CN104201944B - 一种光纤接口的高压同步电机速度和位置检测接口电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光纤接口的高压同步电机速度和位置检测接口电路，属于电机转速检测技术领域；包括电机侧码盘编码器电光转化单元和控制系统侧光电转化及位置速度计算单元，电机侧码盘编码器电光转化单元将电信号转成光信号，光纤传输给控制系统侧光电转化及位置速度计算单元，进行光电转化后，计算出电机的转速和方向；同时和绝对式光电编码器采用SSI通信模式；产生时钟信号，接收数据信号，计算出电机的位置。优点：兼有增量式光电编码器和绝对式光电编码器两种接口，可根据情况选用；采用光纤传输码盘信号，避免了高电压大电流情况下电磁干扰对码盘传输线的影响。
Description
技术领域
本发明属于电机转速检测技术领域，具体涉及一种光纤接口的高压同步电机速度和位置检测接口电路。
背景技术
同步电机的转子位置和速度是变频调速控制系统所需获取的必要信息，其精度和准确度是控制系统品质的重要影响因素，因此速度检测和位置检测成为高压同步电机控制系统的关键环节。目前，随着光电子学和数字技术的发展，光电编码器广泛用于同步电机调速系统的位置检测和速度检测。转速是各类电机运行中的重要物理量，如何准确、快速而又方便地测量电机转速，极为重要。光电编码器测速法是目前国内外常用的转速测量方法，光电编码器安装在电机转子端轴上，随着电机的转动而转动；光电编码器把角位移或直线位移转换成电信号。按照工作原理编码器可分为增量式编码器和绝对式编码器两类。
增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再将电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
用于同步电机的光电编码器主要分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器两种。增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器的优点是：机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。和增量式光电编码器不同，绝对编码器光码盘上有许多道刻线，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码)，因此在停电等情况下，采用绝对式编码器仍然可以准确知道电机的轴位置。
在变频调速高压电机传动系统中，由于其高电压大电流的特性，一般变频器会产生功率较大的谐波，对周围其它设备具有较强的干扰能力，其干扰途径主要分传导(即电路耦合)、电磁辐射、感应耦合。安装在电机轴上的光电编码器和变频器之间传统上通过电缆相连，如果不能采取很好的电磁屏蔽措施，码盘信号将受到干扰，大大降低控制系统的品质。
发明内容
本发明的目是为了解决：安装有增量式光电编码器和绝对式光电编码器的高压电机的速度和转子位置检测的接口以及信号电磁干扰的问题，提供一种光纤接口的高压同步电机速度和位置检测接口电路；包括电机，增量式光电编码器，绝对式光电编码器，电机侧码盘编码器电光转化单元和控制系统侧光电转化及位置速度计算单元。
电机侧码盘编码器电光转化单元包括：增量式光电编码器接口电路和绝对式光电编码器接口电路；分别与增量式光电编码器和绝对式光电编码器对应连接。其中增量式光电编码器接口电路包括双端/单端转化芯片、驱动芯片和光纤发射接口芯片；绝对式光电编码器接口电路包括光纤接收芯片和单端/双端转化芯片。
控制系统侧光电转化及位置速度计算单元分为增量式光电编码器接口部分和绝对式光电编码器接口部分，采用DSP+FPGA组合方式，分别通过光纤对应连接增量式光电编码器接口电路和绝对式光电编码器接口电路。其中增量式光电编码器接口部分包括光纤接收芯片和数字信号处理器(Digital Signal Process，DSP)，绝对式光电编码器接口部分包括光纤发射接口芯片和FPGA(Field－Programmable Gate Array)。
控制系统侧光电转化及位置速度计算单元通过增量式光电编码器接口电路接收光纤信号进行光电转化后，计算出电机的转速和方向；同时经过绝对式光电编码器接口电路，和绝对式光电编码器采用SSI通信模式；产生时钟信号，接收数据信号，计算出电机的位置。
具体过程如下：
一方面：电机转动时，增量式光电编码器产生差分电信号A+信号、A-信号、B+信号、B-信号、Z+信号和Z-信号，进入增量式光电编码器接口电路，经过双端/单端转化芯片转化成单端电信号Ap信号、Bp信号和Zp信号，经过驱动芯片对应转化成电信号A信号、B信号和Z信号，分别输出给光纤发射接口芯片转化成光信号A信号、B信号和Z信号，发射给控制系统侧光电转化及位置速度计算单元的光纤接收芯片，将光信号转化成电信号，接在数字信号处理器上，通过编写混合测速程序得到电机的转速和方向。
另一方面：控制系统侧光电转化及位置速度计算单元采用DSP+FPGA组合方式，其中增量式光电编码器接口部分属于数字信号处理器(Digital Signal Process，DSP)，绝对式光电编码器接口部分属于FPGA(Field－Programmable Gate Array)；
FPGA产生同步时钟电信号，接到光纤发射接口芯片上，将电信号转化成光信号后，发射给绝对式光电编码器接口电路，经光纤接收芯片转化成CLK电信号，再经过单端/双端转化芯片转化成同步时钟信号CLK+信号和CLK-信号，经绝对式光电编码器后，产生位置的差分电信号DATA+信号和DATA-信号；经过单端/双端转化芯片成单端电信号DATAp信号；DATAp信号经过驱动芯片转化成电信号DATA信号；DATA信号接到光纤发射接口芯片芯片，转化成光信号DATA信号，经过光纤进入控制系统侧光电转化及位置速度计算单元的光纤接收芯片，转化成电信号DATA接在FPGA上，通过数据线和地址线传递给DSP，得到电机的实时位置信号。
本发明的优点在于:
1、一种光纤接口的高压同步电机速度和位置检测接口电路，采用光纤传输码盘信号，避免了高电压大电流情况下电磁干扰对码盘传输线的影响。
2、一种光纤接口的高压同步电机速度和位置检测接口电路，兼有增量式光电编码器和绝对式光电编码器两种接口，可根据情况选用。
附图说明
图1为光纤接口的高压同步电机速度和位置检测接口电路
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明由于同步电机的控制需要，同时安装了增量式光电编码器和绝对式光电编码器两种编码器。
一种光纤接口的高压同步电机速度和位置检测接口电路，如附图1所示，包括电机，增量式光电编码器，绝对式光电编码器，电机侧码盘编码器电光转化单元和控制系统侧光电转化及位置速度计算单元。
电机侧码盘编码器电光转化单元包括：增量式光电编码器接口电路和绝对式光电编码器接口电路；分别与增量式光电编码器和绝对式光电编码器对应连接。其中增量式光电编码器接口电路包括双端/单端转化芯片、驱动芯片和光纤发射接口芯片；绝对式光电编码器接口电路包括光纤接收芯片和单端/双端转化芯片。
控制系统侧光电转化及位置速度计算单元分为增量式光电编码器接口部分和绝对式光电编码器接口部分，采用DSP+FPGA组合方式，分别通过光纤对应连接增量式光电编码器接口电路和绝对式光电编码器接口电路。其中增量式光电编码器接口部分包括光纤接收芯片和数字信号处理器(Digital Signal Process，DSP)，绝对式光电编码器接口部分包括光纤发射接口芯片和FPGA(Field－Programmable Gate Array)。
控制系统侧光电转化及位置速度计算单元通过增量式光电编码器接口电路接收光纤信号进行光电转化后，计算出电机的转速和方向；同时经过绝对式光电编码器接口电路，和绝对式光电编码器采用SSI通信模式；产生时钟信号，接收数据信号，计算出电机的位置。
具体工作原理如下：
一方面：电机控制增量式光电编码器产生差分电信号，输入给增量式光电编码器接口电路的双端/单端转化芯片转化成单端电信号，经过驱动芯片转化成对应电信号，再通过光纤发射接口芯片转化成光信号，发射给控制系统侧光电转化及位置速度计算单元，光纤接收芯片将光信号转化成电信号，接在数字信号处理器上通过编写混合测速程序得到电机的转速和方向。
另一方面：控制系统侧光电转化及位置速度计算单元采用DSP+FPGA组合方式，其中DSP采用型号为TMS320F28335的芯片；FPGA采用型号为EP1C6的芯片；
FPGA根据SSI通信协议产生CLK信号，经光纤发射接口芯片转化成电信号，通过绝对式光电编码器接口电路与绝对式光电编码器进行通信，绝对式光电编码器接到时钟信号后，产生数据信号，输入给绝对式光电编码器接口电路转化成光信号，经过驱动芯片转化成电信号接到光纤发射接口芯片；将电信号转化成光信号，经过光纤传输进入控制系统侧光电转化及位置速度计算单元的光纤接收芯片，转化成电信号接在FPGA上，通过解码生成电机的位置信号，再通过数据线和地址线传递给DSP，得到电机的实时位置信号。
具体过程如下：
一方面：电机转动时，安装在电机上的增量式光电编码器产生差分电信号A+信号、A-信号、B+信号、B-信号、Z+信号和Z-信号，差分电信号进入增量式光电编码器接口电路，经过双端/单端转化芯片转化成单端电信号Ap信号、Bp信号和Zp信号，所述的双端/单端转化芯片选取AM26LS32芯片，单端电信号经过驱动芯片对应转化成电信号A信号、B信号和Z信号，驱动芯片选取芯片74245；电信号A信号、B信号和Z信号分别输出给光纤发射接口芯片转化成光信号A信号、B信号和Z信号，经过光纤发射给控制系统侧光电转化及位置速度计算单元；光纤发射接口芯片优选芯片1521。
控制系统侧光电转化及位置速度计算单元的光纤接收芯片接收到光信号A信号、B信号和Z信号后，将光信号转化成电信号，接在数字信号处理器DSP上。光纤接收芯片优选2521芯片。
另一方面：电机转动时，安装在电机上的绝对式光电编码器需要外部输入时钟信号CLK+信号和CLK-信号才能产生电机的位置信号DATA+信号和DATA-信号。
FPGA根据SSI通信协议，首先绝对式光电编码器接口部分采用ALTERA公司的EP1C6芯片产生同步时钟电信号CLK信号，接到光纤发射接口芯片1521上，将电信号CLK信号转化成光信号CLK信号，经过光纤传输后，发射给绝对式光电编码器接口电路，经光纤接收芯片2521芯片转化成CLK电信号，再经过单端/双端转化芯片转化成同步时钟信号CLK+信号和CLK-信号，单端/双端转化芯片选取芯片DS89C21；同步时钟信号CLK+信号和CLK-信号经绝对式光电编码器后，产生位置的差分电信号DATA+信号和DATA-信号；经过单端/双端转化芯片成单端电信号DATAp信号；DATAp信号经过驱动芯片74245转化成电信号DATA信号；DATA信号接到光纤发射接口芯片1521芯片；转化成光信号DATA信号，经过光纤传输到控制系统侧光电转化及位置速度计算单元的光纤接收芯片2521芯片，转化成电信号DATA信号接在EP1C6芯片上；EP1C6芯片通过数据线和地址线传递给TMS320F28335芯片，得到电机的实时位置信号。
电机侧码盘编码器电光转化单元将绝对式光电编码器、增量式光电编码器的电信号转化成光信号，通过光纤将信号传输给控制系统侧光电转化及位置速度计算单元的DSP和FPGA协同处理，得到电机的转速、方向以及位置信号，解决安装有增量式光电编码器和绝对式光电编码器的高压电机的速度和转子位置检测的接口以及信号电磁干扰的问题。
Claims (3)
1.一种光纤接口的高压同步电机速度和位置检测接口电路，包括电机，增量式光电编码器与绝对式光电编码器，其特征在于：还包括电机侧码盘编码器电光转化单元和控制系统侧光电转化及位置速度计算单元；
电机侧码盘编码器电光转化单元包括：增量式光电编码器接口电路和绝对式光电编码器接口电路；分别与增量式光电编码器和绝对式光电编码器对应连接；其中增量式光电编码器接口电路包括双端/单端转化芯片、驱动芯片和光纤发射接口芯片；绝对式光电编码器接口电路包括光纤接收芯片和单端/双端转化芯片；
控制系统侧光电转化及位置速度计算单元分为增量式光电编码器接口部分和绝对式光电编码器接口部分，分别通过光纤对应连接增量式光电编码器接口电路和绝对式光电编码器接口电路；其中增量式光电编码器接口部分包括光纤接收芯片和数字信号处理器(Digital Signal Process，DSP)，绝对式光电编码器接口部分包括光纤发射接口芯片和FPGA(Field－Programmable Gate Array)；
增量式光电编码器接口部分通过增量式光电编码器接口电路接收光纤信号进行光电转化后，计算出电机的转速和方向；同时绝对式光电编码器接口部分经过绝对式光电编码器接口电路，和绝对式光电编码器采用SSI通信模式；产生时钟信号，接收数据信号，计算出电机的位置；
所述的电机侧码盘编码器电光转化单元和控制系统侧光电转化及位置速度计算单元之间的信息传递过程如下：
一方面：电机转动时，增量式光电编码器产生差分电信号A+信号、A-信号、B+信号、B-信号、Z+信号和Z-信号，进入增量式光电编码器接口电路，经过双端/单端转化芯片转化成单端电信号Ap信号、Bp信号和Zp信号，经过驱动芯片对应转化成电信号A信号、B信号和Z信号，分别输出给3个光纤发射接口芯片转化成对应的光信号，再发射给控制系统侧光电转化及位置速度计算单元上的3个光纤接收芯片后，将光信号转化成对应的电信号，接在增量式光电编码器接口部分的数字信号处理器上，由数字信号处理器进行处理得到电机的转速和方向；
另一方面：绝对式光电编码器接口部分产生同步时钟电信号，接到光纤发射接口芯片上，将电信号转化成光信号后，发射给绝对式光电编码器接口电路，经光纤接收芯片转化成CLK电信号，再经过单端/双端转化芯片转化成同步时钟信号CLK+信号和CLK-信号，经绝对式光电编码器后，产生位置的差分电信号DATA+信号和DATA-信号；经过单端/双端转化芯片成单端电信号DATAp信号；经过驱动芯片转化成电信号接到光纤发射接口芯片；将电信号转化成光信号，经过光纤传输发射进入控制系统侧光电转化及位置速度计算单元上的光纤接收芯片，转化成电信号DATA信号接在绝对式光电编码器接口部分上，解码成电机位置信号，通过数据线和地址线传递给增量式光电编码器接口部分，得到电机的实时位置信号。
2.如权利要求1所述的一种光纤接口的高压同步电机速度和位置检测接口电路，其特征在于：所述的电机侧码盘编码器电光转化单元和控制系统侧光电转化及位置速度计算单元之间通过光纤传输信号。
3.如权利要求1所述的一种光纤接口的高压同步电机速度和位置检测接口电路，其特征在于：所述的增量式光电编码器接口电路中的双端/单端转化芯片采用AM26LS32芯片；绝对式光电编码器接口电路的单端/双端转化芯片选取芯片DS89C21；增量式光电编码器接口部分中数字信号处理器采用TMS320F28335芯片；绝对式光电编码器接口部分中FPGA采用EP1C6芯片。
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