CN108801301B - 编码器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种编码器系统，包括处理器以及独立于所述处理器的感光元件、比较器组件和运放组件；所述感光元件包括至少一组第一输出端子和至少一组第二输出端子，且每一组所述第一输出端子和每一组所述第二输出端子分别输出一组正余弦信号；所述感光元件的第一输出端子连接到所述比较器组件的输入端、所述第二输出端子连接到所述运放组件的输入端；所述比较器组件的输出端连接到所述处理器的第一输入引脚，所述运放组件的输出端连接到所述处理器的第二输入引脚。本发明通过比较器组件和运放组件对感光元件输出的信号进行预处理，并由处理器根据预处理的信号生成位置信号，不仅构造简单、成本低，而且便于实现功能扩展。

Description

编码器系统
技术领域
本发明涉及位置检测领域，更具体地说，涉及一种编码器系统。
背景技术
随着工业自动化的发展，高精度控制的需求，编码器已成为电机，尤其是伺服电机的重要的速度和位置反馈传感器。编码器是一种集光、机、电于一体的角度测量装置。在一个典型的闭环控制中，编码器作为观测器，其性能参数直接影响控制系统精度、增益、和稳定性。
现有的单圈编码器产品中，光电池(即感光元件)和细分集成电路(IC)集成为一体，且提供的开发端口和功能极少，使得终端伺服电机用户无法进行自我校正和比对，在很多应用场合中无法达到高精度要求，而且也无法根据通信需求形成自我协议。而现有的多圈编码器产品中，外置元件过于繁杂、成本高、可生产性差，且很难实现小型化，防呆保护不足。
伴随着伺服电机市场对基于游标的编码器需求量的持续增大，提高精度和降低成本的需求越来越旺盛，现有的编码器方案已越来越无法满足伺服电机系统不断提升的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述编码器无法满足不断提升的需求的问题，提供一种新的编码器系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种编码器系统，包括处理器以及独立于所述处理器的感光元件、比较器组件和运放组件；所述感光元件包括至少一组第一输出端子和至少一组第二输出端子，且每一组所述第一输出端子和每一组所述第二输出端子分别输出一组正余弦信号；所述感光元件的第一输出端子连接到所述比较器组件的输入端、所述第二输出端子连接到所述运放组件的输入端；所述比较器组件的输出端连接到所述处理器的第一输入引脚，所述运放组件的输出端连接到所述处理器的第二输入引脚。
在本发明所述的编码器系统中，所述处理器的第一输入引脚为脉冲信号输入引脚，且所述处理器包括两组第一输入引脚，所述比较器组件包括第一比较单元和第二比较单元；所述感光元件包括两组第一输出端子，其中一组第一输出端子向所述第一比较单元输出主码道正余弦信号，另一组第一输出端子向所述第二比较单元输出游标码道正余弦信号；所述第一比较单元将输入的主码道正余弦信号转换为第一正交方波后输入到所述处理器的其中一组第一输入引脚，所述第二比较单元将所述游标码道正余弦信号转换为第二正交方波后输入到所述处理器的另一组第一输入引脚。
在本发明所述的编码器系统中，所述处理器的第二输入引脚为模拟信号输入引脚，且所述处理器包括三组第二输入引脚，所述运放组件包括第一运算放大单元、第二运算放大单元和第三运算放大单元；所述感光元件包括三组第二输出端子，其中第一组第二输出端子向所述第一运算放大单元输出主码道正余弦信号，第二组第二输出端子向所述第二运算放大单元输出游标码道正余弦信号，第三组第二输出端子向所述第三运算放大单元输出段码道正余弦信号；所述第一运算放大单元将输入的主码道正余弦信号做放大处理后输入到所述处理器的第一组第二输入引脚，所述第二运算放大单元将所述游标码道正余弦信号做放大处理后输入到所述处理器的第二组第二输入引脚，所述第三运算放大单元将所述段码道正余弦信号做放大处理后输入到所述处理器的第三组第二输入引脚。
在本发明所述的编码器系统中，所述处理器包括唤醒引脚和供电引脚；所述系统还包括第一电压侦测单元，所述第一电压侦测单元的侦测输入端连接到所述处理器的供电引脚，且所述第一电压侦测单元的侦测输出端连接到所述处理器的唤醒引脚；所述第一电压侦测单元包括有第一唤醒芯片，所述第一唤醒芯片在侦测到所述侦测输入端的电压大于预设值时通过所述侦测输出端输出唤醒信号。
在本发明所述的编码器系统中，所述系统包括多圈传感器组，且所述多圈传感器组的第一输出端连接到所述处理器的第三输入引脚；所述处理器的第三输入引脚为脉冲信号输入引脚。
在本发明所述的编码器系统中，所述多圈传感器组包括第一多圈传感器和第二多圈传感器，且所述第一多圈传感器和第二多圈传感器正交放置。
在本发明所述的编码器系统中，所述处理器包括唤醒引脚和供电引脚；所述系统还包括第二电压侦测单元，所述第二电压侦测单元的第一侦测输入端连接到所述处理器的供电引脚、第二侦测输入端连接到所述多圈传感器组的第二输出端，且所述第二电压侦测单元的侦测输出端连接到所述处理器的唤醒引脚；所述第二电压侦测单元包括第二唤醒芯片，且所述第二唤醒芯片在所述第一侦测输入端的电压大于预设值且第二侦测输入端具有脉冲信号时使所述侦测输出端输出唤醒信号。
在本发明所述的编码器系统中，所述系统还包括采样电路、发光体以及光源驱动电路，所述采样电路的输入端连接到所述感光元件的任一组第一输出端子或第二输出端子，且所述采样电路的输出端连接到所述处理器的第四输入引脚，所述光源驱动电路的输出端连接到所述发光体、控制端连接到所述处理器的控制信号输出引脚，所述处理器根据所述第四输入引脚的电压幅值调整所述控制信号输出引脚的输出信号。
在本发明所述的编码器系统中，所述系统包括电源分配电路，所述电源分配电路包括第一二极管、第二二极管、用于连接主电源的第一供电输入端、用于连接备份电池的第二供电输入端以及用于连接所述处理器的供电引脚的供电输出端；所述第一二极管的正极连接到第一供电输入端，且所述第一二极管的负极连接到供电输出端；所述第二二极管的正极连接到所述第二供电输入端，且所述第二二极管的负极连接到所述供电输出端。
在本发明所述的编码器系统中，所述系统包括防反接电路，所述防反接电路包括用于连接外部电源正极的正输入端、用于连接外部电源负极的负输入端、用于连接所述处理器的供电引脚的正电压输出端以及低压导通型半导体开关管；所述低压导通型半导体开关管连接在所述正输入端和所述正输出端之间，且所述低压导通型半导体开关管的控制端连接到所述负输入端。
本发明的编码器系统，通过比较器组件和运放组件对感光元件输出的信号进行预处理，并由处理器根据预处理的信号生成位置信号，不仅构造简单、成本低，而且便于实现功能扩展。本发明可满足伺服电机市场对多圈编码器需求持续增大，以及精度提升和降低成本的要求。
附图说明
图1是本发明编码器系统第一实施例的示意图；
图2是本发明编码器系统中比较器组件实施例的示意图；
图3是本发明编码器系统中运放组件实施例的示意图；
图4是本发明编码器系统中电压侦测单元实施例的示意图；
图5是本发明编码器系统第二实施例的示意图；
图6是本发明编码器系统中第二电压侦测单元实施例的示意图；
图7是本发明编码器系统中电源分配电路实施例的示意图；
图8是本发明编码器系统中防反接电路实施例的示意图。
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1所示，是本发明编码器系统第一实施例的示意图，该编码器系统可安装到伺服电机，并实时输出伺服电机的转轴的位置，以实现伺服电机的闭环控制。本实施例中的编码器系统包括处理器1、感光元件2、比较器组件3和运放组件4，其中感光元件2、比较器组件3以及运放组件4独立于处理器1。
上述感光元件2可采用光电池芯片，其可根据不同强度的光信号生成对应的电信号。该感光元件2包括至少一组第一输出端子和至少一组第二输出端子，且每一组第一输出端子和每一组第二输出端子分别输出一组正余弦信号。上述感光元件2的第一输出端子连接到比较器组件3的输入端、第二输出端子则连接到运放组件4的输入端。比较器组件3的输出端连接到处理器1的第一输入引脚，运放组件4的输出端连接到处理器1的第二输入引脚。
本发明编码器系统可用于对编码器单圈绝对值的解算，比较器组件3和运放组件4分别可对感光元件2输出的正余弦信号进行预处理，处理器1则可根据经过预处理的信号生成位置信号，并通过输出端口输出到通信单元(如485)，以实现位置信号输出。
上述编码器系统可通过对处理器1编码，实现编码器的功能扩展，例如实现高精度的自我校对和对比等。同时，上述编码器系统还可通过在处理器1编码，减少外置元件，提高编码器系统的可生产性，并减小编码器系统的体积。
需要说明的是，比较器组件3和运放组件4可以独立于感光元件2，也可以集成到感光元件2的内部。此外，处理器1内部可以集成AD(Analog-to-Digital Convert，模数转换)功能，也可以采用外置AD接入处理器1的方式，此不做限制。
上述处理器1的第一输入引脚为脉冲信号输入引脚，且该处理器1包括两组第一输入引脚。对应地，如图2所示，比较器组件3包括第一比较单元31和第二比较单元32，且上述第一比较单元31和第二比较单元32分别包括一个比较器。感光元件2包括两组第一输出端子，其中一组第一输出端子向第一比较单元31输出主码道正余弦信号，另一组第一输出端子向第二比较单元32输出游标码道正余弦信号。第一比较单元31将输入的主码道正余弦信号转换为第一正交方波后输入到处理器1的其中一组第一输入引脚，第二比较单元32将游标码道正余弦信号转换为第二正交方波后输入到处理器1的另一组第一输入引脚。处理器1可根据上述第一正交方波解算得到位置信息的高位数据(即主码道计数值)，且处理器1可根据第二正交方波验证主码道的计数是否正确，有无丢或多脉冲。
上述处理器1的第二输入引脚为模拟信号输入引脚，且处理器1包括三组第二输入引脚。相应地，如图3所示，运放组件4包括第一运算放大单元41、第二运算放大单元42和第三运算放大单元43；感光元件2包括三组第二输出端子，其中第一组第二输出端子向第一运算放大单元41输出主码道正余弦信号，第二组第二输出端子向第二运算放大单元42输出游标码道正余弦信号，第三组第二输出端子向第三运算放大单元43输出段码道正余弦信号。第一运算放大单元41将输入的主码道正余弦信号做放大处理后输入到处理器1的第一组第二输入引脚，第二运算放大单元42将游标码道正余弦信号做放大处理后输入到处理器1的第二组第二输入引脚，第三运算放大单元43将段码道正余弦信号做放大处理后输入到处理器1的第三组第二输入引脚。处理器1具有模数转化功能，其可将三组第二输入引脚输入的模拟信号转化为数字信号，以计算获得位置信号的低位数据。特别地，第一运算放大单元41、第二运算放大单元42和第三运算放大单元43中的电阻R可采用可调电阻，从而可灵活调整第一运算放大单元41、第二运算放大单元42和第三运算放大单元43的增益比例和电压偏置大小。
上述高位数据和低位数据经处理器1拼接即形成单圈位置信号。
处理器1可包括唤醒引脚和供电引脚，相应地，如图4所示，上述编码器系统还可包括第一电压侦测单元5。第一电压侦测单元5的侦测输入端连接到处理器1的供电引脚，且该第一电压侦测单元5的侦测输出端连接到处理器1的唤醒引脚。第一电压侦测单元5包括有第一唤醒芯片51，该第一唤醒芯片51可根据电阻R1、R2、R3的分压值判断侦测输入端的电压大小，并在侦测输入端的电压大于预设值时通过侦测输出端输出唤醒信号，使处理器1由休眠状态进入工作状态。通过上述第一电压侦测电路5，可降低编码器系统的功耗。
本发明的编码器系统除了可实现单圈位置信号输出，还可实现多圈位置信号输出。如图5所示，在本发明的编码器系统的第二实施例中，除了包括处理器1、感光元件2、比较器组件3、运放组件4之外，还包括多圈传感器组6，且该多圈传感器组6的第一输出端连接到处理器1的第三输入引脚(处理器1的第三输入引脚为脉冲信号输入引脚)。上述多圈传感器组6可采用开关磁阻(例如霍尔传感器)，其可在跟随电机周期性转动时，生成与旋转圈数对应的脉冲信号，并输出到处理器1，从而实现计数功能。
特别地，如图6所示，多圈传感器组6包括第一多圈传感器61和第二多圈传感器62，且第一多圈传感器62和第二多圈传感器62正交放置，在随电机周期性转动时，第一多圈传感器61和第二多圈传感器62将产生周期性的相位差为90度的脉冲信号，即正交信号，从而实现多圈绝对值计数功能。
在本实施例中，还可包括第二电压侦测单元9，该第二电压侦测单元9的第一侦测输入端连接到处理器1的供电引脚、第二侦测输入端连接到多圈传感器组6的第二输出端，且第二电压侦测单元9的侦测输出端连接到处理器1的唤醒引脚。上述第二电压侦测单元9包括第二唤醒芯片91，且第二唤醒芯片91在第一侦测输入端的电压大于预设值且第二侦测输入端具有脉冲信号时使侦测输出端输出唤醒信号。在实际应用中，处理器1还可包括多个唤醒引脚，且多圈传感器组6和供电引脚可分别连接到不同唤醒引脚，实现多路唤醒。
如图5所示，上述编码器系统中可包括发光体71(例如可采用LED发光管)以及光源驱动电路72，发光体71在光源驱动电路72驱动下发光，感光元件2根据发光体71发出的光生成电信号。由于发光体71受温度及老化的影响，会导致光强波动，为了得到稳定的幅度，可在上述编码器系统中增加一个采样电路73，该采样电路73可采集感光元件2的输出信号(任一路)，并输出到处理器1的第四输入引脚，处理器1根据第四输入引脚的电压幅值调整控制信号输出引脚(控制信号输出引脚连接到光源驱动电路72的控制端)的输出信号(该输出信号例如可以为脉冲宽度调制信号)，动态调节发光体71的光强大小。
上述的编码器系统还可包括电源分配电路8，如图5和图7所示，该电源分配电路8可包括第一二极管D1、第二二极管D2、用于连接主电源的第一供电输入端81、用于连接备份电池的第二供电输入端82以及用于连接处理器1的供电引脚的供电输出端83，且主电源在正常状态下的输出电压大于备份电池的输出电压。上述第一二极管D1的正极连接到第一供电输入端81，且第一二极管D1的负极连接到供电输出端83；第二二极管D2的正极连接到第二供电输入端82，且第二二极管D2的负极连接到供电输出端83。特别地，上述电压分配电路8还可包括稳压器84(例如可采用低压差线性稳压器)，从而保证输出电压的稳定性。
当主电源异常时，第一供电输入端81的电压小于第二供电输入端82的电压，电源分配电路8切换为由备份电源供电，此时处理器1的供电引脚电压低于预设值，从而处理器1进入休眠模式，不再进行单圈位置输出。而当主电源恢复时，第一供电输入端81的电压大于第二供电输入端82的电压，电源分配电路8切换为由主电源供电，此时处理器1的供电引脚电压高于预设值，第一电压侦测电路或第二侦测电路唤醒处理器1，重新进行单圈位置输出。
此外，上述电源分配电路8中，可以使用数控管电子切换取代二极管切换，备份电池供电也可以通过韦根原理供电来替代。
如图8所示，上述编码器系统还可包括防反接电路，该防反接电路包括用于连接外部电源正极的正输入端+、用于连接外部电源负极的负输入端-、用于连接处理器1的供电引脚的正电压输出端Vcc+、低压导通型半导体开关管(例如P沟道的金属氧化物半导体场效应管，即PMOS管)。上述低压导通型半导体开关管连接在正输入端+和输出端Vcc+之间，且低压导通型半导体开关管的控制端连接到负输入端-。特别地，上述防反接电路除了直接连接到处理器1的供电引脚，还可经由图7所示的电源分配电路8为处理器1供电，此时，防反接电路的正电压输出端Vcc+连接到第一供电输入端81。
在正常上电时，PMOS管中的杂散二极管导通，则PMOS管导通，由于PMOS管导通电阻为毫欧级，因此导通压降很小，PMOS管中的杂散二极管不再导通。在外部电源反接时，PMOS管截止，杂散二极管由于反向，所以也是截止的。由于PMOS管的压降小，因此基本上没有功耗上的损失，既兼顾防呆功能，又兼顾低功耗。
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 (8)

1.一种编码器系统，其特征在于，包括处理器以及独立于所述处理器的感光元件、比较器组件和运放组件；所述比较器组件的输出端连接到所述处理器的第一输入引脚，所述运放组件的输出端连接到所述处理器的第二输入引脚；
所述处理器的第一输入引脚为脉冲信号输入引脚，且所述处理器包括两组第一输入引脚，所述比较器组件包括第一比较单元和第二比较单元；所述感光元件包括两组第一输出端子，其中一组第一输出端子向所述第一比较单元输出主码道正余弦信号，另一组第一输出端子向所述第二比较单元输出游标码道正余弦信号；所述第一比较单元将输入的主码道正余弦信号转换为第一正交方波后输入到所述处理器的其中一组第一输入引脚，所述第二比较单元将所述游标码道正余弦信号转换为第二正交方波后输入到所述处理器的另一组第一输入引脚；
所述处理器的第二输入引脚为模拟信号输入引脚，且所述处理器包括三组第二输入引脚，所述运放组件包括第一运算放大单元、第二运算放大单元和第三运算放大单元；所述感光元件包括三组第二输出端子，其中第一组第二输出端子向所述第一运算放大单元输出主码道正余弦信号，第二组第二输出端子向所述第二运算放大单元输出游标码道正余弦信号，第三组第二输出端子向所述第三运算放大单元输出段码道正余弦信号；所述第一运算放大单元将输入的主码道正余弦信号做放大处理后输入到所述处理器的第一组第二输入引脚，所述第二运算放大单元将所述游标码道正余弦信号做放大处理后输入到所述处理器的第二组第二输入引脚，所述第三运算放大单元将所述段码道正余弦信号做放大处理后输入到所述处理器的第三组第二输入引脚。
2.根据权利要求1所述的编码器系统，其特征在于，所述处理器包括唤醒引脚和供电引脚；所述系统还包括第一电压侦测单元，所述第一电压侦测单元的侦测输入端连接到所述处理器的供电引脚，且所述第一电压侦测单元的侦测输出端连接到所述处理器的唤醒引脚；所述第一电压侦测单元包括有第一唤醒芯片，所述第一唤醒芯片在侦测到所述侦测输入端的电压大于预设值时通过所述侦测输出端输出唤醒信号。
3.根据权利要求1所述的编码器系统，其特征在于，所述系统包括多圈传感器组，且所述多圈传感器组的第一输出端连接到所述处理器的第三输入引脚；所述处理器的第三输入引脚为脉冲信号输入引脚。
4.根据权利要求3所述的编码器系统，其特征在于，所述多圈传感器组包括第一多圈传感器和第二多圈传感器，且所述第一多圈传感器和第二多圈传感器正交放置。
5.根据权利要求3所述的编码器系统，其特征在于，所述处理器包括唤醒引脚和供电引脚；所述系统还包括第二电压侦测单元，所述第二电压侦测单元的第一侦测输入端连接到所述处理器的供电引脚、第二侦测输入端连接到所述多圈传感器组的第二输出端，且所述第二电压侦测单元的侦测输出端连接到所述处理器的唤醒引脚；所述第二电压侦测单元包括第二唤醒芯片，且所述第二唤醒芯片在所述第一侦测输入端的电压大于预设值且第二侦测输入端具有脉冲信号时使所述侦测输出端输出唤醒信号。
6.根据权利要求1所述的编码器系统，其特征在于，所述系统还包括采样电路、发光体以及光源驱动电路，所述采样电路的输入端连接到所述感光元件的任一组第一输出端子或第二输出端子，且所述采样电路的输出端连接到所述处理器的第四输入引脚，所述光源驱动电路的输出端连接到所述发光体、控制端连接到所述处理器的控制信号输出引脚，所述处理器根据所述第四输入引脚的电压幅值调整所述控制信号输出引脚的输出信号。
7.根据权利要求1所述的编码器系统，其特征在于，所述系统包括电源分配电路，所述电源分配电路包括第一二极管、第二二极管、用于连接主电源的第一供电输入端、用于连接备份电池的第二供电输入端以及用于连接所述处理器的供电引脚的供电输出端；所述第一二极管的正极连接到第一供电输入端，且所述第一二极管的负极连接到供电输出端；所述第二二极管的正极连接到所述第二供电输入端，且所述第二二极管的负极连接到所述供电输出端。
8.根据权利要求1所述的编码器系统，其特征在于，所述系统包括防反接电路，所述防反接电路包括用于连接外部电源正极的正输入端、用于连接外部电源负极的负输入端、用于连接所述处理器的供电引脚的正电压输出端以及低压导通型半导体开关管；所述低压导通型半导体开关管连接在所述正输入端和所述正电压输出端之间，且所述低压导通型半导体开关管的控制端连接到所述负输入端。
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