度。

本发明旋转编码器可采用一体式结构框架，使用金属铝壳封装，旋转变压器采用密封的方式与编码电路进行完全的隔离。通过金属外壳可以屏蔽空间磁场和空间电磁波对编码器的干扰，提高旋转编码器的抗干扰能力，旋转编码器加装了密封圈，增强了编码器防潮和抗腐蚀等方面的能力。

本发明旋转编码器输出数据可以采用格雷码或二进制方式，以RS485形式输出；采用光偶把输入的时钟与内部电路进行隔离，同时在输入、输出电路中安装了防雷装置。

本发明旋转编码器可设置方向信号和清零信号，可以方便改变编码器的方向和校零。

本发明旋转编码器可采用低功耗单电源供电模式，减少实际应用系统供电种类和功耗，提高系统的可靠性。

以下进一步对本发明技术方案进行说明。

1.1旋转变压器。

旋转变压器是一种输出电压随转子转角按一定的函数关系变化的精密信号元件，结构与交流绕线式异步电动机相似，由定子和转子两大件组成，如图2所示。定子的两个绕组用R1、R2和R3、R4表示，转子的两个绕组用S1、S2和S3、S4表示。定子和转子铁心均由硅钢片或坡莫合金片迭成。定子和转子之间的空气间隙时均匀的。旋转变压器的工作原理与普通的变压器完全相同，它的定子绕组相当于普通变压器的原边线圈(激磁线圈)，而转子绕组就相当于普通变压器的副边线圈。

当定子绕组中的一组绕组短接，如绕组R3、R4短路、绕组R1、R2加上单相平流电压为V＝V₀sinωt后(实际上旋转变压器的定子和转子均可作为原边施加激磁信号)，这时在该绕组中有电流流过，产生一个单相脉振磁场，当转子绕过θ角时，在转子绕组S1、S2和绕组S3、S4中分别产生感应电压U_SIN和U_COS，其电压大小0分别与转子转角θ的正、余弦成比例。其矢量关系见图3。两个转子绕组输出函数为：

V_SIN＝KV₀sinωtsinθ

VCOS＝KV₀sinωtcosθ

式中V_SIN——正弦绕组输出电压；

V_COS——余弦绕组输出电压；

K——比例系数；

V₀——激磁绕组输入电压；

ω——ω＝2πf，f为激磁信号频率；

θ——相对于初始状态的转子转角；

输出绕组的电压如图4所示。显然，定子输出电压与转子转角的正弦或余弦成正比。

1.2旋转变压器-数字转换技术。

旋转变压器-数字转换电路原理框图如图5所示，主要包括DSP处理器，Sin/Cos信号调理器，功率驱动器，滤波器，振荡器。DSP处理器主时钟采用外部晶振，使用直接数字频率合成器产生励磁参考信号，通过功率放大器、滤波器，输出信号Vf作为旋转变压器的参考频率，旋转变压器输出正弦信号Vsin和余弦信号Vcos，经过Sin/Cos信号调节器，把电压变成标准2V的正余弦信号Usin和Ucos信号，DSP处理器中ADC转换器对信号Usin和Ucos进行采样，在DSP处理器内运行R/D转换器的数字控制算法，把旋转变压器信号变换成并行位置信号输出和角速度信号输出。

R/D转换器是一个混合信号电路，利用两路ADC转换器对旋转变压器信号进行数字量化处理，采用一个II型跟踪环将输入信号转换成数字量的角位置和角速度。R/D转换器的实现框图如图6所示。

输入正弦信号Usin和余弦信号Ucos以参考频率2K倍的频率在ADC中采样，变换为sin(n)和cos(n)。FIR带通滤波器作为一个反混淆滤波器通过限制带宽在Fref±(Fref/2)内提高采样分辨率。反正切函数计算出θ(n)，其计算公式为：

$\mathrm{\&theta;m}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{ccc}\arctan \left(\frac{\sin \left(n\right)}{\cos \left(n\right)}\right),& \mathrm{if}& \cos \left(n\right)\&GreaterEqual;0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan \left(\frac{\cos \left(n\right)}{\sin \left(n\right)}\right),& \mathrm{if}& \cos \left(n\right)<0\end{array}\right.$

角位置和速度跟踪闭环主要由PI控制器和积分器组成，FIR滤波器在提高角位置分辨率的同时也带来速度延迟，选择闭环带宽以提高角位置的精度，补偿FIR滤波器产生的延迟，并推导出角速度。

R/D转换角位置和速度跟踪闭环模型采用角度跟踪观测器法，其示意框图如图7所示。其中：

误差信号Δ＝sinθcosφ-cosθ×sinφ＝sin(θ-φ)

对误差信号Δ进行PI控制器和积分器进行调节，在精度范围内使误差信号

Δ≈0

则θ＝φ

φ为输出角度位置信号，角速度信号由PI控制器输出。由图7可看出角度跟踪观测器是一个二阶闭环系统，通过调节自然振荡角频率K1和阻尼系数K2达到平滑滤波和减少调节时间的目的，T_s是采样周期。

软件程序流程主框图见图8。

1.4可编程控制器。

可编程控制器主要完成数据的传输、信号控制、地址译码和SSI接口协议，其原理框图如图9所示。

1.5数字-编码转换。

数字-编码转换采用微处理器，微处理器使用内部时钟，嵌入了看门狗、12位DAC转换器，其转换原理如图10所示。

DSP旋转变压器-数字转换输出的速度信号和位置信号采用复用的方式，旋转编码器录取数据方式见图11。控制信号RDVEL为逻辑高电平时，输出12位数据为位置信号，控制信号RDVEL为逻辑低电平时，输出12位数据为速度信号。

微处理器通过可编程控制器对DSP转换的速度信号和位置信号进行录取，速度信号直接通过12位DAC转换器输出模拟信号，数据信号通过软件处理，转换成编码信号，其圈数采用软件算法得到。编码信号可以通过外部信号改变编码信号的零位、转换方向，同时具有记忆功能，采用RAMTRON公司的非易失性铁电存储器FM24CL16，在断电情况下，其圈数、相对零位、方向都不受影响。微处理器的固件程序流程图见图12和图13。

1.6传输方式。

旋转编码器输出数据采用格雷码或二进制方式，以RS485形式输出。编码器与电器接口连接方式参照图14，外部输入的时钟信号经光偶隔离，数据输出为RS485。

旋转编码器SSI信号变换标准见图15所示。

旋转编码器SSI信号输出格式：

1、空载条件下信号线数据+和时钟+为高电平(+5V)；

2、当第一个脉冲上升沿到来时，储存在编码器的数据Dn和特殊位S数据进行传输；

3、当第一个脉冲上升沿到来时，数据首位MSB就成为编码器的串行数据输出；

4、随着一个个脉冲上升沿的到来，Dn.1、Dn.2…位就逐一传输；

5、最后一位(LSB)传输完毕，单拍时间Tm截止前，数据线跳到低电平；

6、数据线跳到高电平之前或中断Tp时间截止前，不会有数据传输。

7、单拍时间Tm决定了最低传输频率。

本发明旋转编码器性能指标如下：分辨率：单圈为12位～16位；多圈最大为16位；总分辨率为28位～32位。线性度：12位±0.5LSB；16位±4LSB。

输出码：格雷码或自然二进制。工作电压：10V～30V。单稳态触发时间：20±10us。接口类型：SSI。传输速率：0.1～2Mbit/s。符合标准：RS485。零位设置：高电压10V～30V；低电压0V～2V。方向设置：高电压10V～30V；低电压0V～2V。连接器：型号9416，12针。电缆：φ7mm，6×2×0.14mm²，1m。环境温度：-40℃～+85℃。旋转速度：最大12000min^-1。轴负载：角度偏差±9°。

本发明旋转编码器克服了现有技术上的缺点，采用旋转变压器作为轴角位移传感器，其抗振性、耐温性、抗腐蚀性、抗灰尘及油污及抗干扰性等方面都具有很好的性能，能适应任何环境的使用要求。本发明旋转编码器具有光电编码器跟踪速度快、转换精度高、可靠性高等特点，同时具有结构简单、动作灵敏、对环境条件要求低、抗干扰能力强、测量精度高和速度电压输出等优点。编码器采用DSP技术实现数字解码电路，降低了生产成本，提高了编码器的精度；主要完成单圈与多圈的处理、并变串处理、信号的记存功能。其单圈测量精度为16位，且无温漂、时漂，多圈可以计量高达6万圈，总的分辨率可达到32位(对于16位分辨率)，大大提高了测量精度和可靠性，是工业现场较为理想的角位测量编码器。

附图说明

图1为本发明旋转编码器的原理框图。

图2为旋转变压器示意图。

图3为旋转变压器定子与转子绕组之间的矢量关系图。

图4为旋转变压器输出绕组的电压波形关系图。

图5为DSP数字化RDC转换原理框图。

图6为R/D转换器实现框图。

图中，采样N-bit@K.2Fref＝(4n+1)Kπ/2；n＝0，1，2…

图7为角度跟踪观测器框图。

图8为软件程序主框图。

图9为可编程控制器原理框图。

图10为微处理器转换原理图。

图11是旋转编码器录取数据方式图。

图12为微处理器的主程序流程图。

图13为微处理器100uS定时中断服务程序流程图。

图14为编码器与电器接口连接方式图。

图15为旋转编码器SSI信号变换标准图。图中：D1-Dn：位置数据；T＝1/f：周期时间≤1MHz；MSB：数据首位；Tm：单拍时间10us-30us；LSB：数据末位；Tp：时间间歇≥单拍时间(Tp≥Tm)。

具体实施方式

实施例1。参照图1-图15。一种基于旋转变压器的多圈绝对型旋转编码器，旋转编码器信号处理电路包括微处理器、可编程控制器、存储器、光偶和RS485接口芯片；旋转编码器以旋转变压器作为轴角位移传感器，以DSP为核心处理器构建轴角解码电路，由直接数字频率合成电路以数控振荡器的方式，产生频率、相位可控制的正弦波，经功率放大器、滤波电路直接作为旋转变压器的激磁信号；旋转变压器信号经过电子变压器匹配电路后，送入A/D变换，经过过采样、数字滤波及抽取数字信号处理，得到两个通道实际角度的正余弦值，由PI算法动态跟踪角度误差变化，将旋转物体转过的机械位移量转换成数字轴角位置、速度。

实施例2。实施例1所述的旋转编码器中，旋转编码器采用一体式结构框架，使用金属铝壳封装，旋转变压器采用密封的方式与编码电路进行完全的隔离。

实施例3。实施例1或2所述的旋转编码器中，旋转编码器输出数据采用格雷码或二进制方式，以RS485形式输出，采用光偶把输入的时钟与内部电路进行隔离，同时在输入、输出电路中安装了防雷装置。

实施例4。实施例1或2或3所述的旋转编码器中，旋转编码器设置方向信号和清零信号，以改变编码器的方向和校零。

实施例5。实施例1-4中任何一项所述的旋转编码器中，其转换技术如下，

(1)旋转变压器一数字转换；它包括DSP处理器，Sin/Cos信号调理器，功率驱动器，滤波器，振荡器；DSP处理器主时钟采用外部晶振，使用直接数字频率合成器产生励磁参考信号，通过功率放大器、滤波器，输出信号Vf作为旋转变压器的参考频率，旋转变压器输出正弦信号Vsin和余弦信号Vcos，经过Sin/Cos信号调节器，把电压变成标准2V的正余弦信号Usin和Ucos信号，DSP处理器中ADC转换器对信号Usin和Ucos进行采样，在DSP处理器内运行R/D转换器的数字控制算法，把旋转变压器信号变换成并行位置信号输出和角速度信号输出；R/D转换器是一个混合信号电路，利用两路ADC转换器对旋转变压器信号进行数字量化处理，采用一个II型跟踪环将输入信号转换成数字量的角位置和角速度；输入正弦信号Usin和余弦信号Ucos以参考频率2K倍的频率在ADC中采样，变换为sin(n)和cos(n)；

(2)数字-编码转换；数字-编码转换采用微处理器，微处理器使用内部时钟，嵌入了看门狗、12位DAC转换器；DSP旋转变压器-数字转换输出的速度信号和位置信号采用复用的方式，控制信号RDVEL为逻辑高电平时，输出12位数据为位置信号，控制信号RDVEL为逻辑低电平时，输出12位数据为速度信号；微处理器通过可编程控制器对DSP转换的速度信号和位置信号进行录取，速度信号直接通过12位DAC转换器输出模拟信号，数据信号通过软件处理，转换成编码信号，其圈数采用软件算法得到；编码信号可以通过外部信号改变编码信号的零位、转换方向，同时具有记忆功能，采用非易失性铁电存储器FM24CL16。

Claims (5)

1.一种基于旋转变压器的多圈绝对型旋转编码器，其特征在于，旋转编码器信号处理电路包括微处理器、可编程控制器、存储器、光偶和RS485接口芯片；旋转编码器以旋转变压器作为轴角位移传感器，以DSP为核心处理器构建轴角解码电路，由直接数字频率合成电路以数控振荡器的方式，产生频率、相位可控制的正弦波，经功率放大器、滤波电路直接作为旋转变压器的激磁信号；旋转变压器信号经过电子变压器匹配电路后，送入A/D变换，经过过采样、数字滤波及抽取数字信号处理，得到两个通道实际角度的正余弦值，由PI算法动态跟踪角度误差变化，将旋转物体转过的机械位移量转换成数字轴角位置、速度。

2.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，旋转编码器采用一体式结构框架，使用金属铝壳封装，旋转变压器采用密封的方式与编码电路进行完全的隔离。

3.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，旋转编码器输出数据采用格雷码或二进制方式，以RS485形式输出，采用光偶把输入的时钟与内部电路进行隔离，同时在输入、输出电路中安装了防雷装置。

4.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，旋转编码器设置方向信号和清零信号，以改变编码器的方向和校零。

5.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，其转换技术如下，

(1)旋转变压器-数字转换；它包括DSP处理器，Sin/Cos信号调理器，功率驱动器，滤波器，振荡器；DSP处理器主时钟采用外部晶振，使用直接数字频率合成器产生励磁参考信号，通过功率放大器、滤波器，输出信号Vf作为旋转变压器的参考频率，旋转变压器输出正弦信号Vsin和余弦信号Vcos，经过Sin/Cos信号调节器，把电压变成标准2V的正余弦信号Usin和Ucos信号，DSP处理器中ADC转换器对信号Usin和Ucos进行采样，在DSP处理器内运行R/D转换器的数字控制算法，把旋转变压器信号变换成并行位置信号输出和角速度信号输出；R/D转换器是一个混合信号电路，利用两路ADC转换器对旋转变压器信号进行数字量化处理，采用一个II型跟踪环将输入信号转换成数字量的角位置和角速度；输入正弦信号Usin和余弦信号Ucos以参考频率2K倍的频率在ADC中采样，变换为sin(n)和cos(n)；

(2)数字-编码转换；数字-编码转换采用微处理器，微处理器使用内部时钟，嵌入了看门狗、12位DAC转换器；DSP旋转变压器-数字转换输出的速度信号和位置信号采用复用的方式，控制信号RDVEL为逻辑高电平时，输出12位数据为位置信号，控制信号RDVEL为逻辑低电平时，输出12位数据为速度信号；微处理器通过可编程控制器对DSP转换的速度信号和位置信号进行录取，速度信号直接通过12位DAC转换器输出模拟信号，数据信号通过软件处理，转换成编码信号，其圈数采用软件算法得到；编码信号可以通过外部信号改变编码信号的零位、转换方向，同时具有记忆功能，采用非易失性铁电存储器FM24CL16。

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