CN107703919A - 数据采集装置、包含其的控制系统以及通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及控制技术领域，公开了一种数据采集装置、包含其的控制系统以及通信方法。数据采集装置包括：数字转换单元、控制单元以及通信接口；数字转换单元用于将旋转变压器的模拟轴角信号转换成单圈数字轴角信息；数字转换单元以及通信接口均连接控制单元，通信接口用于在控制单元以及外部的上位控制器之间实现总线通讯。本发明通过总线通信方式将旋转变压器的数字轴角信息传输至上位控制器，从而可克服上位控制器远离旋转机构的应用场合中旋转变压器的模拟量信号易受干扰的问题，进而可提高控制精度，并且，通过总线通信方式还可以简化接线，大大降低接线复杂度，从而有利于实现单个上位控制器分时采集多个旋转机构的轴角信息的应用。
Description
技术领域
本发明实施例涉及控制技术领域，特别涉及一种数据采集装置、包含其的控制系统以及通信方法。
背景技术
在电机驱动行业，轴角编码器的应用非常广泛，常被应用于电机的闭环控制和运动长度的计量。旋转变压器(后面简称旋变)作为其中的一种，通常被用于反馈旋转机构的角度和速度。例如可将旋转变压器安装在电机轴上，用于检测电机的旋转速度和转子电角度，变频器通过读取这些信息进行电机控制。旋转变压器具有精度较高、稳定可靠、抗震等级高、环境适应强等优点，广泛应用在机床、港口机械和汽车电子等领域。由于旋转变压器输出的是模拟量电压信号，所以需要轴角编码成数字信号才能使用。轴角编码主要有两种方法：一是结合硬件调理电路，利用单片机或FPGA(Field-Programmable GateArray，简称FPGA，现场可编程门阵列)运行轴角转换算法计算轴角；另外一种是直接使用专用旋转变压器数字转换(Resolver-Digital Converter，简称RDC)芯片。第一种方法成本低廉、实施灵活、实用性强，但存在转换精度不高、开发周期长和电路复杂等缺点。RDC芯片精度较高、外围电路简单，因此广泛应用于轴角编码。
发明人发现现有技术中至少存在如下问题：RDC集成在变频器控制器中，电机上的旋变直接通过模拟信号线连接变频器，这样，随着电机和变频器距离的增大，旋变的模拟电压信号容易受干扰，进而会影响电机的控制精度；并且电机和变频器之间的信号线较多(例如单个电机和变频器之间的接线数目就有六根)，这样，在单个变频器分时控制多个带旋变的电机的场合，由于接线多且繁琐问题，会给布线带来极大的困难，并且可能限制应用的灵活性。另外，目前都是由上位机控制系统进行多圈绝对值累加从而实现计长的，但是由于上位控制系统和电机之间的传输线路问题可能会造成累加不准确的问题。例如，上位控制系统与数据采集装置之间的通信速度以及传输过程均可能会影响到多圈绝对值累加的准确性。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种数据采集装置、包含其的控制系统以及通信方法，通过总线通信方式将旋转变压器的数字轴角信息传输至上位控制器，从而可以克服上位控制器远离旋转机构的应用场合中旋转变压器的模拟量信号易受干扰的问题，进而可以提高控制精度，并且，通过总线通信方式还可以简化接线，大大降低接线复杂度，从而有利于实现单个上位控制器分时采集多个旋转机构轴角信息的应用。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种数据采集装置，应用于带有旋转变压器的旋转机构，所述数据采集装置包括：数字转换单元、控制单元以及通信接口；所述数字转换单元用于将所述旋转变压器的模拟轴角信号转换成单圈数字轴角信息；所述数字转换单元以及所述通信接口均连接所述控制单元，所述通信接口用于在所述控制单元以及外部的上位控制器之间实现总线通讯。
本发明的实施方式还提供了一种控制系统，包括：上位控制器以及分别与所述上位控制器通信连接的N个如前所述的数据采集装置；其中，所述N为大于或者等于1的自然数。
本发明的实施方式还提供了一种通信方法，应用于如前所述的控制系统，在所述上位控制器以及所述数据采集装置的通信接口均为半双工的RS-485通信接口时，所述通信方法包括：当所述上位控制器发送至所述数据采集装置的数据发送完成后，所述上位控制器产生发送完成中断，并将所述上位控制器的通信接口置为接收状态；所述数据采集装置在延迟预设时长未继续接收到所述上位控制器的发送数据后，产生接收空闲中断；所述数据采集装置在接收到所述上位控制器的数据读取指令后，将采集的数据发送至所述上位控制器，在发送完成后产生发送完成中断，并将所述数据采集装置置为接收状态。
本发明实施方式相对于现有技术而言，数据采集装置设置在旋转机构附近，这样，数据采集装置中的数字转换单元与旋转机构上的旋转变压器之间的距离非常近，从而使得数字转换单元接收到的旋转变压器的模拟电压信号(即轴角信号)受到的干扰非常小，确保了轴角信息的准确性，同时，数据采集装置还通过自带的通信接口与外部的上位控制器以总线方式进行通讯，从而可以将转换后的单圈数字轴角信息传输给上位控制器，因此，在上位控制器远离旋转机构的应用场合，可以克服长距离旋转变压器的模拟量信号易受干扰的问题，进而使得控制更精确，并且，在单个上位控制器分时采集多个旋转机构轴角信息的应用场合，通过总线通信方式传输轴角信息，可以大大简化接线，降低系统的接线复杂度。
另外，所述控制单元还用于对多个所述单圈数字轴角信息进行多圈累积得到多圈长度信息。本实施方式与现有的光电编码器的多圈计长功能相比，采用数据采集装置与旋转变压器相结合的方式得到多圈长度信息(即计长)，从而可以适应恶劣环境，并且，由于多圈长度信息是在数据采集装置中累加，所以无需在上位控制器中进行多圈累积，进而可避免由于上位控制器和本地数据采集装置之间的通信速度受限或者通信质量不佳所导致的上位控制器不能正确累积多圈信号的问题，因此，可以提高计长的准确性。
另外，所述数据采集装置还包括存储单元，所述存储单元用于存储所述数据采集装置自身的本地站号；所述通信接口用于接收所述上位控制器的数据读取请求，所述数据读取请求携带有目标数据采集装置的目标站号；所述控制单元用于在判断出所述本地站号与所述目标站号相同时，通过所述通信接口将请求读取的数据反馈至所述上位控制器。通过为数据采集装置设定本地站号，从而使得外部的上位控制器可以准确获取多个旋转机构的信息。
另外，所述数据采集装置还包括与所述控制单元连接的拨码开关；所述拨码开关用于设定所述本地站号，从而可以方便地设置本地站号。
另外，所述通信接口包括：全双工通信接口或半双工通信接口。
另外，在所述通信接口为半双工通信接口时，所述半双工通信接口包括以下任意类型之一：RS-485、CAN。
另外，所述将采集的数据发送至所述上位控制器，具体包括：以直接内存存取方式将采集的数据发送至所述上位控制器。
另外，所述预设时长为一个字节的传输时间。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是根据本发明第一实施方式数据采集装置的结构示意图；
图2是根据本发明第三实施方式控制系统的结构示意图；
图3是根据本发明第四实施方式通信方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种数据采集装置，其应用于带有旋转变压器的旋转机构。旋转机构例如为电机、定滑轮等，本实施方式对于旋转机构不作具体限制。其中，电机例如为永磁同步电机，直流电机等，本实施方式对于电机不作具体限制。本实施方式的数据采集装置包括：数字转换单元、控制单元以及通信接口。数字转换单元用于将旋转变压器的模拟轴角信号转换成单圈数字轴角信息。数字转换单元以及通信接口均连接控制单元，通信接口用于在控制单元以及外部的上位控制器之间实现总线通讯。
本发明实施方式相对于现有技术而言，数据采集装置设置在旋转机构附近，这样，数据采集装置中的数字转换单元与旋转机构上的旋转变压器之间的距离非常近，从而使得数字转换单元接收到的旋转变压器的模拟电压信号(即轴角信号)受到的干扰非常小，确保了轴角信息的准确性，同时，数据采集装置还通过自带的通信接口与外部的上位控制器以总线方式进行通讯，从而可以将转换后的单圈数字轴角信息传输给上位控制器，因此，在上位控制器远离旋转机构的应用场合，可以克服长距离旋转变压器的模拟量信号易受干扰的问题，进而使得控制更精确，并且，在单个上位控制器分时采集多个旋转机构轴角信息的应用场合，通过总线通信方式传输轴角信息，可以大大简化接线，降低系统的接线复杂度。下面对本实施方式的数据采集装置的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。
本实施方式中的数据采集装置如图1所示，具体包括：数字转换单元、控制单元、通信接口、存储单元、上位机通信端口以及程序烧写端口。其中，数字转换单元、通信接口、存储单元、上位机通信接口以及程序烧写端口均连接控制单元。
数字转换单元用于将旋转变压器的模拟轴角信号转换成单圈数字轴角信息。具体地说，数字转换单元可以采用旋转变压器数字转换(即Resolver-Digital Converter，简称RDC)芯片。其中，专用RDC芯片的实现方式为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。在一些例子中，数字转换单元也可以采用单片机或者FPGA芯片实现，即利用单片机或FPGA运行轴角转换算法计算轴角，从而将旋转变压器提供的模拟电压信号转换成单圈数字轴角信息。本实施方式对于数字转换单元不做具体限制。本实施方式中，由于数据采集装置设置在旋转机构附近(例如可以直接设置在电机上)，而旋转变压器也在电机上，因此数据采集装置和旋转变压器之间的距离很近，连接旋转变压器以及数据采集装置的模拟电压信号线的长度很短，从而避免了模拟电压信号受到过多的干扰，保证了模拟电压信号的准确性。
本实施方式中，通信接口用于在控制单元以及外部的上位控制器(例如变频器)之间实现总线通讯。具体地，通信接口可以采用全双工通信接口和/或半双工通信接口。其中，半双工通信接口可以采用RS-485、CAN。本实施方式对于通信接口不作具体限制。本实施方式中，通信接口可以全面负责数据采集装置与上位控制器之间的数据通信。具体地，数据采集装置通过通信接口将转换后的单圈数字轴角信息传输至上位控制器，而上位控制器与数据采集装置之间的接线仅需一根通信线(例如RS-485总线)，因此可以大大地减少接线数目，降低接线复杂度，提高接线的灵活性。并且，由于RS-485通信线在很长的情况下也不会影响信号传输速度，且不易受到干扰，从而保证了上位控制器获取的轴角信息的精确性，进而可以提高控制精度。
本实施方式中，存储单元可以用于存储控制单元运行时所需的相关参数，例如可以用于存储数据采集装置自身的本地站号，本地站号可以指示与数据采集装置对应的旋转变压器，通过定义本地站号，从而可以使得上位控制器能够分时控制多个旋转机构。具体地，通信接口用于接收上位控制器的数据读取请求，数据读取请求携带有目标数据采集装置的目标站号，控制单元用于在判断出本地站号与目标站号相同时，通过通信接口将请求读取的数据反馈至上位控制器，这样，当上位控制器与多个数据采集装置组网时，上位控制器与各数据采集装置可以通过一问一答的方式实现分时控制。
本实施方式中，数据采集装置还包括与控制单元连接的拨码开关，拨码开关用于设定本地站号，通过拨码开关设定数据采集装置的参数(例如本地站号)的方式为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。在一些例子中，还可以采用数据采集装置的内部参数设定本地站号，本实施方式对于本地站号的设定方式不作具体限制。
在一些例子中，存储单元可以采用E2PROM(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，带电可擦可编程只读存储器，简称E2PROM)，本实施方式对于存储单元不作具体限制。存储单元和控制单元之间可以采用I2C方式通信，本实施方式对于存储单元以及控制单元之间的通信方式不作具体限制。本实施方式数据采集装置的上位机通信端口用于与外部上位机进行通信，从而便于扩展数据采集装置的通信能力，本实施方式对于上位机通信端口的类型不作具体限制。本实施方式数据采集装置的程序烧写端口用于烧写控制单元的相关程序，从而便于对本实施方式的数据采集装置的功能进行定制。上位机通信端口与控制单元之间可以采用USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步串行接收/发送器，简称USART)通信方式进行数据传输。程序烧写端口与控制单元之间可以采用BootIO的通信方式进行数据传输。
本实施方式中，控制单元可以采用单片机，本实施方式对于控制单元不作具体限制。控制单元与数字转换单元之间可以采用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口，简称SPI)通信接口进行数据传输。本实施方式对于控制单元以及数字转换单元之间的传输方式不作具体限制。
本实施方式与现有技术相比，数据采集装置设置在旋转机构的附近，例如直接安装在电机侧，并且数据采集装置通过通信接口采用总线通信方式与外部的上位控制器通信，从而使得数据采集装置和旋转变压器之间的模拟电压信号传输距离很短，避免了模拟量电压信号受干扰，同时，由于数据采集装置和上位控制器之间的通信线不易受干扰且接线非常简单，所以可保证在上位控制器和旋转变压器之间的距离较大时轴角信息传输的精确性，并且可以大大简化上位控制器和数据采集装置之间的接线复杂性，有利于实现单个上位控制器采集多个旋转机构的轴角信息。
本发明的第二实施方式涉及一种数据采集装置。第二实施方式在第一实施方式的基础上做出改进，主要改进之处在于：在第二实施方式中，数据采集装置还可以对数字转换单元输出的多个单圈数字轴角信息进行多圈累积以得到多圈长度信息，从而可以通过旋转变压器实现计长，进而扩展了旋转变压器的功能。
本实施方式中，控制单元还用于对数字转换单元转换后的多个单圈数字轴角信息进行多圈累积得到多圈长度信息(即计长信息)。由于数字转换单元仅能得到单圈数字轴角信息，即数字转换单元不具备累积多圈绝对值从而实现计长的功能，所以，本实施方式通过数据采集装置中的控制单元实现多圈信息累积，从而在旋转机构工作时，通过数据采集装置(即在旋转机构本地)即可实现计长。本实施方式通过在旋转机构本地实现计长，相比于现有技术中的在上位控制器中实现计长，由数据采集装置与旋转机构的距离很近，所以用于进行计长的轴角信号的传输距离很短，因此可以避免长距离信号传输过程导致的计长不准确的问题，且不存在传输速度受限的问题，因此可以使得计长更精确。同时，由于旋转变压器与光电编码器相比能够适应更恶劣的环境，因此本实施方式通过本地数据采集装置与旋转变压器结合，可以大大提高恶劣环境应用场合下的计长精度。
值得一提的是，为了确保控制单元能够更为准确地累加多圈长度信息，本实施方式中，控制单元从数字转换单元中读取轴角信息的最小时间需要大于旋转变压器转动180度电角度所需的时间。由于数字转换单元不能直接获得旋转方向，需要靠位置的增量大小进行速度方向判断，如果轴角信息读取时间大于旋转变压器转动180度电角度所需的时间，那么通过位置增量大小判断速度方向的方式会出现判断错误，最终导致累积的多圈长度信息不准确。
本实施方式与前述实施方式相比，通过旋转变压器和本地数据采集装置可以在恶劣环境中实现更佳的计长精度，同时也扩展了旋转变压器的功能。
本发明第三实施方式涉及一种控制系统，如图3所示，包括：上位控制器以及分别与上位控制器通信连接的N个如第一或者第二实施方式所述的数据采集装置。其中，N为大于或者等于1的自然数。本实施方式中，N表示受上位控制器控制的旋转机构的数目，在实际应用中，可以根据上位控制器的性能以及控制需求确定单个上位控制器控制的旋转机构的数目。本实施方式对于N的取值不作具体限制。
本实施方式中，单个上位控制器(例如变频器)可以控制多个旋转机构(例如电机)。具体地，单个变频器可以分时控制多个电机。例如，变频器和电机上的数据采集装置可以采用一问一答的方式进行通信。具体地，变频器中配置有受控的多个电机的站号，而每个数据采集装置中配置有与所在电机对应的本地站号。变频器发送携带有目标站号的数据或者数据传输请求至变频器上的通信接口总线，连接在该总线上的多个数据采集装置判断目标站号与本地站号是否一致，若一致，则响应变频器进行数据收发，若不一致，则不作处理。
本实施方式与现有技术相比，数据采集装置设置在旋转机构的附近，例如直接安装在电机侧，并且数据采集装置通过通信接口采用总线通信方式与上位控制器通信，从而使得数据采集装置和旋转变压器之间的模拟电压信号传输距离很短，避免了模拟量电压信号受干扰，同时，由于数据采集装置和上位控制器之间的通信线不易受干扰且接线非常简单，所以可保证在上位控制器和旋转变压器之间的距离较大时轴角信息传输的精确性，并且可以大大简化上位控制器和数据采集装置之间的接线复杂性，有利于实现单个变频器控制多个电机。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
本发明第四实施方式涉及一种通信方法，应用于如第三实施方式所述的控制系统，需要说明的是，本实施方式中，上位控制器以及数据采集装置的通信接口均为半双工通信的RS-485接口，即两者采用半双工通信方式进行通信。在旋转机构控制系统中，旋转变压器用于反馈旋转机构的角度和速度，具体地，旋转变压器可以安装在电机轴上，用于测试电机的旋转速度和转子电角度。数据采集装置将旋转变压器输出的模拟电压信号转换成数字信息(即轴角信息)，上位控制器通过读取转换后的数字轴角信息进行电机的闭环控制。上位控制器在控制电机时，对读取的电机角度和速度(即轴角信息)的准确性要求很高，角度越准确，控制性能就越好，所以准确地获取角度和位置信息非常关键。RS-485是常用的现场通信方式之一，由于RS-485为半双工通信，而半双工通信在收发完数据包后，需及时把RS-485接口芯片设置为接收模式，如果主或者从设备在未设置为接收模式前，对方已经发送信息，则此数据包将会被丢弃。这必将延长轴角信息的获取时间，角度和速度的准确性以及实时性变差，进而导致整个系统的控制性能受到影响。本实施方式的通信方法对半双工通信方式存在的上述问题进行了改进，从而可保证例如RS-485等的半双工通信的传输速度以及实时性满足应用要求。
如图3所示，本实施方式的通信方法包括步骤301至步骤303。
步骤301：当上位控制器发送至数据采集装置的数据发送完成后，上位控制器产生发送完成中断，并将上位控制器的通信接口置为接收状态。
步骤302：数据采集装置在延迟预设时长未继续接收到上位控制器的发送数据后，产生接收空闲中断。
具体地，预设时长例如为一个字节的传输时间。本实施方式对于预设时长不作具体限制。
步骤303：数据采集装置在接收到上位控制器的数据读取指令后，将采集的数据发送至上位控制器，在发送完成后产生发送完成中断，并将数据采集装置置为接收状态。
具体地，当数据采集装置发送数据时，数据采集装置的控制单元可以从数字转换单元中读取旋转变压器的角度、速度以及故障寄存器中的故障信息等的信息，读取完成之后打包发送给上位控制器。其中，数据采集装置以直接内存存取(Direct MemoryAccess，简称DMA)方式将采集的数据发送至上位控制器，从而可以减少数据采集装置中控制单元的资源占用。
需要说明的是，在实际应用中，在上位控制器与数据采集装置开始通信之前，数据采集装置需要进行初始化，以使得上位控制器和数据采集装置能够以例如RS-485的通讯方式进行通讯。并且，步骤301至步骤303仅是为了描述控制系统中上位控制器以及数据采集装置的数据收发过程的，所以对步骤301至步骤303中各步骤的顺序不作具体限制。
本实施方式与现有技术相比，对控制系统中上位控制器以及数据采集装置的半双工通信方式进行了改进，从而使得两者之间数据传输的速度以及实时性得到保证，进而保证了控制的性能。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
由于第三实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第三实施方式互相配合实施。第三实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第三实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第三实施方式中。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种数据采集装置，应用于带有旋转变压器的旋转机构，其特征在于，所述数据采集装置包括：数字转换单元、控制单元以及通信接口；
所述数字转换单元用于将所述旋转变压器的模拟轴角信号转换成单圈数字轴角信息；
所述数字转换单元以及所述通信接口均连接所述控制单元，所述通信接口用于在所述控制单元以及外部的上位控制器之间实现总线通讯。
2.根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，所述控制单元还用于对多个所述单圈数字轴角信息进行多圈累积得到多圈长度信息。
3.根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，所述数据采集装置还包括存储单元，所述存储单元用于存储所述数据采集装置自身的本地站号；
所述通信接口用于接收所述上位控制器的数据读取请求，所述数据读取请求携带有目标数据采集装置的目标站号；
所述控制单元用于在判断出所述本地站号与所述目标站号相同时，通过所述通信接口将请求读取的数据反馈至所述上位控制器。
4.根据权利要求3所述的数据采集装置，其特征在于，所述数据采集装置还包括与所述控制单元连接的拨码开关；
所述拨码开关用于设定所述本地站号。
5.根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，所述通信接口包括：全双工通信接口或半双工通信接口。
6.根据权利要求5所述的数据采集装置，其特征在于，在所述通信接口为半双工通信接口时，所述半双工通信接口包括以下任意类型之一：RS-485、CAN。
7.一种控制系统，其特征在于，包括：上位控制器以及分别与所述上位控制器通信连接的N个如权利要求1至6中任一项所述的数据采集装置；其中，所述N为大于或者等于1的自然数。
8.一种通信方法，应用于如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，在所述上位控制器以及所述数据采集装置的通信接口均为半双工的RS-485通信接口时，所述通信方法包括：
当所述上位控制器发送至所述数据采集装置的数据发送完成后，所述上位控制器产生发送完成中断，并将所述上位控制器的通信接口置为接收状态；
所述数据采集装置在延迟预设时长未继续接收到所述上位控制器的发送数据后，产生接收空闲中断；
所述数据采集装置在接收到所述上位控制器的数据读取指令后，将采集的数据发送至所述上位控制器，在发送完成后产生发送完成中断，并将所述数据采集装置置为接收状态。
9.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，所述将采集的数据发送至所述上位控制器，具体包括：
以直接内存存取方式将采集的数据发送至所述上位控制器。
10.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，所述预设时长为一个字节的传输时间。
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