CN107991574B - 编码器输出信号检测电路及电机控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种编码器输出信号检测电路及电机控制器，所述检测电路包括第一输入端口、电压处理单元、第一比较单元、第二比较单元、第一逻辑处理单元以及第一输出端口，其中：所述电压处理单元的输出端分别连接到第一比较单元的同相输入端和第二比较单元的反相输入端，所述电压处理单元的输入端连接到第一输入端口；所述第一比较单元的反相输入端连接到第一参考电压，所述第二比较单元的同相输入端连接到第二参考电压；所述第一逻辑处理单元仅在两个输入端的电压相异时向所述第一输出端口输出第一预设信号。本发明通过将一路输入信号转化为两路电平相反的信号，无论编码器输出为脉冲方波信号还是稳定电平信号，都能够快速进行断线检测。

Description

编码器输出信号检测电路及电机控制器
技术领域
本发明涉及编码器领域，更具体地说，涉及一种编码器输出信号检测电路及电机控制器。
背景技术
编码器是工业控制设备中不可或缺的关键器件，对于编码器信号的处理和检测也非常重要，其直接关系到工业控制设备运行的稳定和安全。
如图1所示，在常用的推挽输出类型的编码器中，其输出端口的内部电路结构为推挽，具体包括一个P沟道MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)Q1和一个N沟道MOS管Q2。并且，上述编码器的输出信号形式一般也为两种；例如对于ABZ增量式编码器，若是差分输出，则有六路信号A+、A-、B+、B-、Z+、Z-，通过检测成对信号的差分电压(例如A+信号电压减去A-信号上电压)大小来判断信号传输脉冲数；若是单端输出形式，则只有三路信号A+、B+、Z+，通过检测信号对地的压差来判断传输的脉冲数。
如图2所示，为针对差分信号的断线检测电路的示意图，由编码器的输出端口输出的信号A+连接端口A+in、信号A-连接端口A-in，并通过异或门U1来检测差分信号：当无断线时，信号A+和信号A-的其中一个为高电平、另一个为低电平，且两个电平始终相反，异或门U1输出为高电平；当发生断线时，异或门U1的输入为相同电平(高电平、低电平都有可能)的信号，异或门U1输出为低电平。
对于图2电路，若信号输入采用单端输出形式的编码器，由编码器的输出端口输出的信号A+还是连接端口A+in，端口A-in则连接到参考地(GND)。在编码器所连接轴不转动时(例如电机处于待机状态)，编码器输出恒定的电平信号(即A+、B+、Z+的输出形式为恒定的高电平或者低电平)，而在编码器的输出为低电平时，异或门U1的输出就为低电平，与断线情况下输出情况一致，所以无法判断是否出现断线。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述编码器断线检测无法根据单端输出信号进行断线检测的问题，提供一种编码器输出信号检测电路及电机控制器。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种编码器输出信号检测电路，包括第一输入端口、电压处理单元、第一比较单元、第二比较单元、第一逻辑处理单元以及第一输出端口，其中：所述电压处理单元的输出端分别连接到所述第一比较单元的同相输入端和所述第二比较单元的反相输入端，所述电压处理单元的输入端连接到第一输入端口，且所述电压处理单元在其输入端断线时输出预设电压、在输入端不断线时输出所述第一输入端口的电压；所述第一比较单元的反相输入端连接到第一参考电压，所述第二比较单元的同相输入端连接到第二参考电压，且所述第一参考电压大于所述第二参考电压；所述第一逻辑处理单元的两个输入端分别连接到所述第一比较单元和所述第二比较单元的输出端，且所述第一逻辑处理单元仅在其两个输入端的电压相异时向所述第一输出端口输出第一预设信号。
在本发明所述的编码器输出信号检测电路中，所述第一参考电压小于所述第一输入端口为高电平时的最小电压；所述第二参考电压大于所述第一输入端口为低电平时的最大电压；所述预设电压小于所述第一参考电压且大于所述第二参考电压。
在本发明所述的编码器输出信号检测电路中，所述电压处理单元包括上拉电阻以及至少一个分压电阻，所述上拉电阻和分压电阻串联连接在供电电压与参考地之间，且所述电压处理单元的输入端连接到所述上拉电阻和分压电阻的连接点。
在本发明所述的编码器输出信号检测电路中，所述第一逻辑处理单元包括异或门，且所述第一预设信号为高电平。
在本发明所述的编码器输出信号检测电路中，所述检测电路还包括第二输入端口、切换开关、第二逻辑处理单元以及第二输出端口，且所述电压处理单元仅在输入端断线且所述切换开关闭合时输出预设电压；所述第一输入端口和所述第二输入端口分别连接到所述第二逻辑处理单元的两个输入端，且所述第二逻辑处理单元仅在两个输入端的电压相异时向所述第二输入端口输出第二预设信号。
在本发明所述的编码器输出信号检测电路中，所述第一逻辑处理单元包括异或门，且所述第二预设信号为高电平。
在本发明所述的编码器输出信号检测电路中，所述第二输入端口在所述切换开关闭合时接地。
在本发明所述的编码器输出信号检测电路中，所述检测电路还包括信号接收器以及第三输出端口，且所述第一输入端口和第二输入端口分别经由限流电阻连接到所述信号接收器的两个输入端，所述信号接收器的输出端连接到所述第三输出端口。
本发明还提供一种电机控制器，包括如上所述的编码器输出信号检测电路。
本发明的编码器输出信号检测电路及电机控制器，通过将一路输入信号转化为两路电平相反的信号，从而无论编码器输出为脉冲方波信号还是稳定电平信号，都能够快速进行断线检测。并且，本发明兼容输入为差分形式或者输入为单端形式的编码器信号的断线检测。
附图说明
图1是编码器输出端口的内部电路结构示意图；
图2是现有编码器输出信号检测电路示意图；
图3是本发明编码器输出信号检测电路实施例的示意图；
图4是本发明编码器输出信号检测电路实施例的电路拓扑图；
图5是本发明另一编码器输出信号检测电路实施例的示意图；
图6是本发明另一编码器输出信号检测电路实施例的电路拓扑图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3所示，是本发明编码器输出信号检测电路实施例的示意图，该检测电路可连接于编码器后端，并用于编码器输出信号检测。本实施例中的编码器输出信号检测电路包括第一输入端口A+in、电压处理单元32、第一比较单元33、第二比较单元34、第一逻辑处理单元35以及第一输出端口D1，其中：电压处理单元32的输出端分别连接到第一比较单元33的同相输入端和第二比较单元34的反相输入端；第一输入端口A+in用于接入编码器输出的单端信号(或者差分信号中的一路)，电压处理单元32的输入端连接到第一输入端口A+in，且电压处理单元32在输入端断线(即第一输入端口A+in无信号输入)时输出预设电压、在输入端(该电压处理单元32本身的输入端)不断线(即第一输入端口A+in有信号输入)时输出来自第一输入端口A+in的电压(例如直接输出单端信号对应的电压或一路差分信号对应的电压)。
同时参考图4，第一比较单元33具体可采用比较器U1，且该比较器U1的反相输入端连接到第一参考电压Vref1；第二比较单元34具体可采用比较器U2，且该比较器U2的同相输入端连接到第二参考电压Vref2，且第一参考电压Vref1大于第二参考电压Vref2。第一逻辑处理单元35具体可采用异或门U3，且该异或门U3的两个输入端分别连接到第一比较单元33和第二比较单元34的输出端，且第一逻辑处理单元35仅在两个输入端(即该第一逻辑处理单元35本身的输入端)的电压相异时向第一输出端口D1输出第一预设信号。特别地，在第一逻辑处理单元35采用异或门U3时，第一预设信号为高电平。
具体地，上述第一参考电压Vref1和第二参考电压Vref2可根据编码器输出信号设置，且第一参考电压Vref1小于第一输入端口A+in的输入为高电平时的最小电压；第二参考电压Vref2大于第一输入端口A+in的输入为低电平时的最大电压；预设电压则小于第一参考电压Vref1且大于第二参考电压Vref2。例如，当第一输入端口A+in的输入为高电平时的最小电压为3.5V、第一输入端口A+in的输入为低电平时的最大电压为1.5V时，可将第一参考电压Vref1设置为3V，将第二参考电压Vref2设置为2V。
电压处理单元32具体包括上拉电阻R0以及分压电阻R1、R3、R2，且上拉电阻R0和分压电阻R1、R3、R2串联连接在供电电压VCC与参考地之间，电压处理单元的输入端连接到上拉电阻R0和分压电阻R1的连接点。当然，在实际应用中，分压电阻的数量可根据需要调整。该编码器输出信号检测电路的工作原理如下：
(1)当第一输入端口A+in上的信号发生断线时，即第一输入端口A+in为悬空状态(无输入信号)，则第一输入端口A+in上的电压由供电电压VCC、上拉电阻R0、分压电阻R1、R2和R3组成的分压网络决定，通过上述上拉电阻R0、分压电阻R1、R2和R3可以调节第一输入端口A+in上的电压，使第一输入端口A+in电压幅值VA+in处于Vref1和Vref2之间，即VA+in＞Vref2和VA+in＜Vref1，则比较器U1输出为低电平，比较器U2输出也为低电平，进而异或门U3向第一输出端口输出D1输出为低电平，表示第一输入端A+in的输入信号(即编码器的输出信号)发生断线。
(2)当第一输入端口A+in上的输入信号没有发生断线时，第一输入端口A+in上的电平为高电平或者低电平，且由于第一参考电压Vref1电压小于第一输入端口A+in输入的高电平的最小电压，第二参考电压Vref2电压大于A+in输入低电平的最大电压，则当第一输入端口A+in为高电平时，其电压幅值VA+in＞Vref1、VA+in＞Vref2，比较器U1输出为高电平，比较器U2输出为低电平，即异或门U3的两个输入电平形式相反，异或门U3向第一输出端口D1输出高电平，表示第一输入端A+in的输入信号(即编码器的输出信号)未发生断线。当第一输入端口A+in为低电平时，电压幅值VA+in＜Vref1、VA+in＜Vref2，比较器U1输出低电平，比较器U2输出高电平，即异或门U3的两个输入电平形式相反，异或门U3向第一输出端口D1输出高电平，表示第一输入端口A+in的输入信号(即编码器的输出信号)未发生断线。
下面通过具体的实施例进行分析，例如，当第一输入端口A+in的输入(即编码器的输出)为高电平时的最小电压为3.5V、第一输入端口A+in的输入为低电平时的最大电压为1.5V时，可将第一参考电压Vref1设置为3V，将第二参考电压Vref2设置为2V。此时，当第一输入端口A+in上的信号发生断线时，由供电电压VCC、上拉电阻R0、分压电阻R1、R2和R3组成的分压网络将第一输入端口A+in上的电压上拉至2.5V，从而比较器U1输出为低电平，比较器U2输出也为低电平，进而异或门U3向第一输出端口输出D1输出为低电平，表示第一输入端A+in的输入信号(即编码器的输出信号)发生断线。当第一输入端口A+in上的信号未发生断线时，第一输入端口A+in上的电平为3.5V(即编码器输出为高电平)，从而比较器U1输出为高电平且比较器U2输出为低电平，进而异或门U3向第一输出端口输出D1输出为高电平，表示第一输入端A+in的输入信号(即编码器的输出信号)未发生断线；或者第一输入端口A+in上的电平为1.5V(即编码器输出为低电平)，从而比较器U1输出为低电平且比较器U2输出为高电平，进而异或门U3向第一输出端口输出D1输出为高电平，表示第一输入端A+in的输入信号(即编码器的输出信号)未发生断线。
通过以上分析可知，上述编码器输出信号检测电路采用两个比较器的区间比较接法，能够把正常输入信号转化为两路电平相反的信号，把断线时候的信号转化为两路电平相同的信号。无论是在编码器所连接电机轴运转还是非运转，即编码器信号输出为脉冲方波信号还是稳定电平信号，都能够进行断线检测。
如图5所示，在本发明编码器输出信号检测电路的另一实施例中，检测电路除了包括第一输入端口A+in、电压处理单元32、第一比较单元33、第二比较单元34、第一逻辑处理单元35以及第一输出端口D1外，还包括切换开关单元31、第二逻辑处理单元36以及第二输出端口D2。电压处理单元32仅在切换开关单元31闭合时向第一输入端口A+in施加预设电压；第一输入端口A+in和第二输入端口A-in分别连接到第二逻辑处理单元36的两个输入端，且第二逻辑处理单元36仅在两个输入端的电压相异时向第二输入端口D2输出第二预设信号。上述第二逻辑处理单元36具体可采用异或门(具体可采用MOS输入型异或门)，相应地，第二预设信号可为高电平。
同时参考图6，上述切换开关单元31具体可采用切换开关SW1，第二逻辑处理单元36可采用异或门U4。在将上述编码器输出信号检测电路连接到编码器时，若接入编码器输出的一组差分信号，则切换开关SW1断开，且第一输入端口A+in和第二输入端口A-in分别连接两个差分信号A+和A-，此时电压处理单元32的上拉电阻R0不接入电路，电路通过异或门U4进行差分输入信号的断线检测，其工作原理如下：
(1)当第一输入端口A+in和第二输入端口A-in上输入的信号有一个发生断线时，此时断线端口为悬空状态，在电压处理单元32中的分压电阻R1、R2和R3中并无电流通路，其压降为0，则第一输入端口A+in和第二输入端口A-in上电压一致，电压随未断线的输入信号变化而变化。此时异或门U4的输入为两个相同电平的信号，该异或门U4向第二输出端口D2输出低电平，表示编码器输出的该组差分信号发生断线故障。
(2)当第一输入端口A+in和第二输入端口A-in上输入的信号两路同时发生断线时，此时第一输入端口A+in和第二输入端口A-in为悬空状态，在分压电阻R1、R2和R3中并无电流通路，其压降为0，则第一输入端口A+in和第二输入端口A-in上电压一致，由于异或门U4(具体可采用MOS输入型异或门)在输入悬空的时候，认为两个输入都为高电平，则该异或门U4向第二输出端口D2输出低电平，表示编码器输出的该组差分信号发生断线故障。
(3)当第一输入端口A+in和第二输入端口A-in上输入的信号都没有发生断线时，第一输入端口A+in和第二输入端口A-in上的电平信号始终为相反信号，即一个为高电平另一个为低电平，则异或门U4向第二输出端口D2输出高电平，表示编码器输出的该组差分信号未发生断线故障。
在将上述编码器输出信号检测电路连接到编码器时，若接入编码器输出的单端信号或单个差分信号，则切换开关SW1闭合，此时电压处理单元32的上拉电阻R0接入电路，上拉到电压VCC，单端信号例如A+接入第一输入端口A+in，第二输入端口A-in连接参考地，电路通过比较器U1、比较器U2和异或门U3进行单端输入信号的断线电路检测，其工作原理如下：
(1)当第一输入端口A+in上的信号发生断线时，即该第一输入端口A+in为悬空状态，则第一输入端口A+in上的电压由电源VCC、上拉电阻R0、分压电路R1、R2和R3组成的分压网络决定，通过上述电阻可以调节第一输入端口A+in上的电压，使第一输入端口A+in电压幅值VA+in处于第一参考电压Vref1和第二参考电压Vref2之间，即VA+in＞Vref2和VA+in＜Vref1，则比较器U1输出为低电平，比较器U2输出也为低电平，进而异或门U3向第一输出端口D1输出低电平，表示编码器输出的该组单个差分信号或者单端信号发生断线故障。
(2)当第一输入端口A+in上的输入信号没有发生断线时，则该第一输入端口A+in上的电平为高电平或者低电平，且由于第一参考电压Vref1电压小于第一输入端口A+in输入的高电平的最小电压，第二参考电压Vref2电压大于第一输入端口A+in输入低电平的最大电压，则当第一输入端口A+in为高电平时，电压幅值VA+in＞Vref1、VA+in＞Vref2，比较器U1输出为高电平，比较器U2输出为低电平，即异或门U3的两个输入电平形式相反，该异或门U3向第一输出端口D1输出高电平，表示编码器输出的信号未发生断线故障。当第一输入端口A+in为低电平时，电压幅值VA+in＜Vref1、VA+in＜Vref2，比较器U1输出低电平，比较器U2输出高电平，即异或门U3的两个输入电平形式相反，该异或门U3向第一输出端口D1输出高电平，表示编码器输出的该组单个差分信号或者单端信号未发生断线故障。
此外，上述编码器输出信号检测电路还可包括信号接收器以及第三输出端口UA，且第一输入端口A+in和第二输入端口A-in分别经由限流电阻(可限流电阻可在电压处理单元32中同时用作分压)连接到信号接收器的两个输入端，信号接收器的输出端连接到第三输出端口UA。通过信号接收器，可实现脉冲信号计数，从而辅助实现电机转速控制等。
本发明还提供一种电机控制器，包括如上所述的编码器输出信号检测电路。其中编码器输出信号检测电路可集成到电机控制器的主控板，或集成到连接到主控板的单板，从而实现编码器输出信号计数以及断线检测，以辅助进行电机控制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种编码器输出信号检测电路，其特征在于：包括用于接入编码器输出的单端信号或单个差分信号的第一输入端口、电压处理单元、第一比较单元、第二比较单元、第一逻辑处理单元以及第一输出端口，其中：所述电压处理单元的输出端分别连接到所述第一比较单元的同相输入端和所述第二比较单元的反相输入端，所述电压处理单元的输入端连接到第一输入端口，且所述电压处理单元在其输入端断线时输出预设电压、在输入端不断线时输出所述第一输入端口的电压；所述第一比较单元的反相输入端连接到第一参考电压，所述第二比较单元的同相输入端连接到第二参考电压，且所述第一参考电压大于所述第二参考电压；所述第一逻辑处理单元的两个输入端分别连接到所述第一比较单元和所述第二比较单元的输出端，且所述第一逻辑处理单元仅在其两个输入端的电压相异时向所述第一输出端口输出第一预设信号。
2.根据权利要求1所述的编码器输出信号检测电路，其特征在于：所述第一参考电压小于所述第一输入端口为高电平时的最小电压；所述第二参考电压大于所述第一输入端口为低电平时的最大电压；所述预设电压小于所述第一参考电压且大于所述第二参考电压。
3.根据权利要求1所述的编码器输出信号检测电路，其特征在于：所述电压处理单元包括上拉电阻以及至少一个分压电阻，所述上拉电阻和分压电阻串联连接在供电电压与参考地之间，且所述电压处理单元的输入端连接到所述上拉电阻和分压电阻的连接点。
4.根据权利要求1所述的编码器输出信号检测电路，其特征在于：所述第一逻辑处理单元包括异或门，且所述第一预设信号为高电平。
5.根据权利要求1所述的编码器输出信号检测电路，其特征在于：所述检测电路还包括第二输入端口、切换开关、第二逻辑处理单元以及第二输出端口，所述第一输入端口和第二输入端口分别连接编码器输出的两个差分信号A+和A-，且所述电压处理单元仅在输入端断线且所述切换开关闭合时输出预设电压；所述第一输入端口和所述第二输入端口分别连接到所述第二逻辑处理单元的两个输入端，且所述第二逻辑处理单元仅在两个输入端的电压相异时向所述第二输入端口输出第二预设信号。
6.根据权利要求5所述的编码器输出信号检测电路，其特征在于：所述第二逻辑处理单元包括异或门，且所述第二预设信号为高电平。
7.根据权利要求5所述的编码器输出信号检测电路，其特征在于：所述第二输入端口在所述切换开关闭合时接地。
8.根据权利要求5所述的编码器输出信号检测电路，其特征在于：所述检测电路还包括信号接收器以及第三输出端口，且所述第一输入端口和第二输入端口分别经由限流电阻连接到所述信号接收器的两个输入端，所述信号接收器的输出端连接到所述第三输出端口。
9.一种电机控制器，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的编码器输出信号检测电路。
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