CN106533276B - 一种伺服电机位置检测的方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服电机位置检测的方法和电路，其利用电位器作为位置传感器，电位器的电阻比例表征伺服电机位置，电位器电压输出到比较器的一端，比较器的另一端接数模转换器的输出，加减计数器根据比较器的结果，实时的动态的调节数模转换器的输出电压，形成一个负反馈环路。系统锁定后，加减计数器的值即是电位器的比例，可直接作为表征伺服电机位置的信息输出。此方法只关心电位器的电阻比例，不关心电位器分压后输出的电压的绝对值。此方法在系统锁定后，可实时更新伺服电机的位置信息，使用伺服电机的位置信息只需在锁定信号有效时直接读取位置信息输出即可，测量高效。

Description

一种伺服电机位置检测的方法及电路

技术领域

本发明属于伺服电机技术领域，尤其是涉及一种伺服电机位置检测的方法及电路。

背景技术

在机器人和数控机床等自动化领域，核心的运动零件为伺服电机，伺服电机接收位置信息后，可以精确运动至指定的目标位置，带动机器人或自动流水线手臂完成动作，伺服电机比其他运动零件，比如步进电机，精度要高很多，其原因在于伺服电机内部包含了一个反馈环路，实时检测伺服电机力矩输出装置的当前位置，和指定目标位置进行差值，根据差值的大小和正负，调整电机的运动方向，速度和力矩。

目前，伺服电机的构造包括，位置检测装置，电机控制电路，电机，力矩输出装置，其中位置检测装置的精度决定了伺服电机精度。

伺服电机所用的位置检测装置有两种，旋转编码器和电位器。电位器作为伺服电机位置传感器有着广泛的应用。

传统的利用电位器检测伺服电机位置的方法是在每次检测伺服电机位置时，利用模数转换器测量电位器分压后的输出电压，进一步计算该电压代表的伺服电机的位置。该方法利用了模数转换器，模数转换器需要采样保持电路。传统方法每检测一次伺服电机的位置，至少需要经历模数转换器一个完整的转换周期。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种伺服电机位置检测的方法及电路，实时动态调节位置信息输出以跟踪伺服电机的位置，任意时刻只需直接读取位置信息输出即可得到伺服电机当前位置，无需等待重新完成一次模数转换的时间，实时性好，使用简单，提高了伺服电机位置检测的效率。。

本发明的核心思想是：利用比例信号跟踪电路实时动态调节加减计数器的值，以使数模转换器输出电压跟踪电位器抽头电压，即加减计数器的值跟踪伺服电机的位置。由数字判决电路判定系统是否锁定并选择合适的值输出，即是伺服电机的位置。

本发明提出的一种伺服电机位置检测的方法的技术方案，包含如下步骤：

采集电位器抽头端的电压信号，所述电位器直接或间接的连接至电机的力矩输出装置，且所述电位器为旋转电位器，包含2个串联的可变电阻，两个可变电阻的比例随着力矩输出装置的旋转而改变；

通过数字化比例跟踪方法，将采集到的电压信号实时转变成和电压信号对应的数字比例信号；

判断所述数字化比例跟踪过程的输出是否为锁定状态，若是，则选择数字化比例跟踪方法得到的较大或较小的数字比例信号值进行输出，即作为伺服电机的位置信号输出。

进一步的，所述数字化比例跟踪方法包含如下内容：

通过加减计数的方法，产生一个在量程上完全覆盖所述电位器抽头端的电压信号的数字比例信号；

通过数模转换将数字比例信号转换成电压信号；

通过比较所述电位器抽头端的电压信号和数模转换后得到的电压信号的大小，输出指示信号；

通过指示信号再控制加减计数的方向，如果数模转换后得到的电压信号小于所述电位器抽头端的电压信号，则加计数，反之则减计数。

进一步的，所述电位器的两个固定端分别加正参考电压和负参考电压，所述正参考电压和负参考电压也为数模转换过程中的正参考电压和负参考电压。

进一步的，判断所述数字化比例跟踪过程的输出是否为锁定状态，是根据比较后输出的指示信号或数字比例信号的特征进行判决，又或者根据数字化比例跟踪方法所消耗的时长进行判决。

进一步的，所述锁定状态是指采集的所述电位器抽头端的电压信号和所述数模转换得到的电压信号的差值的绝对值小于数模转换的最小分辨电压

本发明提出的一种伺服电机位置检测电路的技术方案是：包括：

电位器，直接或间接的连接至电机的力矩输出装置，且所述电位器为旋转电位器，包含2个串联的可变电阻，两个可变电阻的比例随着力矩输出装置的旋转而改变；

数字比例跟踪电路，输入端连接电位器抽头端输出的电压信号，将电压信号实时转变成和电压信号对应的数字比例信号；

数字判决电路，输入端连接数字比例跟踪电路的输出端，判断所述数字比例跟踪电路的输出是否为锁定状态，若是，则选择数字比例跟踪电路输出的较大或较小的值进行输出，即作为伺服电机的位置信号输出。

进一步的，所述数字比例跟踪电路包括：

加减计数器，产生一个在量程上完全覆盖所述电位器抽头端的电压信号的数字比例信号输出；

数模转换器，输入连接到加减计数器的输出，将加减计数器的数字比例信号转换成电压信号输出；

比较器，一个输入端接电位器抽头端的电压输出信号，另外一个输入接数模转换器的电压输出信号，比较结果作为指示信号输出到加减计数器的输入端，控制加减计数器的计数方向。

进一步的，所述数字判决电路包括：

锁定判决电路，根据比较器的输出信号或加减计数器输出的数字比例信号特征进行判决，或者根据数字比例跟踪电路跟踪所消耗的时长进行判决所述数字比例跟踪电路的输出是否为锁定状态；

数据选择电路，其输入端连接所述数字比例跟踪电路输出的数字比例信号，选择当前转换得到的数字比例信号值和上一次转换得到的数字比例信号值中较大或较小的值作为位置信息输出。

进一步的，所述电位器的两个固定端分别加正参考电压和负参考电压，所述正参考电压和负参考电压也为所述数模转换器所加的正参考电压和负参考电压。

相对于现有技术，本发明所述的方法和电路同具有以下优势：

(1)不再需要采样保持电路；

(2)实时跟踪伺服电机位置；

(3)需要使用伺服电机位置时不再需要重新经历完整的模数转换过程，只需直接读取锁定状态下的数字判决电路的输出即可。

(4)只关心电位器分压的比例，不关心电位器抽头端电压的绝对值，设计简单，容易实现。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一中伺服电机位置检测的电路结构框图。

图2为本发明实施例一中比例信号跟踪电路的电路原理图。

图3为本发明实施例中锁定情况下电位器抽头端电压和数模转换器电压的状态图。

图4为本发明实施例一中数字判决电路的电路原理图。

图5为本发明实施例二中伺服电机位置检测的电路结构框图。

图6为本发明实施例二中数字判决电路的电路原理图。

图7为本发明实施例三中数字判决电路的电路原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例一，

如图1所示，包含电位器10，比例信号跟踪电路20，数字判决电路30；

所述电位器10为旋转电位器，包含2个可变电阻，其中一个电阻11的两个端口为抽头端15和一个固定端13，另一个电阻12的两个端口为抽头端15和另一个固定端14，两个所述电阻的比例随着旋转装置(即力矩输出装置)的位置改变而改变。

所述电位器10直接或间接的机械连接至伺服电机的力矩输出装置，电位器10的固定端13接正参考电压40，另外一个固定端14接负参考电压50，伺服电机的力矩输出装置的不同位置决定了电位器10的电阻11和电阻12不同的阻值，即决定了抽头端15不同的输出电压。

如图2所示，所述比例信号跟踪电路20由比较器21，加减计数器22，数模转换器23形成了一个负反馈环路。和传统的模数转换器相比，比例信号跟踪电路20无需采样保持电路。电位器10的抽头端15输出到比例信号跟踪电路20的比较器21的一个输入上，比较器21的另一个输入连接到数模转换器23的输出电压信号24上。数模转换器23的输入端连接加减计数器22的输出端，因此，数模转换器23输出的第一电压信号24由加减计数器22输出的第一输出值26决定。加减计数器22的输入端连接比较器21的输出端，加减计数器22是加计数还是减计数由比较器21的第二输出值25决定。

所述正参考电压40和负参考电压50也作为数模转换器23的正参考电压和负参考电压。

当电位器10的抽头端15电压大于数模转换器23输出的第一电压信号24时，比较器21输出的第二输出值25为高，加减计数器22加计数，数模转换器23输出的第一电压信号24增加以趋近电位器10的抽头端15的电压。

当电位器10的抽头端15电压小于于数模转换器23输出的第一电压信号24时，比较器21输出的第二输出值25为低，加减计数器22减计数，数模转换器23输出第一电压信号24减小以趋近电位器10的抽头端15的电压。

比例信号跟踪电路20利用负反馈环路实时调整加减计数器22的值以使数模转换器23输出的第一电压信号24跟踪电位器10的抽头端15的电压，即加减计数器22输出的第一输出值26跟踪伺服电机的位置。

数字判决电路30判定系统锁定，即判断比例信号跟踪电路20的输出是否进入锁定状态，根据锁定时各信号特点，判断当前是否进入锁定，或等待固定时长后直接认为进入锁定。

根据系统锁定时各信号特点，判断当前系统是否锁定，即可以根据比较器21的结果，如不停翻转或加减计数器22不停的加1减1。

所述数字判决电路30根据系统锁定时各信号特点判断当前系统是否锁定，如图4所示，包括连续翻转判定电路33和数据选择电路34，数字判决电路30包含两个输出，锁定信号31和位置信号32，当锁定信号31指示系统锁定后，位置信号32有效。

将比较器21的输出连接至数字判决电路30的连续翻转判定电路33的输入，连续翻转判定电路33判断比较器21的输出是否连续翻转，若是，则锁定信号31有效，指示系统已锁定。

数据选择电路34的输入接加减计数器22输出的第一输出值26，选取加减计数器22的输出的当前转换值和上一次转换值中较大或较小的值输出。

锁定后，加减计数器22的输出不停在两个值间变换，数字判决电路30可以统一选取较大值或统一选取较小值输出。

如图3所示，可以看出当系统锁定后，由于量化误差的存在，比较器21的输出不停翻转，加减计数器22不停重复加1计数减1计数，使得数模转换器23输出的在电位器10的抽头电压15上下翻转。

系统锁定后，加减计数器22的值即是电位器10的两个电阻的比例，可直接作为表征伺服电机位置的信息输出。此方法只关心电位器10的电阻比例，不关心电位器10分压后输出的电压的绝对值。此方法在系统锁定后，可实时更新伺服电机的位置信息，使用伺服电机的位置信息只需在锁定信号有效时直接读取位置信息输出即可，测量高效。

与传统的模数转换器的方法相比，本发明去掉了采样保持电路，新增了数字判决电路30，不需要经历模数转换器一个完整的转换周期用于测量伺服电机当前位置。本方法可以实时的跟踪监测伺服电机位置，使用此位置只需在系统锁定后直接读取位置信息即可，无需重新做一次完整的模数转换，使用更简单高效。

本发明实施例二，

如图5所示，包含电位器10，比例信号跟踪电路20，数字判决电路30；所述发明实施例二与所述发明实施例一结构基本一致，区别在于所述数字判决电路30实现方式不同，比例信号跟踪电路20只有一个信号输出到数字判决电路30。发明实施例二通过所述加减计数器的值判定系统是否锁定，而所述发明实施例一通过所述比较器的输出判定系统是否锁定。所述发明实施例二中电位器10、比例信号跟踪电路20与所述发明实施例一中对应部分完全一致。

本实施例二中，数字判决电路30包括锁定判决电路和数据选择电路34，数据选择电路34与所述实施例一中的数据选择电路完全一致；所述锁定判决电路为交替升降判决电路35，所述发明实施例二将加减计数器22的输出26接至数字判决电路30的交替升降判决电路35的输入，交替升降判决电路35对加减计数器22的值进行判定，如果加减计数器22的输出26连续交替加1减1，则锁定信号31有效，指示系统已锁定。

本发明实施例三：

与所述发明实施例一结构基本一致，区别仅在于所述数字判决电路30的实现方式不同。实施例三为在系统初始化后等待固定时间直接认定系统锁定。所述发明实施例三中电位器10、比例信号跟踪电路20与所述发明实施例一中对应部分完全一致。

本实施例三中，数字判决电路30包括锁定判决电路和数据选择电路34，数据选择电路34与所述实施例一中的数据选择电路完全一致；所述锁定判决电路包括系统初始化电路36和固定时长延迟电路38，所述系统初始化电路36在系统成功初始化后，其输出成功初始化信号37有效，成功初始化信号接到固定时长延迟电路38的输入，经过一个固定时长的延迟后，认为系统已成功锁定，固定时长延迟电路38的输出31作为成功锁定的指示信号有效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种伺服电机位置检测的方法，其特征在于包含如下步骤：

采集电位器抽头端的电压信号，所述电位器直接或间接的连接至电机的力矩输出装置，且所述电位器为旋转电位器，包含2个串联的可变电阻，两个可变电阻的比例随着力矩输出装置的旋转而改变；

通过数字化比例跟踪方法，将采集到的电压信号实时转变成和电压信号对应的数字比例信号；

判断所述数字化比例跟踪过程的输出是否为锁定状态，若是，则选择数字化比例跟踪方法得到的较大或较小的数字比例信号值进行输出，即作为伺服电机的位置信号输出。

2.根据权利要求1所述的伺服电机位置检测的方法，其特征在于：所述数字化比例跟踪方法包含如下内容：

通过加减计数的方法，产生一个在量程上完全覆盖所述电位器抽头端的电压信号的数字比例信号；

通过数模转换将数字比例信号转换成电压信号；

通过比较所述电位器抽头端的电压信号和数模转换后得到的电压信号的大小，输出指示信号；

通过指示信号再控制加减计数的方向，如果数模转换后得到的电压信号小于所述电位器抽头端的电压信号，则加计数，反之则减计数。

3.根据权利要求2所述的伺服电机位置检测的方法，其特征在于：所述电位器的两个固定端分别加正参考电压和负参考电压，所述正参考电压和负参考电压也为数模转换过程中的正参考电压和负参考电压。

4.根据权利要求2所述的伺服电机位置检测的方法，其特征在于：判断所述数字化比例跟踪过程的输出是否为锁定状态，是根据比较后输出的指示信号或数字比例信号的特征进行判决，又或者根据数字化比例跟踪方法所消耗的时长进行判决。

5.根据权利要求2所述的伺服电机位置检测的方法，其特征在于：所述锁定状态是指采集的所述电位器抽头端的电压信号和所述数模转换得到的电压信号的差值的绝对值小于数模转换的最小分辨电压。

6.一种伺服电机位置检测电路，其特征在于包括：

电位器，直接或间接的连接至电机的力矩输出装置，且所述电位器为旋转电位器，包含2个串联的可变电阻，两个可变电阻的比例随着力矩输出装置的旋转而改变；

数字比例跟踪电路，输入端连接电位器抽头端输出的电压信号，将电压信号实时转变成和电压信号对应的数字比例信号；

数字判决电路，输入端连接数字比例跟踪电路的输出端，判断所述数字比例跟踪电路的输出是否为锁定状态，若是，则选择数字比例跟踪电路输出的较大或较小的值进行输出，即作为伺服电机的位置信号输出。

7.根据权利要求6所述的伺服电机位置检测电路，其特征在于：所述数字比例跟踪电路包括：

加减计数器，产生一个在量程上完全覆盖所述电位器抽头端的电压信号的数字比例信号输出；

数模转换器，输入连接到加减计数器的输出，将加减计数器的数字比例信号转换成电压信号输出；

比较器，一个输入端接电位器抽头端的电压输出信号，另外一个输入接数模转换器的电压输出信号，比较结果作为指示信号输出到加减计数器的输入端，控制加减计数器的计数方向。

8.根据权利要求7所述的伺服电机位置检测电路，其特征在于：所述数字判决电路包括：

锁定判决电路，根据比较器的输出信号连续翻转或加减计数器输出的数字比例信号连续交替加1减1进行判决，或者根据数字比例跟踪电路跟踪所消耗的时长进行判决所述数字比例跟踪电路的输出是否为锁定状态；

数据选择电路，其输入端连接所述数字比例跟踪电路输出的数字比例信号，选择当前转换得到的数字比例信号值和上一次转换得到的数字比例信号值中较大或较小的值作为位置信息输出。

9.根据权利要求7所述的伺服电机位置检测电路，其特征在于：所述电位器的两个固定端分别加正参考电压和负参考电压，所述正参考电压和负参考电压也为所述数模转换器所加的正参考电压和负参考电压。