CN101995533A - 一种数字增量式编码器断线实时检测的方法和系统 - Google Patents

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张科孟
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Abstract

本发明提供一种数字增量式编码器断线实时检测的方法和系统，该方法包括：将A相、B相、Z相差分信号分别转换为A相、B相、Z相单端信号；根据所述A相单端信号和B相单端信号保持正交脉冲的物理特性对A相单端信号和B相单端信号是否断线进行判断；根据Z相单端信号脉冲的机械角度固定的特性对Z相单端信号是否断线进行判断；根据上述判断结果输出故障状态。以提供一种能够实时监测，且监测精度高的对数字增量式编码器进行断线实时检测的方法和系统。

Description

一种数字增量式编码器断线实时检测的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种数字增量式编码器，更具体的说，涉及一种对数字增量式编码器进行断线实时检测的方法和系统。
背景技术
目前，在运动控制和电气传动领域内，由于数字增量式编码器耐用、抗冲击、抗震动、不易受干扰、精度高、解码简单等优点，得到了广泛应用。特别是在伺服电机驱动控制中，数字增量式编码器更是占据了绝大部分市场。不过，在伺服电机驱动控制中，如果数字增量式编码器的某一根线断线，则伺服驱动器就不能正确的驱动控制伺服电机。如果不能准确快速的进行报警，有可能会出现电机飞车，甚至更严重的有可能会导致伺服驱动器损坏。所以准确快速的对数字增量式编码器进行断线检测和报警，对伺服驱动器而言，非常重要。
目前，数字增量式编码器主要有两种，一种有A、B、Z、U、V、W信号，另一种只有A、B、Z信号。其中UVW信号主要用来上电时检测伺服电机转子的初始位置，不过，由于目前已经有不需要UVW信号而可以在上电时有效准确的检测伺服电机转子的初始位置的算法，所以带UVW信号的数字增量式编码器由于成本较高而逐渐被淘汰。本发明只针对有ABZ信号的数字增量式编码器。数字增量式编码器的AB信号为正交脉冲信号，经过解码后可以进行计数，也可以判断出伺服电机转子的旋转方向。数字增量式编码器的Z信号为机械角度校准信号，伺服电机每转一圈都会在固定的机械角度产生一个窄脉冲信号，这就是Z信号。由于它相对伺服电机转子的机械角度固定，所以它被用来校准经过软件计算出来的机械角度，避免产生累计误差。
目前，数字增量式编码器断线检测技术主要有以下几种方法：1)速度反馈值一般都是根据编码器反馈信号而得到。在运行状态下，速度指令不为0，在限定时间内检测到的速度反馈值一直为0，认为是编码器断线。2)直接检测编码器信号线的电平变化。如果在限定的时间内，检测不到编码器信号线的任何电平变化，认为是编码器断线。不过在待机状态下和零速状态下，速度反馈值一直为0，编码器信号线电平也不会有变化。即使在超低速下，由于电机运行不能够非常平稳，也有可能出现在限定的时间内，速度反馈值一直为0，而且在超低速下编码器信号线电平本身变化就非常缓慢。当编码器断线时，编码器信号输入电路悬空，有可能出现由于干扰的影响，导致编码器信号输入电路还有电平的变化，这样就有可能出现编码器已经断线，但是检测程序可以继续检测到编码器信号电平的变化，速度反馈值也不为0。由此看出，以上两种方法都存在待机状态下无法进行检测，零速状态下无法进行检测，检测需要时间过长以及超低速下和有干扰下检测准确度不高的缺点。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种能够实时监测，且监测精度高的对数字增量式编码器进行断线实时检测的方法和系统。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种数字增量式编码器断线实时检测的方法，包括：
(a)将A相、B相、Z相差分信号分别转换为A相、B相、Z相单端信号；
(b)根据所述A相单端信号和B相单端信号保持正交脉冲的物理特性对A相单端信号和B相单端信号是否断线进行判断；
(c)根据Z相单端信号脉冲的机械角度固定的特性对Z相单端信号是否断线进行判断；
(d)根据步骤(b)和步骤(c)的判断结果输出故障状态。
其中，依据上述主要技术特征：
所述步骤(b)进一步包括：
(b1)对A相、B相单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波；
(b2)捕捉A相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时B相单端信号的电平；
(b3)捕捉B相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时A相单端信号的电平；
(b4)对A相单端信号和B相单端信号进行正交脉冲信号解码，得到编码器旋转的方向；
(b5)如果顺时针方向执行步骤(b6)，如果逆时针方向执行步骤(b7)；
(b6)根据顺时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；
(b7)根据逆时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；
(b8)根据步骤(b6)和步骤(b7)的判断输出故障状态，如果没有故障，执行步骤(b1)。
其中，依据上述主要技术特征：
所述步骤(c)进一步包括：
(c1)对Z相单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波；
(c2)捕捉Z相单端信号的上升沿；
(c3)在Z相单端信号的上升沿，记忆计数器的数值，然后对计数器清零，清零之后触发脉冲计数单元开始工作，对A相或者B相脉冲信号进行计数；
(c4)计数器数值是否大于编码器线数，如果大于，直接置故障位为1，如果小于，执行步骤(c5)；
(c5)比较相邻两个计数器的数值，如果不等，直接置故障位为1；如果相等，执行步骤(c1)；
本发明还提供一种数字增量式编码器断线实时检测的系统，包括：差分信号转换单元、AB相单端信号判断单元、Z相单端信号判断单元和结果输出单元；其中：
所述差分信号转换单元，用于将A相、B相、Z相差分信号分别转换为A相、B相、Z相单端信号；
所述AB相单端信号判断单元，用于根据所述A相单端信号和B相单端信号保持正交脉冲的物理特性对A相单端信号和B相单端信号是否断线进行判断；
所述Z相单端信号判断单元，用于根据Z相单端信号脉冲的机械角度固定的特性对Z相单端信号是否断线进行判断；
所述结果输出单元，用于根据所述AB相单端信号判断单元和所述Z相单端信号判断单元的判断结果输出故障状态。
其中，依据上述主要技术特征：
所述AB相单端信号判断单元包括：第一滤波处理单元、正交脉冲解码单元、信号捕捉和电平检测单元和第一断线判断单元：
所述第一滤波处理单元，用于分别对A相、B相两路单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波，以便滤除掉干扰脉冲；
所述正交脉冲解码单元，用于对A相、B相两路单端信号进行正交脉冲信号解码；
所述信号捕捉和电平检测单元，用于捕捉A相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时B相单端信号的电平；和用于捕捉B相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时A相单端信号的电平；
所述第一断线判断单元，用于根据顺时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；或者根据逆时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；
所述结果输出单元，用于根据所述第一断线判断单元的判断结果输出故障状态。
其中，依据上述主要技术特征：
所述Z相单端信号判断单元包括第二滤波处理单元、信号捕捉单元、脉冲计数单元、第一比较单元和第二比较单元：
所述第二滤波处理单元，用于对Z相单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波；
所述信号捕捉单元，用于捕捉Z相单端信号的上升沿；
所述脉冲计数单元，用于在Z相单端信号的上升沿，记忆计数器的数值，然后对计数器清零，清零之后触发脉冲计数单元开始工作，对A相或者B相脉冲信号进行计数；
所述第一比较单元，用于判断计数器数值是否大于编码器线数，如果大于，直接置故障位为1，如果小于，则触发第二比较单元；
所述第二比较单元，用于根据第一比较单元的触发比较相邻两个计数器的数值，如果不等，直接置故障位为1；如果相等，则触发所述第二滤波处理单元；
所述第二断线判断单元，用于根据所述第一比较单元和第二比较单元的比较结果对Z相单端信号线是否断线进行判断；
所述结果输出单元，用于根据第二断线判断单元的判断结果输出故障状态。
本发明的有益效果是：本发明所述的数字增量式编码器断线实时检测的方法和系统，分别根据A相、B相单端信号的正交性和Z相单端信号相对电机转子的机械角度固定特性，进行A、B、Z相单端信号的实时断线检测。上述A、B、Z相单端信号的这些特性是数字增量式编码器的物理特性，只要信号线连接良好，那么这些特性在任何情况和任何状态下都会保持的。一旦信号线连接出现问题，这些特性肯定会立刻消失，那么数字增量式编码器断线实时检测系统就会立刻发出故障信号，报出故障状态。由此可以看出，本发明具有在任何情况和任何状态下，都可以快速准确的判断出数字增量式编码器某一相单端信号线是否有断线故障，从根本上解决了数字增量式编码器的断线实时检测问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的数字增量式编码器顺时针旋转时的A相、B相、Z相的单端信号图；
图2是本发明实施例提供的数字增量式编码器逆时针旋转时的A相、B相、Z相的单端信号图；
图3是本发明实施例提供的数字增量式编码器的断线实时检测的系统框图；
图4是本发明实施例提供的数字增量式编码器的断线实时检测实施方法的详细流程图；
图5是图4中根据A相单端信号和B相单端信号保持正交脉冲的物理特性对A相单端信号和B相单端信号是否断线进行判断的详细流程图；
图6是图4中根据Z相单端信号脉冲的机械角度固定的特性对Z相单端信号是否断线进行判断的详细流程图。
具体实施方式
本发明利用数字增量式编码器A相、B相单端信号的正交性和Z相单端信号相对电机转子的机械角度固定特性，对数字增量式编码器A、B、Z信号是否断线进行快速准确的判断，从根本上解决了数字增量式编码器的断线实时检测问题。
如图1所示为数字增量式编码器顺时针旋转时的A相、B相、Z相的单端信号图。其中，A相、B相单端信号为正交脉冲信号，Z相单端信号为编码器在固定的机械角度位置产生的一个窄脉冲信号。当数字增量式编码器顺时针方向旋转时，从图中可以看出，A相、B相单端信号为正交脉冲信号，且A相单端信号超前于B相单端信号。正交脉冲信号的物理特性决定了在A相单端信号的上升沿，B相单端信号的电平必定为低；在A相单端信号的下降沿，B相单端信号的电平必定为高；在B相单端信号的上升沿，A相单端信号的电平必定为高；在B相单端信号的下降沿，A相单端信号的电平必定为低。此时，如果A相差分信号A+、A-中任何一根信号线或者两根信号线断线，那么经过差分转换之后的A相单端信号电平不会再有变化，那么在B相单端信号的上升沿和下降沿，A相单端信号的电平都是一样，这样就不符合正交脉冲信号的物理特性，说明该数字增量式编码器A相单端信号线没有连接好。同样，B相单端信号也是如此。
如图2所示为数字增量式编码器逆时针旋转时的A、B、Z的单端输入信号图。其中，A相、B相单端信号为正交脉冲信号，Z相单端信号为编码器在固定的机械角度位置产生的一个窄脉冲信号。当数字增量式编码器逆时针方向旋转时，从图中可以看出，A相、B相单端信号为正交脉冲信号，且B超前于A。正交脉冲信号的物理特性决定了在B相单端信号的上升沿，A相单端信号的电平必定为低；在B相单端信号的下降沿，A相单端信号的电平必定为高；在A相单端信号的上升沿，B相单端信号的电平必定为高；在A相单端信号的下降沿，B相单端信号的电平必定为低。此时，如果A相差分信号A+、A-中任何一根信号线或者两根信号线断线，那么经过差分转换之后的A相单端信号电平不会再有变化，那么在B相单端信号的上升沿和下降沿，A相单端信号的电平都是一样，这样就不符合正交脉冲信号的物理特性，说明该数字增量式编码器A相单端信号线没有连接好。同样，B相单端信号也是如此。
如图1和图2所示，无论编码器顺时针方向还是逆时针方向旋转，Z相单端信号都是在固定的机械角度位置产生的一个窄脉冲信号，也就是说编码器每转一圈只会产生一个Z相单端信号。那么每两个Z相单端信号上升沿之间A相单端信号或者B相单端信号的脉冲计数值必定是一样的，而且其计数值最大不会超过编码器的线数。如果计数不一样或者计数值超过编码器线数，那么说明编码器Z相单端信号线没有连接好。
本发明提供一种数字增量式编码器断线实时检测的系统，如图3所示，包括：差分信号转换单元100、AB相单端信号判断单元200、Z相单端信号判断单元300和结果输出单元400；其中：
所述差分信号转换单元100，用于将A相、B相、Z相差分信号分别转换为A相、B相、Z相单端信号；即：将差分信号A+，A-转换为单端信号A相单端信号，将差分信号B+，B-转换为单端信号B相单端信号，将差分信号Z+，Z-转换为单端信号Z相单端信号。
所述AB相单端信号判断单元200，用于根据所述A相单端信号和B相单端信号保持正交脉冲的物理特性对A相单端信号和B相单端信号是否断线进行判断；
所述Z相单端信号判断单元300，用于根据Z相单端信号脉冲的机械角度固定的特性对Z相单端信号是否断线进行判断；
所述结果输出单元400，用于根据所述AB相单端信号判断单元200和所述Z相单端信号判断单元300的判断结果输出故障状态。
进一步的实施例中，如图3所示，所述AB相单端信号判断单元200包括：
第一滤波处理单元201、正交脉冲解码单元202、信号捕捉和电平检测单元203和第一断线判断单元204：
所述第一滤波处理单元201，用于分别对A相、B相两路单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波，以便滤除掉干扰脉冲；
所述正交脉冲解码单元202，用于对A相、B相两路单端信号进行正交脉冲信号解码；
所述信号捕捉和电平检测单元203，用于捕捉A相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时B相单端信号的电平；和用于捕捉B相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时A相单端信号的电平；
所述第一断线判断单元204，用于根据顺时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；或者根据逆时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；
所述结果输出单元400，用于根据所述第一断线判断单元204的判断结果输出故障状态。
进一步的实施例中，如图3所示，所述Z相单端信号判断单元300包括：
第二滤波处理单元301、信号捕捉单元、脉冲计数单元、第一比较单元和第二比较单元：
所述第二滤波处理单元301，用于对Z相单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波；
所述信号捕捉单元302，用于捕捉Z相单端信号的上升沿；
所述脉冲计数单元303，用于在Z相单端信号的上升沿，记忆计数器的数值，然后对计数器清零，清零之后触发脉冲计数单元开始工作，对A相或者B相脉冲信号进行计数，判断计数器数值是否大于编码器线数，如果大于，直接置故障位为1，如果小于，则比较相邻两个计数器的数值，如果不等，直接置故障位为1；如果相等，则触发所述第二滤波处理单元301；
所述第二断线判断单元304，用于根据所述脉冲计数单元303的比较结果对Z相单端信号线是否断线进行判断；
所述结果输出单元400，用于根据第二断线判断单元的判断结果输出故障状态。
本发明实施例还提供一种数字增量式编码器断线实时检测的方法，如图4所示，包括：
110、将A相、B相、Z相差分信号分别转换为A相、B相、Z相单端信号；
具体为：将差分信号A+，A-转换为单端信号A相单端信号，差分信号B+，B-转换为单端信号B相单端信号，差分信号Z+，Z-转换为单端信号Z相单端信号。
120、根据所述A相单端信号和B相单端信号保持正交脉冲的物理特性对A相单端信号和B相单端信号是否断线进行判断；
130、根据Z相单端信号脉冲的机械角度固定的特性对Z相单端信号是否断线进行判断；
140、根据步骤120和步骤130的判断结果输出故障状态。
其中，在进一步的实施例中，如图5所示，该图5是图4中根据A相单端信号和B相单端信号保持正交脉冲的物理特性对A相单端信号和B相单端信号是否断线进行判断(步骤120)的详细流程图，
该步骤120进一步包括：
121、对A相、B相单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波；
122、捕捉A相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时B相单端信号的电平；
123、捕捉B相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时A相单端信号的电平；
124、对A相单端信号和B相单端信号进行正交脉冲信号解码，得到编码器旋转的方向；
125、如果顺时针方向执行步骤126，如果逆时针方向执行步骤127；
126、根据顺时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；
127、根据逆时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；
128、根据步骤126和步骤127的判断输出故障状态，如果没有故障，执行步骤121。
其中，在进一步的实施例中，如图6所示，是图4中根据Z相单端信号脉冲的机械角度固定的特性对Z相单端信号是否断线进行判断(步骤130)的详细流程图，所述步骤130进一步包括：
131、对Z相单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波；
即：对Z相单端信号进行滤波处理，滤除掉干扰脉冲。该滤波处理方法采用电平判断法，对Z相单端信号进行有效电平的判断，无效电平信号被滤除。
132、捕捉Z相单端信号的上升沿；
133、在Z相单端信号的上升沿，记忆计数器的数值，然后对计数器清零，清零之后触发脉冲计数单元开始工作，对A相或者B相脉冲信号进行计数；
134、计数器数值是否大于编码器线数，如果大于，直接置故障位为1，如果小于，执行步骤135；
135、比较相邻两个计数器的数值，如果不等，直接置故障位为1，输出故障状态；如果相等，执行步骤131；
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种数字增量式编码器断线实时检测的方法，其特征在于，包括：
(a)将A相、B相、Z相差分信号分别转换为A相、B相、Z相单端信号；
(b)根据所述A相单端信号和B相单端信号保持正交脉冲的物理特性对A相单端信号和B相单端信号是否断线进行判断；
(c)根据Z相单端信号脉冲的机械角度固定的特性对Z相单端信号是否断线进行判断；
(d)根据步骤(b)和步骤(c)的判断结果输出故障状态。
2.根据权利要求1所述的数字增量式编码器断线实时检测的方法，其特征在于，所述步骤(b)进一步包括：
(b1)对A相、B相单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波；
(b2)捕捉A相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时B相单端信号的电平；
(b3)捕捉B相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时A相单端信号的电平；
(b4)对A相单端信号和B相单端信号进行正交脉冲信号解码，得到编码器旋转的方向；
(b5)如果顺时针方向执行步骤(b6)，如果逆时针方向执行步骤(b7)；
(b6)根据顺时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；
(b7)根据逆时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；
(b8)根据步骤(b6)和步骤(b7)的判断输出故障状态，如果没有故障，执行步骤(b1)。
3.根据权利要求1所述的数字增量式编码器断线实时检测的方法，其特征在于，所述步骤(c)进一步包括：
(c1)对Z相单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波；
(c2)捕捉Z相单端信号的上升沿；
(c3)在Z相单端信号的上升沿，记忆计数器的数值，然后对计数器清零，清零之后触发脉冲计数单元开始工作，对A相或者B相脉冲信号进行计数；
(c4)计数器数值是否大于编码器线数，如果大于，直接置故障位为1，如果小于，执行步骤(c5)；
(c5)比较相邻两个计数器的数值，如果不等，直接置故障位为1；如果相等，执行步骤(c1)；
4.一种数字增量式编码器断线实时检测的系统，其特征在于，包括：差分信号转换单元、AB相单端信号判断单元、Z相单端信号判断单元和结果输出单元；其中：
所述差分信号转换单元，用于将A相、B相、Z相差分信号分别转换为A相、B相、Z相单端信号；
所述AB相单端信号判断单元，用于根据所述A相单端信号和B相单端信号保持正交脉冲的物理特性对A相单端信号和B相单端信号是否断线进行判断；
所述Z相单端信号判断单元，用于根据Z相单端信号脉冲的机械角度固定的特性对Z相单端信号是否断线进行判断；
所述结果输出单元，用于根据所述AB相单端信号判断单元和所述Z相单端信号判断单元的判断结果输出故障状态。
5.如权利要求4所述系统，其特征在于，所述AB相单端信号判断单元包括：第一滤波处理单元、正交脉冲解码单元、信号捕捉和电平检测单元和第一断线判断单元：
所述第一滤波处理单元，用于分别对A相、B相两路单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波，以便滤除掉干扰脉冲；
所述正交脉冲解码单元，用于对A相、B相两路单端信号进行正交脉冲信号解码；
所述信号捕捉和电平检测单元，用于捕捉A相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时B相单端信号的电平；和用于捕捉B相单端信号的上升沿和下降沿，以及检测此时A相单端信号的电平；
所述第一断线判断单元，用于根据顺时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；或者根据逆时针方向时信号沿和电平之间的物理关系，判断A相、B相单端信号是否有断线；
所述结果输出单元，用于根据所述第一断线判断单元的判断结果输出故障状态。
6.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述Z相单端信号判断单元包括第二滤波处理单元、信号捕捉单元、脉冲计数单元、第一比较单元和第二比较单元：
所述第二滤波处理单元，用于对Z相单端信号进行滤波处理，采用有效电平判断法进行滤波；
所述信号捕捉单元，用于捕捉Z相单端信号的上升沿；
所述脉冲计数单元，用于在Z相单端信号的上升沿，记忆计数器的数值，然后对计数器清零，清零之后触发脉冲计数单元开始工作，对A相或者B相脉冲信号进行计数；
所述第一比较单元，用于判断计数器数值是否大于编码器线数，如果大于，直接置故障位为1，如果小于，则触发第二比较单元；
所述第二比较单元，用于根据第一比较单元的触发比较相邻两个计数器的数值，如果不等，直接置故障位为1；如果相等，则触发所述第二滤波处理单元；
所述第二断线判断单元，用于根据所述第一比较单元和第二比较单元的比较结果对Z相单端信号线是否断线进行判断；
所述结果输出单元，用于根据第二断线判断单元的判断结果输出故障状态。
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