CN104316085B - 基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器 - Google Patents

基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器 Download PDF

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Abstract

一种基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，该编码器包括检测部分、控制与传输部分；检测部分采用双速感应同步机，控制与传输部分包括DC/DC电源电路、激磁信号产生电路、低频滤波与功率放大电路、微信号调理电路、正余弦‑数字信号转换电路和微处理器系统；外部输入+5V电源信号后，通过DC/DC电源电路转换出三路电源信号供后级系统工作，旋转编码器内部微处理器系统输出原始激磁信号，通过激磁电流‑电压信号转换电路、低频滤波与功率放大电路后生成激磁信号，供给双速感应同步机；通过微处理器系统处理后实现角度输出。本发明不但分辨率高，精度高，而且可靠性好，适应性强。满足对可靠性要求更高的场合领域要求。

Description

基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器
技术领域
本发明是属于机电一体化、传感器测量技术领域，特别是一种基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器。
背景技术
旋转编码器是用来检测角度、位置、速度和加速度的传感器，适用于各种自动化控制系统，主要应用于电梯、数控机床、机械、电力、水利、轨道交通、风电、雷达、卫星等领域。
旋转编码器分为绝对值和增量式两种，因为绝对值旋转编码器可以测量系统的绝对位置，不受是否带电等因素影响，所以在各行业中得到了越来越多的应用。而常见的绝对值旋转编码器是基于光学码盘和感光读数系统的光电式绝对值旋转编码器，具有分辨率高、精度高等特点。但是现有的光电式旋转编码器中的光学码盘多数采用光学玻璃制作，而感光读数系统也属敏感器件，所以造成了光电式旋转编码器可靠性差，适应性不强，不利在对可靠性要求较高的行业领域中推广应用。
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，提出一种基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，它能实现测量的角度信号输出，且分辨率高，精度高，可靠性强，适应性好。
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。本发明是一种基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，其特点是：该旋转编码器包括检测部分、控制与传输部分；检测部分采用双速感应同步机，控制和传输部分包括DC/DC电源电路，激磁信号产生电路，低频滤波与功率放大电路，微信号调理电路，正余弦-数字信号转换电路，微处理器系统。外部输入+5V电源信号后，通过DC/DC电源电路转换出三路电源信号供后级系统工作，绝对值旋转编码器内部微处理器系统输出原始激磁信号，通过激磁电流-电压信号转换电路、低频滤波与功率放大电路后生成激磁信号，供给双速感应同步机。绝对值旋转编码器轴系跟随外部系统旋转，生成对应角度信息的正余弦信号，经过微信号调理电路、正余弦-数字信号转换电路生成角度数字信号，通过微处理器系统处理后实现角度输出。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方法方案来进一步实现的。以上所述的基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，其特点是：该旋转编码器呈一体化机电结构，采用全空心结构，两侧留有支架，可用于柔性定位，空心轴部分有定位孔作为转轴固定，外部连接线采用侧面出线；内部通过限位台阶和限位螺钉对电路板进行固定。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方法方案来进一步实现的。以上所述的基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，其特点是：所述的双速感应同步机在外壳上固定定子，在转轴上固定转子，采用连续式绕组激磁输入，分段式绕组鉴幅输出，使用滑环作为电气接触，通过定子基板引出粗精两通道正余弦信号线，通过转子基板引出激磁信号线，两类引线分两侧引出，粗精两个通道速比为1：90～360；该旋转编码器实现输出16～24位分辨率角度数字信号，转换精度达到5″～20″。
当转子激磁绕组通过正弦激磁信号U＝Umsin wt，粗、精通道的定子分段绕组感应出感应电动势，通过函数变压器对粗、精通道定子正弦绕组和余弦绕组输出的电动势进行变换运算后产生最终的信号输出式中：
UCS——粗通道输出的正弦信号；
UCC——粗通道输出的余弦信号；
UFS——精通道输出的正弦信号；
UFC——精通道输出的余弦信号；
K——激磁电压与输出信号电压的变比；
KP——精通道速比；
w＝2πf——激磁信号角频率；
Um——激磁信号幅值；
θ——旋转角度；
——函数变压器已知变量。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方法方案来进一步实现的。以上所述的基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，其特点是：其中DC/DC电源电路采用多路DC转换，外部输入+5V电源信号时，内部通过多路转换产生+5V、-5V、+3.3V三路DC电源。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方法方案来进一步实现的。以上所述的基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，其特点是：激磁信号产生和电流-电压信号转换电路通过使用定时器和预设波形数值查表来控制DA寄存器存入数据，进而通过DA输出分段台阶式正弦电流激磁信号，其中t＝n/f，t为定时器定时时间，f为输出的激磁信号频率，n为预设波形数值表数据个数。电流-电压信号转换电路将分段台阶式电流信号通过采样变换输出分段台阶式正弦电压信号。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方法方案来进一步实现的。以上所述的基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，其特点是：低频滤波与功率放大电路处理分段台阶正弦电压信号，通过二阶低通滤波，截止频率设置为10kHz，滤除高频干扰。将信号进行偏置放大得到一路激磁信号URH，为防止两路激磁信号URH和URL之间不同步产生较大相位差，另一路激磁信号URL通过对URH进行隔直反向运算得到。这样实现连续式正弦电压激磁信号URH-RL＝Umsin wt。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方法方案来进一步实现的。以上所述的基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，其特点是：微信号调理电路采用两级放大运算，第一级运算放大667倍，第二级运算放大3倍，两级放大2000倍将粗、精通道的正余弦信号放大可处理信号。信号后级使用二阶带通滤波器滤除低频和高频的噪音、杂波干扰。正余弦-数字信号转换电路采用粗精通道两路R/D转换，将粗通道正余弦信号CS1～CS4转换为10位数字角度信号，将精通道正余弦信号FS1～FS4转换为12位数字角度信号。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方法方案来进一步实现的。以上所述的基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，其特点是：正余弦-数字信号转换电路，粗通道采用10位分辨率，跟踪速度采用800rps，带宽采用1000Hz，将粗通道正余弦信号CS1～CS4转换为10位数字角度信号。精通道采用12位分辨率，跟踪速度采用500rps，带宽采用1000Hz，将精通道正余弦信号FS1～FS4转换为12位数字角度信号。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方法方案来进一步实现的。以上所述的基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，其特点是：微处理器系统包括系统监控电路和系统软件部分。系统监控电路监控系统电源状态和微处理器工作状态，当系统电压降至安全电压以下或微处理器工作异常时进行系统保护和复位。系统软件部分包括粗精通道数据数据采集，数据纠错组合、误差修正，通讯协议输出等。微处理器通过总线控制读取粗精两通道数据，其中粗通道10位分辨率数据，精通道12位分辨率数据。取粗通道数据的低4位和精通道数据的高4位进行象限区分和纠错补偿处理，通过组合纠错补偿后得到16位角度位置数据。当外部控制设备在向旋转编码器通信取数时，微处理器通过接口协议配置向外传输16位角度位置数据。
与现有光电式绝对值旋转编码器相比，本发明的显著优点为不但分辨率高，精度高，而且可靠性好，适应性强。满足对可靠性要求更高的场合领域要求。本发明创新采用基于双速感应同步机的一体化机电设计，增加了旋转编码器的产品种类，本发明的旋转编码器分辨率达到16～24位，检测角精度达到5″～20″，两项指标均达到和更优于当前的中高端光电式绝对值旋转编码器，同时由于检测部分采用双速感应同步机的绕组电动势感应原理，所以在可靠性方面比光电式更优，在振动、冲击、油污、灰尘、湿热等环境中亦有很好的适应性。可以满足港口、石油勘探、化工、冶金、特种机械等对可靠性和环境适应性要求较高的场合和领域。
附图说明
图1是总体原理框图；
图2是旋转编码器的外形示意图；
图3是旋转编码器的结构示意图；
图4是激磁信号产生电路；
图5是低频滤波与功率放大电路；
图6是微信号调理电路；
图7是软件流程框图。
具体实施方式
以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1，参照图1-7，一种基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，该编码器包括检测部分、控制与传输部分；检测部分采用双速感应同步机，控制与传输部分包括DC/DC电源电路、激磁信号产生电路、低频滤波与功率放大电路、微信号调理电路、正余弦-数字信号转换电路和微处理器系统；外部输入+5V电源信号后，通过DC/DC电源电路转换出三路电源信号供后级系统工作，旋转编码器内部微处理器系统输出原始激磁信号，通过激磁电流-电压信号转换电路、低频滤波与功率放大电路后生成激磁信号，供给双速感应同步机；旋转编码器轴系跟随外部系统旋转，生成对应角度信息的正余弦信号，经过微信号调理电路、正余弦-数字信号转换电路生成角度数字信号，通过微处理器系统处理后实现角度输出。
实施例2，参照图2－3，实施例1所述的旋转编码器：该旋转编码器呈一体化机电结构，采用全空心结构，两侧留有支架1，可用于柔性定位，空心轴部分有定位孔2作为转轴固定，外部连接线3采用侧面出线；内部通过限位台阶和限位螺钉4对电路板5进行固定。
实施例3，参照图2－3，实施例1或2所述的旋转编码器：所述的双速感应同步机在外壳上固定定子6，在转轴上固定转子7，采用连续式绕组激磁输入，分段式绕组鉴幅输出，使用滑环作为电气接触，通过定子基板引出粗精两通道正余弦信号线8，通过转子基板引出激磁信号线9，两类引线分两侧引出，粗精两个通道速比为1：90；该旋转编码器实现输出16位分辨率角度数字信号，转换精度达到20″。
实施例4，参照图2－3，实施例1或2所述的旋转编码器：所述的双速感应同步机在外壳上固定定子6，在转轴上固定转子7，采用连续式绕组激磁输入，分段式绕组鉴幅输出，使用滑环作为电气接触，通过定子基板引出粗精两通道正余弦信号线8，通过转子基板引出激磁信号线9，两类引线分两侧引出，粗精两个通道速比为1：360；该旋转编码器实现输出24位分辨率角度数字信号，转换精度达到5″。
实施例5，参照图4，实施例1或2或3或4所述的旋转编码器：所述的激磁信号产生电路通过使用定时器和预设波形数值查表来控制DA寄存器存入数据，进而通过DA输出分段台阶式正弦电流激磁信号；其中t＝n/f，t为定时器定时时间，f为输出的激磁信号频率，n为预设波形数值表数据个数；后级电流-电压信号转换电路将分段台阶式电流信号通过采样变换输出分段台阶式正弦电压信号。
实施例6，实施例1－5任何一项所述的旋转编码器：其中DC/DC电源电路采用多路DC转换，外部输入+5V电源信号时，内部通过多路转换产生+5V、-5V、+3.3V三路DC电源。
实施例7，参照图5，实施例1－6任何一项所述的旋转编码器：所述的低频滤波与功率放大电路处理分段台阶正弦电压信号，通过二阶低通滤波，截止频率可设置为10kHz，滤除高频干扰。将信号进行偏置放大得到一路激磁信号URH，为防止两路激磁信号URH和URL之间不同步产生较大相位差，另一路激磁信号URL通过对URH进行隔直反向运算得到。这样实现连续式正弦电压激磁信号URH-RL＝Umsin wt。
实施例8，参照图6，实施例1－7任何一项所述的旋转编码器：所述的微信号调理电路，采用两级放大运算，第一级运算放大667倍，第二级运算放大3倍，两级放大2000倍将粗、精通道的正余弦信号放大为可处理信号；信号后级使用二阶带通滤波器滤除低频和高频的噪音、杂波干扰；可通过频率设置为4.5kHz至5.5kHz；正余弦-数字信号转换电路，采用两路R/D转换，将粗通道正余弦信号CS1～CS4转换为10位数字角度信号，将精通道正余弦信号FS1～FS4转换为12位数字角度信号。
实施例9，实施例1－8任何一项所述的旋转编码器：正余弦-数字信号转换电路，粗通道采用10位分辨率，跟踪速度采用800rps，带宽采用1000Hz，将粗通道正余弦信号CS1～CS4转换为10位数字角度信号。精通道采用12位分辨率，跟踪速度采用500rps，带宽采用1000Hz，将精通道正余弦信号FS1～FS4转换为12位数字角度信号。
实施例10，参照图7，实施例1－9任何一项所述的旋转编码器：所述的微处理器系统包括系统监控电路和系统软件部分；微处理器通过总线控制读取粗精两通道数据，其中粗通道10位分辨率数据，精通道12位分辨率数据；取粗通道数据的低4位和精通道数据的高4位进行象限区分和纠错补偿处理，通过组合纠错补偿后得到16位角度位置数据；当外部控制设备在向旋转编码器通信取数时，微处理器通过接口协议配置向外传输16位角度位置数据。

Claims (8)

1.一种基于双速感应同步机的绝对值旋转编码器，其特征在于：该编码器包括检测部分、控制与传输部分；检测部分采用双速感应同步机，控制与传输部分包括DC/DC电源电路、激磁信号产生电路、低频滤波与功率放大电路、微信号调理电路、正余弦-数字信号转换电路和微处理器系统；外部输入+5V电源信号后，通过DC/DC电源电路转换出三路电源信号供后级系统工作，旋转编码器内部微处理器系统输出原始激磁信号，通过激磁电流-电压信号转换电路、低频滤波与功率放大电路后生成激磁信号，供给双速感应同步机；旋转编码器轴系跟随外部系统旋转，生成对应角度信息的正余弦信号，经过微信号调理电路、正余弦-数字信号转换电路生成角度数字信号，通过微处理器系统处理后实现角度输出；所述的双速感应同步机在外壳上固定定子，在转轴上固定转子，采用连续式绕组激磁输入，分段式绕组鉴幅输出，使用滑环作为电气接触，通过定子基板引出粗精两通道正余弦信号线，通过转子基板引出激磁信号线，两类引线分两侧引出，粗精两个通道速比为1：90～360；该旋转编码器实现输出16～24位分辨率角度数字信号，转换精度达到5″～20″。
2.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于：该旋转编码器呈一体化机电结构，采用全空心结构，两侧留有支架，可用于柔性定位，空心轴部分有定位孔作为转轴固定，外部连接线采用侧面出线；内部通过限位台阶和限位螺钉对电路板进行固定。
3.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其特征在于：所述的激磁信号产生电路通过使用定时器和预设波形数值查表来控制DA寄存器存入数据，进而通过DA输出分段台阶式正弦电流激磁信号；后级电流-电压信号转换电路将分段台阶式电流信号通过采样变换输出分段台阶式正弦电压信号。
4.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其特征在于：其中DC/DC电源电路采用多路DC转换，外部输入+5V电源信号时，内部通过多路转换产生+5V、-5V、+3.3V三路DC电源。
5.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其特征在于：所述的低频滤波与功率放大电路处理分段台阶正弦电压信号，通过二阶低通滤波，滤除高频干扰；将信号进行偏置放大得到一路激磁信号URH，为防止两路激磁信号URH和URL之间不同步产生较大相位差，另一路激磁信号URL通过对URH进行隔直反向运算得到；这样实现连续式正弦电压激磁信号。
6.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其特征在于：所述的微信号调理电路，采用两级放大运算，第一级运算放大667倍，第二级运算放大3倍，两级放大2000倍将粗、精通道的正余弦信号放大为可处理信号；信号后级使用二阶带通滤波器滤除低频和高频的噪音、杂波干扰；正余弦-数字信号转换电路，采用两路R/D转换，将粗通道正余弦信号CS1～CS4转换为10位数字角度信号，将精通道正余弦信号FS1～FS4转换为12位数字角度信号。
7.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其特征在于：正余弦-数字信号转换电路，粗通道采用10位分辨率，跟踪速度采用800rps，带宽采用1000Hz，将粗通道正余弦信号CS1～CS4转换为10位数字角度信号，精通道采用12位分辨率，跟踪速度采用500rps，带宽采用1000Hz，将精通道正余弦信号FS1～FS4转换为12位数字角度信号。
8.根据权利要求1或2所述的旋转编码器，其特征在于：所述的微处理器系统包括系统监控电路和系统软件部分；微处理器通过总线控制读取粗精两通道数据，其中粗通道10位分辨率数据，精通道12位分辨率数据；取粗通道数据的低4位和精通道数据的高4位进行象限区分和纠错补偿处理，通过组合纠错补偿后得到16位角度位置数据；当外部控制设备在向旋转编码器通信取数时，微处理器通过接口协议配置向外传输16位角度位置数据。
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