CN105676685A - 一种反馈电机初始绝对位置的方法、装置以及编码器分频装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反馈电机初始绝对位置的方法、装置以及编码器分频装置，反馈电机初始绝对位置的方法包括以下步骤：1)将电机的初始绝对位置信息从二进制转换为十进制，并根据十进制数据产生相应个数的脉冲波(PWM)；2)对所述脉冲波中的各脉冲进行计数，根据计数信息编码产生A脉冲和B脉冲中的各个脉冲；3)将所述A脉冲和B脉冲传送给电机的控制器，解码出所述脉冲波(PWM)的脉冲个数信息，得到电机的初始绝对位置信息。本发明的反馈电机初始绝对位置的方法，将电机的初始绝对位置信息转换为A、B两个脉冲信息后反馈传输，无需再像以往那样设计专门的协议传输过程，整体实现成本较低，方案的适应性广泛。

Description

一种反馈电机初始绝对位置的方法、装置以及编码器分频装置

【技术领域】

本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种电机绝对位置的反馈方法、装置以及编码器分频装置。

【背景技术】

伺服驱动器与控制系统连接，反馈电机的绝对位置给控制系统。反馈时，涉及上电后的初始绝对位置P0和后续增量绝对位置△P的传送。控制系统中获取到初始绝对位置P0和后续增量位置△P后，即可运算得到电机的绝对位置。

现有的反馈绝对位置的方法的示意图如图1所示，包括两个部分：(1)增量位置信息△P的传输：伺服驱动器中通过CPLD/FPGA等编码器分频模块对增量位置信息进行处理后，输出正交的两路脉冲，控制器接收该两路脉冲后，对脉冲进行正交解码、鉴相、计数等操作后获取增量位置信息。(2)初始绝对位置P0的传输：伺服驱动器通过总线协议以数据的形式直接将初始绝对位置信息传送给控制器。该绝对位置反馈方法中，涉及两个传输过程，方案较为复杂，实现成本较高，并且采用协议方式获取初始绝对位置P0时，需要伺服驱动器和控制器端采用统一的协议标准，因此能实现反馈方法的装置的选择范围较为有限。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种反馈电机初始绝对位置的方法、装置以及编码器分频装置，反馈方法实现成本较低，且适用性广泛。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种反馈电机初始绝对位置的方法，包括以下步骤：1)将电机的初始绝对位置信息从二进制转换为十进制，并根据十进制数据产生相应个数的脉冲波(PWM)；2)对所述脉冲波中的各脉冲进行计数，根据计数信息编码产生A脉冲和B脉冲中的各个脉冲；3)将所述A脉冲和B脉冲传送给电机的控制器，解码出所述脉冲波(PWM)的脉冲个数信息，得到电机的初始绝对位置信息。

一种编码电机初始绝对位置的装置，包括脉冲波产生器、计数模块、编码模块；所述脉冲波产生器用于将电机的初始绝对位置信息从二进制转换为十进制，并根据十进制数据产生相应个数的脉冲波(PWM)；所述计数模块的输入端连接所述脉冲波产生器的输出端，用于对接收的所述脉冲波(PWM)中的各脉冲进行计数；所述编码模块的输入端连接所述计数模块的输出端，用于根据接收的计数信息编码产生A脉冲和B脉冲中的各个脉冲。

一种编码器分频装置，包括增量位置脉冲发生器和两个脉冲信号输出端口，所述增量位置脉冲发生器用于将接收的增量位置信息转换为A1脉冲信号和B1脉冲信号后，分别从两个脉冲信号输出端口输出；还包括如上所述的编码电机初始绝对位置的装置，以及第一开关、第二开关和输出控制单元；所述编码电机初始绝对位置的装置的A脉冲输出端和B脉冲输出端分别连接第一开关的第一端、第二开关的第一端，所述增量位置脉冲发生器的A1脉冲信号输出端和B1脉冲信号输出端分别连接第一开关的第二端、第二开关的第二端，所述第一开关的输出端、第二开关的输出端分别连接所述两个脉冲信号输出端口；所述输出控制单元用于输出同一控制信号控制第一开关和第二开关的输出端在第一时间段内与第一端连通，在第一时间段之后的时间内与第二端连通。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的反馈电机初始绝对位置的方法，将电机的初始绝对位置信息转换为十进制数据后，进而转换脉冲波个数信息，最后编码产生A、B两个脉冲信息，从而使得初始绝对位置也可以通过脉冲方式反馈传输，无需再像以往那样设计专门的协议传输过程，整体实现成本较低。通过脉冲方式传输后，实现反馈方法所需要的硬件装置的选取范围较为广泛，对控制器要求较低，方案的适应性广泛，甚至可与传统的增量位置信息的脉冲传输方案组合后，共用部分组件，可达到进一步节省成本的目的。

【附图说明】

图1是现有技术中的反馈绝对位置的方法的状态示意图；

图2是本发明具体实施方式中的反馈电机初始绝对位置的方法的状态示意图；

图3是本发明具体实施方式中的反馈电机初始绝对位置的方法的一种优选状态示意图；

图4是本发明具体实施方式中的脉冲波PWM、计数信息、以及A脉冲和B脉冲的时序图；

图5是本发明具体实施方式中的编码器分频装置的结构示意图；

图6是本发明具体实施方式中的编码器分频装置中的各信号的时序图；

图7是本发明具体实施方式中的编码器分频装置以及控制器端的信号的时序图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，为本具体实施方式中的反馈电机初始绝对位置的方法的状态示意图，通过处理，将初始绝对位置P0转换为两路脉冲波，通过脉冲波的形式从伺服驱动器反馈至控制器中，而不再像以往那样通过复杂的实现成本较高的协议方式进行反馈。优选地，如图3所示，传送时，将转换得到的A脉冲和B脉冲通过传送增量位置△P对应的两个脉冲的通道传送给电机的控制器。这样，可实现共用一个传输通道来传输初始绝对位置P0和增量位置△P，可进一步降低方案的实现成本。

本具体实施方式中，反馈电机初始绝对位置的方法，包括以下步骤：1)将电机的初始绝对位置信息从二进制转换为十进制，并根据十进制数据产生相应个数的脉冲波(PWM)；2)对所述脉冲波中的各脉冲进行计数，根据计数信息信息编码产生A脉冲和B脉冲中的各个脉冲；3)将所述A脉冲和B脉冲传送给电机的控制器，解码出所述脉冲波(PWM)的脉冲个数信息，得到电机的初始绝对位置信息。

电机的初始绝对位置信息中携带的数据信息，生成相应十进制个数的脉冲波。例如，如图4所示，对于初始绝对位置P0为“010101”时，对应十进制的值为21，则生成具有21个脉冲的脉冲波PWM。后续根据该脉冲波PWM编码产生A脉冲和B脉冲中的各个脉冲。

优选地，编码时，将计数信息转换为二进制，根据二进制数据中第1位数据和第0位数据的组合，控制A脉冲和B脉冲的电平状态。控制时，所述组合为00时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为同为低电平或者同为高电平；所述组合为01、10或者11时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为变化参考组合时的A脉冲和B脉冲其中一者的电平状态后得到的电平状态，且变化时A脉冲和B脉冲是交替变化的，变化为高电平与低电平之间的转换；所述组合为01时，参考组合为00；所述组合为10时，参考组合为01；所述组合为11时，参考组合为10。上述控制对应关系，存在多种编码映射关系。如下表1和表2为示例性的两种编码关系。

表1

表1中的编码映射关系，组合为00时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为00。组合为01时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为相对于组合为00时变化了A脉冲的电平。组合为10时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为相对于组合为01时变化了另一位B脉冲的电平。组合为11时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为相对于组合为10时变化了A脉冲的电平。

表2

表2中的编码映射关系，组合为00时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为11。组合为01时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为相对于组合为00时变化了A脉冲的电平。组合为10时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为相对于组合为01时变化了另一位B脉冲的电平。组合为11时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为相对于组合为10时变化了A脉冲的电平。

如图4所示，为采用表1的方式由包含21个脉冲的脉冲波PWM的计数信息编码得到A脉冲和B脉冲的时序图。图中，对于PWM脉冲波的第一个脉冲，计数得到1，计数信息转换为二进制值，为“000001”，第1位数据和第0位数据的组合为“01”，根据表1，则A脉冲和B脉冲分别为高电平和低电平。对于第二个脉冲，计数得到2，计数信息转换为二进制值，为“000010”，第1位数据和第0位数据的组合为“10”，根据表1，则A脉冲和B脉冲分别为高电平和高电平。依此类推，计数到最后一个脉冲，分别根据计数信息的二进制数据的第1位和第0位产生A脉冲和B脉冲。根据组合的位数，可知A脉冲和B脉冲的频率会是脉冲波PWM的频率的1/4。因此，如希望A、B两路正交信号以500KHz的频率产生脉冲，便于后续共用编码器分频模块的脉冲输出端口以及控制器的相关模块，可控制产生的脉冲波PWM的频率为4×500KHz。

如下表3，即示意了各个计数值下对应的A脉冲和B脉冲的电平状态。

表3

根据A脉冲和B脉冲中各个计数下的电平状态，即得到图4中的A脉冲和B脉冲的时序图。表3和图4示意的时序图是根据表1的映射关系编码得到的，在其它情形中，根据表2或者其它映射关系进行编码产生A脉冲和B脉冲也都是可行的。

将所述A脉冲和B脉冲传送给电机的控制器，根据A脉冲和B脉冲解码出脉冲波PWM的脉冲个数信息，即得到电机的初始绝对位置信息。在表1的编码情形下，本具体实施方式中，解码时，可根据所述A脉冲和B脉冲的上升沿、下降沿的个数得到脉冲波PWM的脉冲个数信息。如图4所示，N表示控制器中对A脉冲和B脉冲的上升沿、下降沿进行计数的值，计数时对两个脉冲中的每个上升沿、下降沿均进行计数，统计的总数即为PWM的脉冲总数。根据总数信息，转换为二进制，即为初始绝对位置P0的值。

通过上述转换，脉冲波PWM的生成，A脉冲和B脉冲的控制以及传送、解码等等过程即实现了通过两路脉冲信号反馈电机初始绝对位置的过程。本具体实施方式的反馈方法，通过脉冲的方式反馈初始绝对位置，方案不涉及协议传输，适用性广泛、实现成本低。

如图5所示，实现反馈方法的编码电机初始绝对位置的装置100包括脉冲波产生器1、计数模块2和编码模块3。脉冲波产生器1用于将电机的初始绝对位置信息从二进制转换为十进制，并根据十进制数据产生相应个数的脉冲波PWM。计数模块2的输入端连接脉冲波产生器1的输出端，用于对接收的脉冲波PWM中的各脉冲进行计数。编码模块3的输入端连接计数模块2的输出端，用于根据接收的计数信息编码产生A脉冲和B脉冲中的各个脉冲。

上述编码电机初始绝对位置的装置100应用于伺服驱动系统中时，如图5所示，可与第一开关S1、第二开关S2、输出控制单元200、增量位置脉冲发生器300等构成编码器分频装置，从而实现通过脉冲的方式反馈初始绝对位置时，与增量位置反馈通道共用编码器分频装置中已有的两个脉冲信号输出端口，输出两个脉冲信号，而无须另外单独设置两个脉冲传输通道。

图5中，编码电机初始绝对位置的装置100的A脉冲输出端和B脉冲输出端分别连接第一开关S1的第一端、第二开关S2的第一端，增量位置脉冲发生器300的A1脉冲信号输出端和B1脉冲信号输出端分别连接第一开关S1的第二端、第二开关S2的第二端，第一开关S1的输出端、第二开关S2的输出端分别连接两个脉冲信号输出端口。输出控制单元200用于输出同一控制信号SW控制第一开关S1和第二开关S2的输出端在第一时间段内与第一端连通，在第一时间段之后的时间内与第二端连通。该连通的时间段信息会被传输给与编码器分频装置相协同工作的外部的控制器中，便于外部的控制器接收到该时间段信息后，可判断出编码器分频装置的两个脉冲信号输出端口输出的两个脉冲在哪一时间段内对应的是初始绝对位置的脉冲信号(A脉冲和B脉冲)，在哪一时间段内对应的是增量位置的脉冲信号(A1脉冲和B1脉冲)，从而解码出信息分别对应初始绝对位置和增量位置，最终由两者运算得到电机的绝对位置。

本具体实施方式中，图5中各模块工作时，配合相关使能信号En、标记信号L协同工作。使能信号En由外部的控制器产生输出给伺服驱动器中的编码器分频装置，以控制触发初始绝对位置输出。编码电机初始绝对位置的装置100根据自身的工作情况输出信号PD，以输出至输出控制单元200中，指引产生控制信号SW，控制信号SW用于对增量位置脉冲发生器300和编码电机初始绝对位置的装置100的输出信号进行切换。同时，输出控制单元200还根据使能信号En、装置100输出的信号PD控制产生标志信号L，输出给外部的下一级控制器中，以供控制器根据标志信号L的指引识别出输出初始绝对位置P0的阶段和输出增量位置△P的阶段。涉及的各信号的时序图如图6所示。

图6中，设置使能信号En的默认电平为低电平，PD信号默认为低电平，控制信号SW和标志信号L由输出控制单元200产生，默认为高电平。各信号对应的工作过程如下：

(1)在t0时刻，外部的控制器将使能信号En置为高电平；输出控制单元200根据该编号，将标志信号L置为低电平。此后，可控制增量位置脉冲发生器300停止工作。

(2)在t1时刻，输出控制单元200将SW信号置为低电平，此时切换开关将脉冲输出连接到编码电机初始绝对位置的装置100，装置100开始输出脉冲，则编码器分频装置输出的A脉冲和B脉冲开始对应初始绝对位置P0。

(3)在t2时刻，装置100完成脉冲输出，则在t2时刻将PD信号置为高电平，此时输出控制单元200也将SW信号置为高电平，从而切换开关将脉冲输出连接到增量位置脉冲发生器300。此后，可控制装置100停止工作。

(4)PD信号维持高电平一段时间(大概10us)后，在t3时刻，装置100将PD信号置为低电平，根据PD信号的该变化，输出控制单元200将标志信号L置为高电平，后续，外部的控制器根据该标志信号L的高电平状态，可判断A脉冲和B脉冲对应初始绝对位置P0的阶段结束。后续，可控制增量位置脉冲发生器300开始工作。

(5)在t4时刻，外部的控制器检测到标志信号L为高电平后，将使能信号En置为低电平，恢复默认设置状态。

从上述的工作过程，标志信号L可指示A脉冲和B脉冲对应初始绝对位置P0的阶段信息，SW信号控制切换开关，且可对应装置100的启停。增量位置脉冲发送器300先停止工作，然后将切换开关切换到装置100，并启动装置100工作，可以确保脉冲输出的稳定性，避免切换过程出现干扰脉冲。同理，装置100先停止工作，经过一段时间，再启动增量位置脉冲发生器300工作，也可以确保脉冲输出的稳定性，避免切换过程出现干扰脉冲。

编码器分频装置按照上述过程工作后，外部的控制器接收标志信号L以及A脉冲和B脉冲。一般地，与编码器分频装置配合工作的外部的控制器中有专门处理A/B正交信号的模块。该模块中包含脉冲计数器，该脉冲计数器对A信号和B信号的边沿(包括上升沿和下降沿)进行计数，获取位置信息。如图7所示，为综合了图4的由包含21个脉冲的脉冲波PWM的计数信息编码得到A脉冲和B脉冲的时序图以及图6的编码器分频装置的工作信号时序图。

本具体实施方式中，外部的控制器中获取初始绝对位置P0的工作流程如下：1、输出使能信号En给伺服驱动器，停止内部的脉冲发送功能；2、清除内部的脉冲计数器值，输出使能信号En有效；3、实时监测标志信号L是否有效，有效后，直接读取内部的脉冲计数器的值，即为初始绝对位置P0。

具体地，(1)当标志信号L有效时，(图6中标志信号L为低电平的区域)，伺服驱动器传输出的A/B正交信号为P0，控制器对此段时间内的A/B正交信号从0开始计数；

(2)当实时监测“标志信号L”无效时(图6中标志信号L为高电平的区域)，控制器直接读取内部的脉冲计数器的值，即为初始绝对位置P0。

具体地，仍以初始绝对位置P0为“010101”为例继续说明，编码得到如图7所示的A脉冲和B脉冲信号后，传输至控制器中。控制器中通过脉冲计数器对A信号和B信号的上升沿和下降沿进行计数，得到计数值21。将该计数值21转换为二进制后，即是“010101”，为P0的值。

本具体实施方式中，当外部的控制器获取到初始绝对位置P0后，后续有两种处理方式获得增量位置△P。第一种方式：当外部的控制器获取到初始绝对位置P0后，清除内部脉冲计数器的值，让计数器重新从0开始计数，之后控制器直接从脉冲计数器读取到的计数值即为增量位置△P；第二种方式：当外部的控制器获取到初始绝对位置P0后，外部的控制器不清除内部脉冲计数器，让脉冲计数器在P0的基础上继续计数，之后外部的控制器直接从脉冲计数器读取到的计数值，该值减去P0后为增量位置△P。

综上，通过本具体实施方式的反馈电机绝对位置的方法及装置，可实现通过两路脉冲的方式传输初始绝对位置的信息。通过相关控制以及协同，可与已有的增量位置脉冲发生器共用一套编码器分频模块的两个脉冲输出端口，并通过已有的外部的控制器实现解码获取初始绝对位置的信息。本具体实施方式的反馈方法及装置，可有效降低对控制器、伺服驱动器等的选型要求，适用性较广泛，有效降低方案实现成本。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反馈电机初始绝对位置的方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将电机的初始绝对位置信息从二进制转换为十进制，并根据十进制数据产生相应个数的脉冲波(PWM)；2)对所述脉冲波中的各脉冲进行计数，根据计数信息编码产生A脉冲和B脉冲中的各个脉冲；3)将所述A脉冲和B脉冲传送给电机的控制器，解码出所述脉冲波(PWM)的脉冲个数信息，得到电机的初始绝对位置信息。

2.根据权利要求1所述的反馈电机初始绝对位置的方法，其特征在于：所述步骤2)中，编码时，将计数信息转换为二进制，根据二进制数据中第1位数据和第0位数据的组合，控制A脉冲和B脉冲的电平状态；控制时，所述组合为00时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为同为低电平或者同为高电平；所述组合为01、10或者11时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为变化参考组合时A脉冲和B脉冲其中一者的电平状态后得到的电平状态，且变化时A脉冲和B脉冲是交替变化的；所述组合为01时，参考组合为00；所述组合为10时，参考组合为01；所述组合为11时，参考组合为10。

3.根据权利要求2所述的反馈电机初始绝对位置的方法，其特征在于：所述组合为00时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为00；所述组合为01时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为10；所述组合为10时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为11；所述组合为11时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为01；其中，电平状态中0表示低电平，1表示高电平。

4.根据权利要求2所述的反馈电机初始绝对位置的方法，其特征在于：所述组合为00时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为11；所述组合为01时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为01；所述组合为10时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为00；所述组合为11时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为10；其中，电平状态中0表示低电平，1表示高电平。

5.根据权利要求1所述的反馈电机初始绝对位置的方法，其特征在于：所述步骤3)中，解码时，根据所述A脉冲和B脉冲的上升沿、下降沿的个数得到所述脉冲波(PWM)的脉冲个数信息。

6.根据权利要求1所述的反馈电机初始绝对位置的方法，其特征在于：所述步骤3)中，传送时，将所述A脉冲和B脉冲通过传送增量位置信息对应的两个脉冲的通道传送给电机的控制器。

7.根据权利要求1所述的反馈电机初始绝对位置的方法，其特征在于：所述步骤1)中，产生的脉冲波(PWM)的频率为4×500KHz。

8.一种编码电机初始绝对位置的装置，其特征在于：包括脉冲波产生器、计数模块、编码模块；所述脉冲波产生器用于将电机的初始绝对位置信息从二进制转换为十进制，并根据十进制数据产生相应个数的脉冲波(PWM)；所述计数模块的输入端连接所述脉冲波产生器的输出端，用于对接收的所述脉冲波(PWM)中的各脉冲进行计数；所述编码模块的输入端连接所述计数模块的输出端，用于根据接收的计数信息编码产生A脉冲和B脉冲中的各个脉冲。

9.根据权利要求8所述的编码电机初始绝对位置的装置，其特征在于：所述编码模块包括转换模块和电平控制模块；所述转换模块用于将接收的计数信息转换为二进制，所述电平控制模块的输入端连接所述转换模块的输出端，用于根据二进制数据中第0位数据和第1位数据的组合，控制A脉冲和B脉冲的电平状态；控制时，所述组合为00时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为同为低电平或者同为高电平；所述组合为01、10或者11时，对应的A脉冲和B脉冲的电平状态为变化参考组合时A脉冲和B脉冲其中一者的电平状态后得到的电平状态，且变化时A脉冲和B脉冲是交替变化的；所述组合为01时，参考组合为00；所述组合为10时，参考组合为01；所述组合为11时，参考组合为10。

10.一种编码器分频装置，包括增量位置脉冲发生器和两个脉冲信号输出端口，所述增量位置脉冲发生器用于将接收的增量位置信息转换为A1脉冲信号和B1脉冲信号后，分别从两个脉冲信号输出端口输出；其特征在于：还包括如权利要求8～9任一项所述的编码电机初始绝对位置的装置，以及第一开关、第二开关和输出控制单元；所述编码电机初始绝对位置的装置的A脉冲输出端和B脉冲输出端分别连接第一开关的第一端、第二开关的第一端，所述增量位置脉冲发生器的A1脉冲信号输出端和B1脉冲信号输出端分别连接第一开关的第二端、第二开关的第二端，所述第一开关的输出端、第二开关的输出端分别连接所述两个脉冲信号输出端口；所述输出控制单元用于输出同一控制信号控制第一开关和第二开关的输出端在第一时间段内与第一端连通，在第一时间段之后的时间内与第二端连通。