CN101858757A - 一种可改变编码器输出线数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种可改变编码器输出线数的装置及方法，通过一系列处理电路将正余弦光电组件输出的正余弦信号转化成线数和旋转相位可变的增量式编码信号。该装置还具有双向通信功能。在接收状态时，装置从编程器接收编码器线数、旋转相位、电机型号、生产编号等数据，并将其存入内部的非易失存储器。在发送状态时，装置首先把伺服电机的标识信息(包括换相信号UVW、电机型号、生产编号等)发送往电机驱动器，然后用同样的传输线传输数据(转子运转信号ABZ)。本发明的装置可以改变输出线数和旋转相位，从而能兼容更多的伺服驱动器。

Description

一种可改变编码器输出线数的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种可改变编码器输出线数的装置，可以改变编码器的输出线数和相位，能将丰富的信息传送给电机驱动器。具有电机的识别功能、编码器线数任意可变、节省电缆线数的特点。

背景技术

目前国内应用最广泛的伺服电机用编码器是复合式增量编码器。该编码器输出一对正交的AB脉冲信号，每转一圈得到的脉冲的个数称之为编码器的线数。另外还输出每圈只出现一次的标示电机转子零位的Z信号脉冲。ABZ信号使驱动器精确控制电机的位置和速度，线数为q的增量式编码信号将电机转子一周分成4q份，每份为

利用AB信号的旋转相位关系可以辨识电机转子的转动方向，如图2所示。复合式编码器除具备ABZ输出信号外，还输出互差60°电角度的电子换相信号UVW，UVW信号各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致，用于电机起动时的磁场定向控制。

随着伺服电机应用的普及化，在不同场合会有不同的伺服驱动器和伺服电机组合，不同特性的电机有不同的参数。为了更好的控制电机，必须尽可能详细的将电机的相关参数通过编码器告知伺服驱动器，这样一方面可以使驱动器得到相关的电机参数，以实现相关控制；另一方面使驱动器判别电机是否匹配，以避免使用者的误用。

在台达公司的中国专利ZL200610066408.4号中，对增量式编码器的输出信号做了处理，不仅使传输线数量大大减少，而且在编码器的反馈信号中，还包含了伺服电机识别码等信息。在该专利所述的编码器系统中，系统上电处于第一传输模式，换相信号(UVW)通过串行信号输出，另外还增加了电机识别码，同样以串行方式输出，在完成传输后由微处理器将系统切换到第二传输模式，由相同的信号传输线传送转子运转信号。这样不仅节省了配线，降低了成本，同时还增加了伺服电机的识别信息，实现了伺服驱动器对电机的识别功能。

然而，随着伺服电机应用越来越普及，对伺服性能的要求也越来越高，为了达到更高的性能，需要将更多的电机参数纳入伺服编码器传输的信息中。其具体原因为：一，不同的伺服驱动器所能匹配的伺服电机的编码器的线数不同，为了兼容更多的伺服驱动器，需要改变编码器输出信号的线数；二，在电机编码器安装好之后，若需要对编码器的输出参数做出一定的改变，还需要编码器具备可读可写的通信功能。所以就要求编码器不仅能输出数据，而且还能从外部设备接收数据，即实现双向通信。

发明内容

本发明的主要目的，旨在解决上述问题，本发明以现场可编程门阵列(FPGA)为核心，将正余弦光电组件输出的正余弦模拟编码信号变换成线数和相位可变的增量式编码信号。同时还具备双向通信功能，如果连接编程器，则从编程器接收编码器线数、旋转相位、电机型号、生产编号等信息，接收到的这些信息都存入非易失存储器。如果连接电机驱动器，则编码器在上电时将换相信号UVW、电机型号、生产编号发送到驱动器，发送完毕后用同样的传输线传输转子运转信息(ABZ)。

本发明的可改变编码器输出线数的装置，以FPGA为核心，具有电机的识别功能、编码器线数任意可变、节省配线的特点。详细的工作步骤如下：

步骤一，利用编程器将编码器线数、旋转相位、电机型号、生产编号等信息写入编码器。

步骤二，编码器与电机驱动器相连，编码器在上电时通过本发明的装置将标识信息发送给电机驱动器。标识信息包括的数据依次为：换相信号UVW、电机型号、生产编号。

步骤三，在步骤二所述信息传输完毕后，FPGA开始传送数据信息，即转子运转信息ABZ。

以上三个步骤，步骤一是为了设定或改变编码器输出的参数，只需要在电机装配过程中进行一次即可，其余步骤是每上电一次进行一次。

总之，本发明不仅可以增强伺服驱动器对电机的控制，而且还可以方便的改变编码器内部的参数。

本发明提供一种改变编码器输出线数的装置，其包括正余弦光电组件、转动编码盘、处理电路以及结构本体，其特征在于，

所述正余弦光电组件，其输出一对与所述转动编码盘对应的每圈多个周期的正弦信号A和余弦信号B，以及与所述转动编码盘对应的每圈一个的窄幅标示信号R，还输出一对与所述转动编码盘对应的每圈一个周期的正弦信号C、余弦信号D；

所述处理电路包括：

一现场可编程门阵列，其接收对所述信号C、信号D经过AD转换的数据，通过该数据计算出电机转子的换相信号UVW，并接收所述信号A、信号B、信号R经过AD转换的数据，经过数字信号处理，实现可变线数细分，再变换成增量式的转子运转信号ABZ，其中，增量式的转子运转信号的线数和相位可以通过编程器改变；

一收发器，在电机装配过程中，能够接收编程器发来的数据，并将之传送到可编程门阵列；在正常工作状态下，能够接收可编程门阵列的数据并发送往对应的电机驱动器；

一非易失存储器，用于存储编码器线数、旋转相位、电机的型号和生产编号以及三角函数表；

AD转换器，其用于将正余弦光电组件输出的模拟信号进行模数转换，变成现场可编程门阵列输入的数字量；

所述改变编码器输出线数的装置在工作状态下的上电时处于第一传输模式，输出电机标识信息，完成上述传输后所述改变编码器输出线数的装置切换到第二传输模式，由相同的信号传输线传送所述转子运转信号ABZ。

上述技术方案中，所述电机标识信息依次包括：换相信号UVW、电机型号、生产编号。

上述技术方案中，在电机装配过程中，所述现场可编程门阵列通过收发器连接编程器接收编码器线数、旋转相位、电机型号、生产编号等信息，并保存到所述非易失存储器中。

上述技术方案中，所述现场可编程门阵列中包含信号接收模块，该模块通过输入端子接收所述信号A、B、R、C、D的A/D转换值，并将所述信号C、D数据输出到UVW信号计算模块；所述UVW信号计算模块通过所述信号C、D数据计算得到UVW信号，并将UVW信号输出到输出信号切换模块；所述信号接收模块将所述信号A、B、R输出到细分模块进行细分，细分结果被输出到分频模块；所述现场可编程门阵列还包括电机标识信息模块，该模块通过输入端子和所述非易失存储器获得AB增量编码信号线数、旋转相位和电机型号和生产编号信息，并将这些信息分别输出到所述分频模块、状态机模块和所述输出信号切换模块；所述AB增量编码信号线数作为分频模块的分频因子，所述分频模块的分频结果被输出到相位累加模块，所述相位累加模块利用输入的信号数据通过计数器分别输出溢出脉冲和溢出方向信号，所述溢出脉冲作为状态机的时钟信号，所述溢出方向信号和旋转相位信息作为状态机的输入激励；所述状态机模块输出转子的AB增量编码信号到所述输出信号切换模块；所述输出信号切换模块根据所处于所述第一传输模式和所述第二传输模式，通过输出端子分别输出所述电机标识信息和转子运转信号ABZ。

本发明提供一种改变编码器输出线数的方法，其特征在于：

使用正余弦光电组件输出一对与转动编码盘对应的每圈多个周期的正弦信号A和余弦信号B，以及与所述转动编码盘对应的每圈一个的窄幅的对称三角波R信号，还输出一对与所述转动编码盘对应的每圈一个周期的正弦信号C、余弦信号D；

使用现场可编程门阵列接收对所述信号C、信号D经过AD转换的数据，通过该数据计算出电机转子的换相信号UVW，并使用现场可编程门阵列接收所述信号A、信号B、信号R经过AD转换的数据，经过数字信号处理，实现可变线数细分，再变换成线数为q的增量式的转子运转信号ABZ，其中q为所述现场可编程门阵列从编程器接收的编码器线数；

系统上电时，现场可编程门阵列判断与收发器相连的是编程器还是电机驱动器，如果是编程器，则开始等待接收数据，并将接收到的编码器线数、旋转相位、电机型号、生产编号等数据存入非易失存储器，如果是电机驱动器，则开始发送换相信号UVW、电机型号、生产编号和转子运转信号，在完成上述信息传输后，现场可编程门阵列开始使用相同的信号传输线传送转子运转信息ABZ。

附图说明

图1为本发明的电路架构示意图

图2为增量式编码器输出的ABZ信号示意图

图3为正余弦光电组件输出的信号示意图

图4为正余弦光电码盘示意图

图5为角度跟踪观测的控制框图

图6为本发明的的一实施实例步骤流程图

图7为本发明的可编程逻辑器件实现的功能模块示意图

图8为利用状态机得到增量式编码信号的示意图

图9为本发明的一实施实例的时序示意图

图10为图5所示系统的阶跃响应示意图

附图标记：

301为光电组件的零位光栅刻线(R)

302为光电组件的AB正交码道

303码道和304码道输出的信号相位相反，它们取反、叠加后形成正弦信号C

305码道和306码道输出的信号相位相反，它们取反、叠加后形成余弦信号D

具体实施方式

下面就本发明的具体内容进行详细的说明。

如图1中所示，本发明通过对正余弦光电组件1的C、D信号经AD转换器2和现场可编程门阵列3得到转子的位置信息UVW；通过对A、B正余弦信号进行数字信号处理转变成增量式的编码信号，通过收发器5输出，其中增量编码信号的线数和相位可编程；通过对R信号进行AD转换来获取增量式编码的Z信号。同时，基于本发明的装置还可以通过收发器5从外部编程器接收数据，接收到的数据都可以存入存储器4。

为了实现上述目的，本发明的可改变编码器输出线数的装置，包括正余弦光电组件、转动编码盘、处理电路以及结构本体。

如图4所示，转动编码盘上具有多组用于产生A、B、R、C、D信号的刻线或码道，其中：刻线301为零位光栅刻线，对应于每圈一个的窄幅的对称三角波R信号，用于指示编码盘的参考零位；条纹刻线302为A、B信号正交码道，对应于每圈多个周期的正弦信号A和余弦信号B；码道303和码道304通过码道宽度的变化输出的两个相位相反的信号，把304码道生成的信号取反后与303码道所产生的信号叠加，形成每圈一个周期的正弦信号C；码道305和码道306通过码道宽度的变化输出的两个相位相反的信号，把306码道生成的信号取反后与305码道所产生的信号叠加，形成每圈一个周期的余弦信号D；正弦信号A和余弦信号B的相位相差90度，正弦信号C和余弦信号D的相位相差90度。

正余弦光电组件1，通过检测旋转编码盘，输出一对每圈多个周期的正弦信号A和余弦信号B，以及每圈一个的窄幅的对称三角波R信号，还输出一对每圈一个周期的正弦信号C、余弦信号D。这5路模拟信号通过高速AD转换器转换为数字信号送到FPGA处理。

其中，上述处理电路包括：

FPGA，即现场可编程门阵列4，接收对C、D信号经过AD转换的数据，通过该数据计算出电机转子的换相信号UVW；接收A、B、R信号经过AD转换的数据，经过数字信号处理，实现可变线数细分，再变换成增量式的ABZ信号，即转子运转信息。

收发器5，在电机装配过程中，接收编程器发来的数据，并将之传送到FPGA；在正常工作状态下，接收FPGA的数据并发送往电机驱动器。

非易失存储器4，使用EEPROM或FLASH器件，存储编码器线数、旋转相位和电机的生产编号以及三角函数表等信息。

AD转换器2，将模拟信号A、B、R、C、D进行模数转换，将其变成数字信号送到FPGA处理。

下面就具体说明上述数字信号处理过程：

(一)换相信号UVW的获取

换相信号UVW信号用于电机起动时的磁场定向控制。它的每转周期数与电机的极对数相一致。正弦信号C、余弦信号D反应了转子磁场位置。所以，可以通过C、D信号来获取转子磁场位置信息。

FPGA将一个周期的C、D信号细分为6P等份，P为电机极对数，一个等份是60°电角度，称为相带，根据相带编号，可以得到对应的UVW信号。

为了方便起见，系统将正弦信号C、余弦信号D经过AD转换并经FPGA分离出直流偏置量的信号记为sinα和cosα，其中α为当前转子的磁场位置和转子零位的夹角，C对应sinα，D对应cosα。然后对这两路信号进行比较，若C≤D，则计算α的正切值：

若C＞D，则计算α的余切值：

最后根据得到的正切值或余切值通过查三角函数表来确定当前角度α的值，从而确定当前的转子磁场位置处于哪个相带，根据相带编号得到相应的UVW信号。

(二)ABZ信号的获取

利用AD转换器2将正弦信号A和余弦信号B进行模数转换，通过数字信号处理对正弦信号进行细分。

为方便起见，将当前采样得到AB正余弦信号的AD转换值记为：sinθ_i和cosθ_i，已知的转子位置在当前正弦周期的角度为θ_o，正弦编码器每周输出的正弦周期数为每转2ⁿ(n为正整数)个。则系统只要求出当前角度和已知角度之间的差值x_e，就可以得到当前的位置角度。

sinθ_icosθ_o-cosθ_isinθ_o＝sin(θ_i-θ_o)                 (1)

由于系统的采样频率足够高，所以θ_o和θ_i的值相差很小，所以可以考虑利用sin(θ_i-θ_o)来代替θ_i-θ_o，所以就有：x_e＝sin(θ_i-θ_o)。(1)式中，sinθ_i和cosθ_i为当前已知量，利用CORDIC算法求得θ_o的正余弦值sinθ_o和cosθ_o，则利用(1)式可求得角度差x_e。

对得到的角度差x_e做滤波处理，进行相位累加得到新的当前角度θ_o。对正弦编码器输出的正弦信号周期进行2^m(m为正整数，且m＞2)倍细分，然后由(2)式求得正弦周期经过细分后角度θ_o对应的数字量值θ_CNT。

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CNT}}=\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_o}{2\mathrm{\π}}\right)\×2^m---\left(2\right)$

如图5所示，将θ_o的正余弦值反馈回输入回路，实现θ_o对θ_i的跟踪控制。由图5可知该系统的闭环传递函数为：

$\frac{{\mathrm{\θ}}_o\left(s\right)}{{\mathrm{\θ}}_i\left(s\right)}=\frac{K_{\mathrm{LF}}{K}_{\mathrm{VCO}}(1+{\mathrm{\τ}}_{2}s)}{{\mathrm{\τ}}_1{s}^2+(1-K_{\mathrm{LF}}{K}_{\mathrm{VCO}}{\mathrm{\τ}}_2)s+K_{\mathrm{LF}}{K}_{\mathrm{VCO}}}---\left(3\right)$

$=\frac{K_{\mathrm{LF}}{K}_{\mathrm{VCO}}(1+{\mathrm{\τ}}_{2}s)/{\mathrm{\τ}}_1}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

其中：

可以选择适当的参数使系统稳定，即输出θ_o能跟踪输入θ_i，如图10所示。

利用(2)式将角度差信号x_e转变成经过2^m倍细分后的值，记为x_CNT，并将之转化为在整个转子一周下的角度差X_e，即：

$X_e=x_{\mathrm{CNT}}\×\left(\frac{1}{2^n}\right)$

$=\left(\frac{x_e}{2\mathrm{\π}}\right)\×2^m\×\left(\frac{1}{2^n}\right)---\left(4\right)$

对X_e做如下处理：

$\mathrm{\ΔS}=X_e\×4q\×2^n$

$=\left(\frac{x_e}{2\mathrm{\π}}\right)\×2^m\×\left(\frac{1}{2^n}\right)\×4q\×2^n$

$=\left(\frac{x_e}{2\mathrm{\π}}\right)\×2^m\×4q---\left(5\right)$

其中q为从编程器接收的AB增量编码信号的线数，利用位数为(m+n)的可逆计数器对ΔS进行计数，计数的值记为S，则：

$S=\left(\frac{\mathrm{\Σ}{x}_e}{2\mathrm{\π}}\right)\×2^m\×4q---\left(6\right)$

当计数器溢出时，即

对其进行整理可得：

$\left(\mathrm{\Σ}{x}_e\right)\×\frac{1}{2^n}\≥\frac{2\mathrm{\π}}{4q}---\left(7\right)$

其中

表示累积的角度差∑x_e在转子一周下的角度，

为线数为q的增量式编码信号所能辨识的最小角度。(7)式说明在这段时间转子位置角的变化已经能用线数为q的增量编码信号所辨识。如图8所示，系统利用该计数器的溢出脉冲和溢出方向提取得到增量式的编码信号，系统通过在FPGA中建立一状态机来实现该功能。该计数器的溢出有“正溢出”和“负溢出”之分，将该计数器的溢出脉冲作为状态机的时钟信号，计数器溢出的方向和从编程器接收的旋转相位信息作为状态机的输入激励，状态机的输出就是转子的AB增量编码信号。

当利用AD转换检测到R信号的值超过一定的值时，即认为R三角波到来，此时，系统便等待状态机输出的A脉冲的跳变沿，在检测到A脉冲的跳变沿的同时，将Z输出信号置高，当再次检测到A脉冲的相同的跳变沿的同时，将Z脉冲置低。从而使Z脉冲信号的输出和A脉冲同步，而且和A脉冲的一个周期同宽。

如图6所示，当本装置连接编程器时，则装置从编程器接收编码器线数、旋转相位、电机型号、生产编号等信息，并且将接收到的这些信息都存入非易失存储器中。当连接电机驱动器时，则装置在上电时将换相信号UVW、电机型号、生产编号通过收发器发送到驱动器，发送完毕后通过收发器用同样的传输线传输转子运转信息(ABZ)，从而达到通过对FPGA进行编程设置来改变编码器输出线数。如图1所示，收发器5采用3对差分信号线X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-完成上述信号的输入/输出。

如图7所示，现场可编程门阵列(FPGA)4中包含信号接收模块，该模块通过输入端子接收信号A、B、R、C、D的A/D转换值，并将信号C、D数据输出到UVW信号计算模块；UVW信号计算模块通过信号C、D数据计算得到UVW信号，并输出到输出信号切换模块，经输出端子输出；信号接收模块将信号A、B、R输出到细分模块进行细分，将细分结果输出到分频模块进行分频，最后输出到相位累加模块；现场可编程门阵列4还包括电机标识信息模块，该模块通过输入端子和非易失存储器获得AB增量编码信号线数、旋转相位和电机型号和生产编号信息，并将这些信息分别输出到相位累加模块、状态机模块和输出信号切换模块；相位累加模块利用输入的信号数据通过计数器分别输出溢出脉冲和溢出方向信号到状态机模块；状态机模块输出转子的AB增量编码信号到输出信号切换模块；输出信号切换模块在上电时处于第一传输模式，通过输出端子输出电机标识信息，然后切换到第二传输模式，通过输出端子输出转子运转信号ABZ。

上述仅为说明本发明原理的优选实施例，凡依本发明范围所做的均等变化和修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (5)

1.一种改变编码器输出线数的装置，其包括正余弦光电组件、转动编码盘、处理电路以及结构本体，其特征在于，

所述正余弦光电组件，其输出一对与所述转动编码盘对应的每圈多个周期的正弦信号A和余弦信号B，以及与所述转动编码盘对应的每圈一个的窄幅标示信号R，还输出一对与所述转动编码盘对应的每圈一个周期的正弦信号C、余弦信号D；

所述处理电路包括：

一现场可编程门阵列，其接收对所述信号C、信号D经过AD转换的数据，通过该数据计算出电机转子的换相信号UVW，并接收所述信号A、信号B、信号R经过AD转换的数据，经过数字信号处理，实现可变线数细分，再变换成增量式的转子运转信号ABZ，其中，增量式的转子运转信号的线数和相位可以通过编程器改变；

一收发器，在电机装配过程中，能够接收编程器发来的数据，并将之传送到可编程门阵列；在正常工作状态下，能够接收可编程门阵列的数据并发送往对应的电机驱动器；

一非易失存储器，用于存储编码器线数、旋转相位、电机的型号和生产编号以及三角函数表；

AD转换器，其用于将正余弦光电组件输出的模拟信号进行模数转换，变成现场可编程门阵列输入的数字量；

所述改变编码器输出线数的装置在工作状态下的上电时处于第一传输模式，输出电机标识信息，完成上述传输后所述改变编码器输出线数的装置切换到第二传输模式，由相同的信号传输线传送所述转子运转信号ABZ。

2.如权利要求1所述的改变编码器输出线数的装置，其特征在于，所述电机标识信息依次包括：换相信号UVW、电机型号、生产编号。

3.如权利要求1-2中任意一项所述的改变编码器输出线数的装置，其特征在于，在所述电机装配过程中，所述现场可编程门阵列通过收发器连接编程器接收编码器线数、旋转相位、电机型号、生产编号等信息，并保存到所述非易失存储器中。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的改变编码器输出线数的装置，其特征在于，所述现场可编程门阵列中包含信号接收模块，该模块通过输入端子接收所述信号A、B、R、C、D的A/D转换值，并将所述信号C、D数据输出到UVW信号计算模块；所述UVW信号计算模块通过所述信号C、D数据计算得到UVW信号，并将UVW信号输出到输出信号切换模块；所述信号接收模块将所述信号A、B、R输出到细分模块进行细分，细分结果被输出到分频模块；所述现场可编程门阵列还包括电机标识信息模块，该模块通过输入端子和所述非易失存储器获得AB增量编码信号线数、旋转相位和电机型号和生产编号信息，并将这些信息分别输出到所述分频模块、状态机模块和所述输出信号切换模块；所述AB增量编码信号线数作为分频模块的分频因子，所述分频模块的分频结果被输出到相位累加模块，所述相位累加模块利用输入的信号数据通过计数器分别输出溢出脉冲和溢出方向信号，所述溢出脉冲作为状态机的时钟信号，所述溢出方向信号和旋转相位信息作为状态机的输入激励；所述状态机模块输出转子的AB增量编码信号到所述输出信号切换模块；所述输出信号切换模块根据所处于所述第一传输模式和所述第二传输模式，通过输出端子分别输出所述电机标识信息和转子运转信号ABZ。

5.一种改变编码器输出线数的方法，其特征在于：

使用正余弦光电组件输出一对与转动编码盘对应的每圈多个周期的正弦信号A和余弦信号B，以及与所述转动编码盘对应的每圈一个的窄幅的对称三角波R信号，还输出一对与所述转动编码盘对应的每圈一个周期的正弦信号C、余弦信号D；

使用现场可编程门阵列接收对所述信号C、信号D经过AD转换的数据，通过该数据计算出电机转子的换相信号UVW，并使用现场可编程门阵列接收所述信号A、信号B、信号R经过AD转换的数据，经过数字信号处理，实现可变线数细分，再变换成线数为q的增量式的转子运转信号ABZ，其中q为所述现场可编程门阵列从编程器接收的编码器线数；

系统上电时，现场可编程门阵列判断与收发器相连的是编程器还是电机驱动器，如果是编程器，则开始等待接收数据，并将接收到的编码器线数、旋转相位、电机型号、生产编号等数据存入非易失存储器，如果是电机驱动器，则开始发送换相信号UVW、电机型号、生产编号和转子运转信号，在完成上述信息传输后，现场可编程门阵列开始使用相同的信号传输线传送转子运转信息ABZ。

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