CN103759747B - 基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置，包括顺序连接的上位机、驱动器模块、光纤和收发模块、编码器和电机。方法包括：上位机控制驱动器模块发送命令字，第一编码器光电适配电路将电信号转换为光信号经光纤发送至第二编码器光电适配电路；由其将光信号转换为电信号输出至编码器；编码器根据电信号将编码器参数发送至第二编码器光电适配电路进行将电信号转换为光信号，经光纤发送至第一编码器光电适配电路，由其进行光电转换输出至驱动器模块反馈至上位机，完成位置检测。本发明只用一根光纤实现驱动器与编码器间的双向高速通信，提高编码器串行通信的可靠性、实时性、传输速率及传输距离，减少光纤数量，节约布线成本。

Description

基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种应用单光纤双向通信技术的电机转子绝对位置检测方法和装置，可应用于机器人和工业现场的电动伺服系统。

背景技术

现代制造业的电驱动伺服单元应用愈加广泛。无论是旋转运动系统，还是直线运动系统，均需要一定精度的位置检测装置反馈执行器实时位置信息。使用金属线介质传输信息不仅在带宽上受到限制，而且在大型设备中，长传输线通常会对通信的信号完整性和电磁兼容工作带来挑战。

在机器人等复杂设备中，功率线缆与信号线缆并行、交叉，穿行于金属腔体内部，不同的电机在同时工作时，会发生功率线对信号线干扰、信号线之间互扰，以致通信错误，伺服单元无法工作的情况。

现有的部分光纤位置反馈方案多采用收、发各用一条光路，共需两条光纤完成。由于光通信的收发器和光纤的成本较高，并且双纤并排时线缆的弯折受到一定的限制，使得其推广应用受到了限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实时性强、可靠性高、传输速率高、传输距离远、成本低、抗干扰性强的应用单光纤双向技术的电机转子绝对位置检测方法和装置。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置，包括顺序连接的上位机、驱动器模块、光纤和收发模块、编码器和电机。

所述光纤和收发模块包括通过光纤连接的两个编码器光电适配电路，第一编码器光电适配电路和第二编码器光电适配电路分别与驱动器模块、编码器连接。

所述编码器光电适配电路采用光纤驱动模块，差分驱动器、差分接收器和串口通信芯片；光纤驱动模块的光纤端口连接光纤，发送信号端与差分驱动器的输出端连接，差分驱动器的输入端与串口通信芯片的接收器输出端相连，光纤驱动模块的接收信号端与差分接收器的输入端相连，差分接收器的输出端与串口通信芯片的驱动器输入端相连，串口通信芯片的A、B输出端通过总线与驱动器模块的输入端或者编码器连接。

所述编码器光电适配电路还包括比较器，所述比较器的第一运算放大器的正向输入端与光纤驱动模块的信号检测端相连，反向输入端分别通过分压电阻R15、电阻R16连接电源和地；第一运算放大器输出端与比较器的第二运算放大器的输入端、串口通信芯片的接收器使能端相连，第二运算放大器的反向输入端分别通过分压电阻R17、电阻R18连接电源和地，输出端与串口通信芯片的驱动器使能端相连；所述第一运算放大器和第二运算放大器的输出端分别通过上拉电阻R17、上拉电阻R22与电源连接。

所述光纤驱动模块的发送信号端与差分驱动器U1的输出端之间、以及接收信号端与差分接收器的输入端之间连有电容、还通过上拉电阻连接电源、通过电阻接地；所述光纤驱动模块的信号检测端还通过上拉电阻R21连接电源、通过电阻R13接地。

基于单芯双向技术的电机绝对位置检测方法，包括以下步骤：

上位机控制驱动器模块发送含有命令字的电信号，第一编码器光电适配电路将电信号转换为光信号经光纤发送至第二编码器光电适配电路；第二编码器光电适配电路将光信号转换为电信号，经总线输出至编码器；

编码器中的CPU根据电信号的内容将含有编码器参数的电信号进行发送，第二编码器光电适配电路将电信号转换为光信号，经光纤发送至第一编码器光电适配电路；第一编码器光电适配电路将光信号转换为电信号输出至驱动器模块、由驱动器模块反馈至上位机，完成电机转子位置的检测。

所述将电信号转换为光信号包括以下步骤：

光纤驱动模块的光纤接口无光信号，其信号检测端输出检测信号控制比较器的输出端输出低电平，使串口通信芯片接收数据；

串口通信芯片将通过总线接收到的电信号输出至差分驱动器，由差分驱动器进行电平转换输出至光纤驱动模块，光纤驱动模块将电平信号转换为光信号。

所述将光信号转换为电信号包括以下步骤：

光纤驱动模块接收到光信号并进行光电转换，其信号检测端输出检测信号控制比较器的输出端输出高电平，触发串口通信芯片进行数据发送；同时其接收信号端输出电平信号至差分接收器进行电平转换，串口通信芯片将差分接收器输出的电平信号通过总线输出。

所述编码器中的CPU根据电信号的内容将含有编码器参数的电信号进行发送具体为：

编码器中的CPU根据电信号的命令字内容，将电机转动角度、圈数及编码器工作状态以数据包的形式进行发送。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明只用一根光纤实现驱动器与电机编码器之间的双向高速通信，可以提高编码器串行通信的可靠性、实时性、传输速率及传输距离，减少光纤数量，节约布线成本。

2.本发明能够抗干扰，尤其适用于机器人等复杂电磁环境的场合。

3.本发明的编码器光电适配电路，能够实现光信号和电信号的转换，同时解决了信号在传输时的自收自发问题。

附图说明

图1为本发明的装置结构连接示意图；

图2为本发明的光纤和收发模块电路框图；

图3为编码器光电适配电路图；

图4为混合式多圈绝对式光电编码器原理图；

图5为光纤驱动模块内单纤双向波分复用透镜内光路原理图；

图6为编码器串行发送数据时的帧格式示意图；

图7为本发明的方法原理流程图；

图8为经光电转换还原为电信号的实测通信NRZ波形图；

图9为电机电角度数值波形图；

图10为电机运行时三相电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本装置包括顺序连接的上位机1、驱动器模块2、第一编码器光电适配电路3、光纤5、第二编码器光电适配电路4、编码器7和电机8；驱动器模块2用于接收上位机1的命令控制电机8转动以及接收编码器7的反馈信号反馈至上位机1。

如图2所示，编码器光电适配电路包括485芯片、差分驱动器、差分接收器和光纤驱动模块。本发明中的编码器光电转换适配电路，采用专用485芯片收发编码器的差分电信号，差分驱动器将原始信号滤波、整型、电平转换后给入光纤驱动模块，光纤驱动模块驱动光电激光管发射光纤信号，其频率为f₁。当与之对应的光纤驱动模块接收到频率为f₂(f₁≠f₂)的光信号时，该光纤驱动模块中产生信号SD，利用信号SD实现对485芯片的发送禁止控制，可以避免信号在传输过程中的自收自发现象，同时，从光纤接收的信号经差分接收器处理转换后，通过485芯片发送给编码器，完成通信过程，这样就使得单纤双向通信能够应用于复合编码器位置检测装置之中。

如图3所示，编码器光电转换适配电路是由光纤驱动模块U2、型号AM26LS31的差分线性驱动器U1、型号为AM26LS32的差分线性接收器U4、型号为LM393的比较器（U5A、U5B）、MAX485的485通信专用芯片U3，以及电阻、电容和稳压二极管组成的适配电路。

其中，光纤驱动模块内部设有发光二极管及其驱动电路、光敏二极管和透镜，并且能够直接连接光纤，将光信号转换为电信号（PECL电平）从光纤驱动模块的输出端输出。

如图5所示，本发明中采用波分复用式单芯双向技术，在单芯双向传输系统中，在同一根光纤中同时传输两路相反方向的光信号，光纤驱动模块内部的光波分模块分别采用往返波长为1310nm和1550nm的器件。光纤驱动模块内部的分光透镜电路，对往返的两个光载波进行合成和分离的处理，以此实现光信号的双向传输，模块一中发送信号是波长为1310nm的光，接收信号是波长为1550nm的光，模块二中发送信号是波长为1550nm的光，接收信号是波长为1310nm的光。其优点是使光纤的带宽特性得到充分应用，提高了光纤利用率。

本发明中使用包含分光透镜电路的光纤驱动模块型号分别为TTR-B1303-20和FTTR-B15303-20，在与驱动器模块2连接的第一编码器光电适配电路3中采用TTR-B1303-20(包含模块一)，在与编码器7连接的第二编码器光电适配电路4中采用FTTR-B15303-20(包含模块二)。

如图3所示，光纤驱动模块U2的发送信号端依次对应TD+和TD-与差分线性驱动器U1的输出端1Y和1Z相连，差分线驱动器U1的输入端1A与485通信芯片U3的接收器输出端RO相连，光纤驱动模块U2的接收信号端依次对应RD+和RD-与差分线接收器U4的输入端1A和1B相连，差分线接收器U4的输出端1Y与485通信芯片U3的驱动器输入端DI相连，485通信芯片的A、B端接入NRZ信号或者驱动器模块的命令字信号，比较器U5A的输入端3与光纤驱动模块U2的信号检测端SD相连，比较器U5A的输入端2与分压电阻R15、R16相连，比较器U5A的输出端7与比较器U5B的输入端5和485通信芯片的接收器使能端RE相连，比较器U5B的输入端6与分压电阻R17、R18相连，比较器U5B的输出端7与485通信芯片的驱动器使能端DE相连。由于LM393为OC门输出，为保证能够正常输出高电平，比较器的输出端1和7处加上拉电阻R14和R22。电路中的C3、C5、C7、C9、C10、C11、R2、R3、R4、R5、R9、R11、R13、R19、R20和R21组成的无源组容网络电路目的是将信号变为光纤模块可接收和发送的PECL电平信号。电路中C4、C6、C8和C12为去耦电容。电路中D2和D3为稳压二极管，作用是保护485通信电路，电阻R7为阻抗匹配电阻。

本发明的工作过程为：首先由电机驱动器向编码器发送命令字，信号通过编码器光电收发模块7和光纤5发送到编码器7，编码器7根据收得的命令字发送相应的轴位置和多圈数据信号，该信号通过光纤和编码器光电收发模块，返回给驱动器模块。

由驱动器模块应用公式1，可以计算转子机械角度θ_M。

${\mathrm{\θ}}_M=\frac{Q_{\mathrm{count}}+Q_{\mathrm{bias}}}{2^n}---\left(1\right)$

其中：Q_count为编码器返回计数，Q_bias为安装偏移量，n为编码器位数

再由驱动器模块应用公式2，进行M法计算电机转速S_M,进而对电机进行转速伺服控制。

$S_M=\frac{60*Q_{\mathrm{count}}*F_s}{2^n}---\left(2\right)$

其中：F_s为速度采样频率。

如图4所示，本发明中采用混合式多圈绝对式光电编码器，将其看成是一个单圈绝对式光电编码器和一个增量式磁性编码器的组合。其中光电编码器在单转内实现高分辨率、高精度的绝对位置检测，输出信号为NRZ形式信号。而磁性编码器用来检测多圈转数。该编码器采用大规模集成电路和专用CPU将多圈数据、单圈数据及状态信息组合，一同使用数据线传出。编码器外接+3.6V备用电源，当系统在运行中突然掉电时，可以实现对轴位置和多圈转数的保存。具有单圈内具有17位的分辨率，可达到的最小分度为0.0027角度。多圈计数容量为16位，最多可计数65535圈，可以满足绝大多数的伺服工控系统的要求。除此之外他还具有状态检测和故障报警功能。编码器串行波特率最高可达5Mbps，可以几十微秒内完成一次通讯，可以满足电伺服驱动器的要求。

一种应用单光纤双向技术的电机转子绝对位置检测方法，包括以下步骤：

a、由电机驱动器1向编码器发送命令字，命令字格式帧如图6所示。实际使用中如果不是每个周期都需要多圈信息的话，驱动器1可改变命令字，编码器7可以返回部分帧数据，本实例中需要多圈信息。

b、包含命令字信息的信号经过485芯片转换和处理后，发送至差分驱动器，信号通过光纤驱动模块进入光纤5中。在模块一中，发送信号波长为1310nm，接收信号波长为1550nm，信号发送至光纤驱动模块中，模块二中的发送与接收信号波长与模块一中相反。通过分光透镜电路，对往返的两个光载波进行合成和分离的处理。光纤驱动模块接收的信号经过差分接收器的滤波、整型、电平转换后给入485芯片，该信号发送至编码器7。

c、编码器7接收到命令字，发送包含电机轴位置和多圈数据的信息的NRZ信号到485芯片。

d、信号经485芯片转换和处理后，发送至差分驱动器，信号通过光纤驱动模块进入光纤中，光纤驱动模块将接收的信号发送至差分接收器，信号经过滤波、整型、电平转换后给入485芯片，发送至电机驱动器模块2。

本发明的工作流程如图7所示：当线路中没信号发送或接收时，光纤模块的SD引脚处于2.5V隐性电位。比较器U5A的反向输入端2分压值为3.4V，大于2.5V，U5A的1脚输出低电平。相连的U5B的输出引脚7输出低电平，此时485芯片RE脚低电平，处于接收使能状态，能够接收到485总线上的电信号。

当驱动器需要得到电机转子位置时，由驱动器通信单元向485总线发送信号。与之连接的光纤和收发模块7中的485芯片的A、B脚接收到串行信号后，将信号整形调理为TTL电平，经485芯片的RO脚给到差分线驱动器U1，再由U1的输出引脚1Y和1Z将差分信号给出，经电路中的无源阻容网络后，信号变为光纤驱动模块可接收的PECL电平信号。光纤驱动模块驱动内部的激光LED，产生光信号，经内部透镜融合通过光纤头送入光纤传输。

当光信号到达与编码器相连的另一光纤适配电路中的光纤驱动模块时，经内部分光透镜将信号送到内部光敏LED处，产生相应的电信号。在光纤驱动模块上内的专用放大器和专用逻辑电路，将信号放大并产生信号检测（SD）信号，由引脚RD+、RD-和SD以PECL电平形式由光纤模块的输出。经电路中的无源阻容网络后，信号进入差分线接收器U4，再由1Y脚将信号输出到485芯片的DI脚。

与此同时，与光纤模块SD脚相连的比较器U5A的正向输入端分值跳变为4V，大于反向输入端的3.4V，输出引脚1输出高电平，相连的U5B的输出引脚7输出高电平，此时485芯片DE脚为高电平，处于发送使能状态。485芯片驱动A、B脚，输出与DI脚输入相应的差分信号到编码器。

编码器接收到从驱动器发送来的命令字后，由编码器中的CPU根据命令字将相应的寄存器值（角度、圈数等）及编码器工作状态打包发送回485总线，之后的电光转换和光电转换过程与上述相似，驱动器收到编码器发送来的位置信号，完成伺服功能。

如图8所示，通过与第一、第二编码器光电适配电路4连接的示波器进行监测，驱动器1发送的频率为2.5MHZ的信号经10m光纤传输后，经光电转换还原为电信号的实测通信波形，从图中得知，长时间工作系统状态良好，没有误码情况发生。该检测装置测得的电机三相电流波形如图10所示，测得的电机角度数值波形如图9所示。

Claims (5)

1.基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置，其特征在于：包括顺序连接的上位机(1)、驱动器模块(2)、光纤和收发模块(6)、编码器(7)和电机(8)；

所述光纤和收发模块(6)包括通过光纤(5)连接的两个编码器光电适配电路(3、4)，第一编码器光电适配电路(3)与驱动器模块(2)连接，第二编码器光电适配电路(4)与编码器(7)连接；

所述编码器光电适配电路(3、4)采用光纤驱动模块(U2)，差分驱动器(U1)、差分接收器(U4)和串口通信芯片(U3)；光纤驱动模块(U2)的光纤端口连接光纤(5)，发送信号端(TD+、TD-)与差分驱动器(U1)的输出端(1Y、1Z)连接，差分驱动器(U1)的输入端(1A)与串口通信芯片(U3)的接收器输出端(RO)相连，光纤驱动模块(U2)的接收信号端(RD+、RD-)与差分接收器(U4)的输入端(1A、1B)相连，差分接收器(U4)的输出端(1Y)与串口通信芯片(U3)的驱动器输入端(DI)相连，串口通信芯片(U3)的A、B输出端通过总线与驱动器模块(2)的输入端或者编码器(7)连接；

所述光纤驱动模块(U2)的发送信号端(TD+、TD-)与差分驱动器U1的输出端(1Y、1Z)之间、以及接收信号端(RD+、RD-)与差分接收器(U4)的输入端(1A、1B)之间连有电容、还通过上拉电阻连接电源、通过电阻接地；所述光纤驱动模块(U2)的信号检测端(SD)还通过上拉电阻R21连接电源、通过电阻R13接地。

2.根据权利要求1所述的基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置，其特征在于：所述编码器光电适配电路(3、4)还包括比较器(U5A、U5B)，所述比较器的第一运算放大器(U5A)的正向输入端与光纤驱动模块(U2)的信号检测端(SD)相连，反向输入端分别通过分压电阻R15、电阻R16连接电源和地；第一运算放大器(U5A)输出端与比较器的第二运算放大器(U5B)的输入端、串口通信芯片(U3)的接收器使能端(RE)相连，第二运算放大器(U5B)的反向输入端分别通过分压电阻R17、电阻R18连接电源和地，输出端与串口通信芯片(U3)的驱动器使能端(DE)相连；所述第一运算放大器(U5A)和第二运算放大器(U5B)的输出端分别通过上拉电阻R17、上拉电阻R22与电源连接。

3.基于单芯双向技术的电机绝对位置检测方法，其特征在于包括以下步骤：

上位机(1)控制驱动器模块(2)发送含有命令字的电信号，第一编码器光电适配电路(3)将电信号转换为光信号经光纤(5)发送至第二编码器光电适配电路(4)；第二编码器光电适配电路(4)将光信号转换为电信号，经总线输出至编码器(7)；

编码器(7)中的CPU根据电信号的内容将含有编码器参数的电信号进行发送，第二编码器光电适配电路(4)将电信号转换为光信号，经光纤(5)发送至第一编码器光电适配电路(4)；第一编码器光电适配电路(3)将光信号转换为电信号输出至驱动器模块(2)、由驱动器模块(2)反馈至上位机(1)，完成电机转子位置的检测；

所述编码器(7)中的CPU根据电信号的内容将含有编码器参数的电信号进行发送具体为：编码器(7)中的CPU根据电信号的命令字内容，将电机(8)的转动角度、圈数以数据包的形式进行发送。

4.根据权利要求3所述的基于单芯双向技术的电机绝对位置检测方法，其特征在于：所述将电信号转换为光信号包括以下步骤：

光纤驱动模块(U2)的光纤接口无光信号，其信号检测端(SD)输出检测信号控制比较器(U5A、U5B)的输出端输出低电平，使串口通信芯片(U3)接收数据；

串口通信芯片(U3)将通过总线接收到的电信号输出至差分驱动器(U1)，由差分驱动器(U1)进行电平转换输出至光纤驱动模块(U2)，光纤驱动模块(U2)将电平信号转换为光信号。

5.根据权利要求3所述的基于单芯双向技术的电机绝对位置检测方法，其特征在于：所述将光信号转换为电信号包括以下步骤：

光纤驱动模块(U2)接收到光信号并进行光电转换，其信号检测端(SD)输出检测信号控制比较器(U5A、U5B)的输出端输出高电平，触发串口通信芯片(U3)进行数据发送；同时其接收信号端(RD+、RD-)输出电平信号至差分接收器(U4)进行电平转换，串口通信芯片(U3)将差分接收器(U4)输出的电平信号通过总线输出。