CN109463037B - 伺服系统、电机、绝对式编码器及其信号处理电路 - Google Patents

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Abstract

一种伺服系统、电机、绝对式编码器及其信号处理电路，包括第一接口(11)、主控元件(12)以及第二接口(14)，其中第一接口(11)用于连接绝对式编码器(20)的光电检测器(21)，并从光电检测器(21)接收光电信号，主控元件(12)分析光电信号得出电机转子的位置信号，主控元件(12)将位置信号封装成以太网通讯数据帧，并将以太网通讯数据帧由所述第二接口(14)发送至电机的伺服驱动器(30)。通过上述方式，通过以太网通讯数据帧进行传输位置信号，提高数据的传输速率，实时采集反馈位置信号。

Description

伺服系统、电机、绝对式编码器及其信号处理电路
技术领域
本发明实施例涉及编码器领域，特别是涉及一种伺服系统、电机、绝对式编码器及其信号处理电路。
背景技术
电机编码器是电机控制中必用的部件，用于实现对电机位置数据的反馈。目前位置反馈编码器信息主要分为如下两种编码器类型：
增量式编码器，在上电时不提供电机的绝对位置，需要回零来找原点。反馈增量的位置/角度信息，通过A、B、Z三条差分线缆反馈位置数据，位置分辨率取决于增量式编码器的线数。Z信号代表的是零位置，每旋转一周就产生一个Z脉冲；A、B信号是位置的编码信号，通过数A或者B的个数来判断编码器旋转的距离，通过A与B的相位关系判断电机的旋转方向。此编码器接口是TTL或HTL兼容的数字输出电平的数字脉冲，或者是正弦/余弦信号，使用差分线缆进行数据传输。
绝对式编码器，上电提供电机的绝对机械位置。绝对式编码器的电接口是基于纯数字协议的串行接口，主要使用RS485或者RS422差分信号做数据传输。而绝对式编码器目前常用串行总线来进行编码器反馈数据传输，其物理通讯速率比较慢，对于位置数据的采集频率收到严重的限制，不能够实时的采集反馈的位置数据，从而影响伺服驱动器的控制带宽和控制精度。
发明内容
本发明实施例提供一种伺服系统、电机、绝对式编码器及其信号处理电路，以解决现有技术的绝对式编码器通过串口总线进行编码器反馈数据传输，不能够实时的采集反馈的位置数据等问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种信号处理电路：包括第一接口、主控元件以及第二接口，其中第一接口用于连接绝对式编码器的光电检测器，并从光电检测器接收光电信号，主控元件分析光电信号得出电机转子的位置信号，主控元件将位置信号封装成以太网通讯数据帧，并将以太网通讯数据帧由第二接口发送至电机的伺服驱动器。
其中，主控元件将位置信号封装成以太网通讯数据帧，包括：
主控元件将位置信号进行处理，以获得实时位置数据；
并将实时位置数据封装成以太网通讯数据帧。
其中，主控元件进一步根据位置信号计算速度数据；
并将速度数据封装成以太网通讯数据帧。
其中，主控元件为现场可编程门阵列电路，现场可编程门阵列电路包括主控单元、硬件抽象层配置单元、位置信号处理单元、速度信息计算单元、以太网协议栈单元，其中硬件抽象层配置单元用于对现场可编程门阵列电路及现场可编程门阵列电路的外围部件进行配置，主控单元用于控制位置信号处理单元对光电信号进行处理，进而获得实时位置数据，并进一步控制以太网协议栈单元将实时位置数据打包成以太网通讯数据帧。
其中，第二接口包括RJ45连接头，用于连接伺服驱动器。
其中，信号处理电路还进一步包括电源电路，电源电路用于通过第二接口接收外部供电，并进行电压转换后提供给主控元件。
其中，主控元件用于将以太网通讯数据帧通过第二接口发送至伺服驱动器，主控元件进一步通过第二接口从伺服驱动器接收控制指令，以根据控制指令执行相应的操作。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的另一个技术方案是：提供一种绝对式编码器，绝对式编码器包括光源、码盘、挡板、光电检测器以及信号处理电路，码盘设置成随电机转子进行转动，进而使光源出射的光线经码盘和挡板作用后形成随待测物体的转动位置发生变化的光编码信号，光电检测器对光编码信号进行转换，进而形成光电信号，信号处理电路包括第一接口、主控元件以及第二接口，其中第一接口用于连接绝对式编码器的光电检测器，并从光电检测器接收光电信号，主控元件分析光电信号得出电机转子的位置信号，主控元件将位置信号封装成以太网通讯数据帧，并将以太网通讯数据帧由第二接口发送至电机的伺服驱动器。
其中，主控元件将位置信号封装成以太网通讯数据帧，包括：主控元件将位置信号进行处理，以获得实时位置数据并将实时位置数据封装成以太网通讯数据帧。
其中，主控元件进一步根据位置信号计算速度数据并将速度数据封装成以太网通讯数据帧。
其中，主控元件为现场可编程门阵列电路，现场可编程门阵列电路包括主控单元、硬件抽象层配置单元、位置信号处理单元、速度信息计算单元、以太网协议栈单元，其中硬件抽象层配置单元用于对现场可编程门阵列电路及现场可编程门阵列电路的外围部件进行配置，主控单元用于控制位置信号处理单元对光电信号进行处理，进而获得实时位置数据，并进一步控制以太网协议栈单元将实时位置数据打包成以太网通讯数据帧。
其中，第二接口包括RJ45连接头，用于连接伺服驱动器。
其中，信号处理电路还进一步包括电源电路，电源电路用于通过第二接口接收外部供电，并进行电压转换后提供给主控元件。
其中，主控元件用于将以太网通讯数据帧通过第二接口发送至伺服驱动器，主控元件进一步从通过第二接口从伺服驱动器接收控制指令，以根据控制指令执行相应的操作。
其中，主控元件包括以太网物理层芯片，用于将数据封装成以太网通讯数据帧，并将接收的以太网通讯数据帧解析为数据；信号处理电路进一步包括隔离电路，隔离电路连接于主控元件的以太网物理层芯片与第二接口之间。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的另一个技术方案是：提供一种伺服系统，伺服系统包括伺服驱动器和与伺服驱动器连接的绝对式编码器，绝对式编码器包括光源、码盘、挡板、光电检测器以及信号处理电路，码盘设置成随电机转子进行转动，进而使光源出射的光线经码盘和挡板作用后形成随待测物体的转动位置发生变化的光编码信号，光电检测器对光编码信号进行转换，进而形成光电信号，信号处理电路包括第一接口、主控元件以及第二接口，其中第一接口用于连接绝对式编码器的光电检测器，并从光电检测器接收光电信号，主控元件分析光电信号得出电机转子的位置信号，主控元件将位置信号封装成以太网通讯数据帧，并将以太网通讯数据帧由第二接口发送至电机的伺服驱动器。
其中，主控元件将位置信号封装成以太网通讯数据帧，包括：主控元件将位置信号进行处理，以获得实时位置数据并将实时位置数据封装成以太网通讯数据帧。
其中，主控元件进一步根据位置信号计算速度数据并将速度数据封装成以太网通讯数据帧。
主控元件为现场可编程门阵列电路，现场可编程门阵列电路包括主控单元、硬件抽象层配置单元、位置信号处理单元、速度信息计算单元、以太网协议栈单元，其中硬件抽象层配置单元用于对现场可编程门阵列电路及现场可编程门阵列电路的外围部件进行配置，主控单元用于控制位置信号处理单元对光电信号进行处理，进而获得实时位置数据，并进一步控制以太网协议栈单元将实时位置数据打包成以太网通讯数据帧。
其中，第二接口包括RJ45连接头，用于连接伺服驱动器。
其中，信号处理电路还进一步包括电源电路，电源电路用于通过第二接口接收外部供电，并进行电压转换后提供给主控元件。
其中，主控元件用于将以太网通讯数据帧通过第二接口发送至伺服驱动器，主控元件进一步从通过第二接口从伺服驱动器接收控制指令，以根据控制指令执行相应的操作。
其中，主控元件包括以太网物理层芯片，用于将数据封装成以太网通讯数据帧，并将接收的以太网通讯数据帧解析为数据；信号处理电路进一步包括隔离电路，隔离电路连接于主控元件的以太网物理层芯片与第二接口之间。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种电机，电机包括如前的绝对式编码器，绝对式编码器的码盘设置成随电机转子进行转动。
本发明实施例的有益效果是：在本发明的信号处理电路包括第一接口、主控元件以及第二接口，其中第一接口用于连接绝对式编码器的光电检测器，并从光电检测器接收光电信号，主控元件分析光电信号得出电机转子的位置信号，主控电路将位置信号封装成以太网通讯数据帧，并将以太网通讯数据帧由所述第二接口发送至电机的伺服驱动器，通过以太网通讯数据帧进行传输位置信号，提高数据的传输速率，实时采集反馈位置信号。
附图说明
图1是本发明一实施例的信号处理电路的结构示意图；
图2是图1中主控元件的结构示意图；
图3是图1中第二接口与RJ45连接头和电池连接器连接的示意图；
图4是本发明一实施例的绝对式编码器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1-3，图1是本发明一实施例的信号处理电路的结构示意图；图2是图1中主控元件的结构示意图；图3是图1中第二接口与RJ45连接头和电池连接器连接的示意图。本实施例所揭示的信号处理电路应用于绝对式编码器，如图1所示，该信号处理电路包括第一接口11、主控元件12以及第二接口14。
其中，第一接口11用于连接绝对式编码器20的光电检测器21，并从光电检测器21接收光电信号，主控元件12分析光电信号得出电机转子的位置信号，主控元件12将位置信号封装成以太网通讯数据帧，并将以太网通讯数据帧由第二接口14发送至电机的伺服驱动器30。第一接口11可为光电接口。
其中，主控元件12可将位置信号进行处理，以获得实时位置数据并将实时位置数据封装成以太网通讯数据帧。主控元件12进一步根据位置信号计算速度数据，并将速度数据封装成以太网通讯数据帧，即主控元件12将实时位置数据和速度数据封装成以太网通讯数据帧。
主控元件12可为现场可编程门阵列电路(FPGA，Field－Programmable GateArray)，具体地主控元件12可为SPARTAN6系列的XC6SLX25芯片，能够实现采集位置数据、计算速度数据以及以太网协议栈功能。
如图2所示，主控元件12包括主控单元121、硬件抽象层配置单元122、位置信号处理单元123、速度信息计算单元124、以太网协议栈单元125和以太网物理层芯片126，硬件抽象层配置单元122、位置信号处理单元123、速度信息计算单元124、以太网协议栈单元125分别与主控单元121连接。
主控单元121用于控制位置信号处理单元123对光电信号进行处理，进而获得实时位置数据，并进一步控制以太网协议栈单元125将实时位置数据打包成以太网通讯数据帧。
其中，硬件抽象层配置单元122用于对现场可编程门阵列电路及现场可编程门阵列电路的外围设备进行配置，即在程序启动时硬件抽象层配置单元122用于配置的外围设备，例如EEPROM(电可擦可编程只读存储器，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)的读写时序，以太网物理层芯片126的读写时序。
速度信息计算单元124用于根据位置信号处理单元123采集的位置信息，如位置频率和位置差，实时计算速度信息，该速度信息用于传输给伺服驱动器30，伺服驱动器30根据速度信息对电机进行控制反馈。
其中，以太网物理层芯片126可为以太网的PHY芯片，具体选用千兆以太网AR8031。以太网物理层芯片126用于将数据封装成以太网通讯数据帧，并将接收的以太网通讯数据帧解析为数据。
其中，第二接口14可为编码器连接器，具体地，第二接口14进一步连接RJ45连接头15和电池连接器16，如图3所示，第二接口14包括5V、0V、FG、TX+、TX-、RX+、RX-、BAT+和BAT-引线，RJ45连接头15包括与绝对式编码器的第二接口14对应的5V、0V、FG、TX+、TX-、RX+、RX-引线，电池连接器16与BAT+和BAT-引线连接，用于给绝对式编码器提供电源。
其中，RJ45连接头15用于连接伺服驱动器30，即第二接口14通过RJ45连接头15连接伺服驱动器30，第二接口14用于将以太网通讯数据帧通过RJ45连接头15发送至伺服驱动器30，第二接口14进一步从通过RJ45连接头15从伺服驱动器30接收控制指令，主控元件12根据控制指令执行相应的操作；此外伺服驱动器30还可以通过RJ45连接头15为信号处理电路提供5V电源。电池连接器16用于连接绝对式编码器20的电池22。
可选地，信号处理电路进一步包括隔离电路17，隔离电路17连接于主控元件12的以太网物理层芯片126与第二接口14之间，隔离电路17用于实现信号隔离，以实现抗干扰。
可选地，信号处理电路进一步包括电源电路18，电源电路18经第二接口14从电池连接器16接收外部供电，并进行电压转换后提供给主控元件12以及隔离电路17。
其中，以太网通讯数据帧的传输速率不小于10Mbps。
本实施例所揭示信号处理电路通过以太网通讯数据帧进行传输位置信号，提高数据的传输速率，实时采集反馈位置信号；本实施例所揭示信号处理电路还通过RJ45连接头15连接伺服驱动器30，无需选用专用的接头，提高通用性。
本发明还提供一种绝对式编码器，如图4所示，本实施例所揭示的绝对式编码器20包括光源23、码盘24、挡板25、光电检测器21以及信号处理电路26。其中，码盘24设置成随电机转子进行转动，进而使光源23出射的光线经码盘24和挡板25作用后形成随待测物体的转动位置发生变化的光编码信号，光电检测器21对光编码信号进行检测，进而形成光电信号，信号处理电路26从光电检测器21获取光电信号并分析光电信号得出电机转子的位置信号。该信号处理电路26为上述实施例所描述的信号处理电路，在此不再赘述。
本发明还提供一种伺服系统，该伺服系统包括伺服驱动器和与伺服驱动器连接的如上述实施例所示的绝对式编码器，当然，还可包括伺服电机，绝对式编码器用于对伺服电机的位置和速度信息进行传输。
本发明还提供一种电机，该电机包括如前述实施例所述的绝对式编码器，该绝对式编码器的码盘设置成随电机转子进行转动。
综上所述，本发明的信号处理电路通过太通讯数据帧进行传输位置信号，提高数据的传输速率，实时采集反馈位置信号；本实施例所揭示信号处理电路还通过RJ45连接头连接伺服驱动器，无需选用专用的接头，提高通用性。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种绝对式编码器的信号处理电路，其特征在于，所述信号处理电路包括第一接口、主控元件以及第二接口，其中所述第一接口用于连接所述绝对式编码器的光电检测器，并从所述光电检测器接收光电信号，所述主控元件分析所述光电信号得出电机转子的位置信号，所述主控元件将所述位置信号封装成以太网通讯数据帧，并将所述以太网通讯数据帧由所述第二接口发送至电机的伺服驱动器，所述主控元件进一步通过所述第二接口从所述伺服驱动器接收控制指令，以根据所述控制指令执行相应的操作；
所述主控元件将所述位置信号封装成以太网通讯数据帧，包括：
所述主控元件将所述位置信号进行处理，以获得实时位置数据；
并将所述实时位置数据封装成以太网通讯数据帧；
所述主控元件进一步根据所述位置信号计算速度数据；
并将所述速度数据封装成以太网通讯数据帧；
其中，所述主控元件为现场可编程门阵列电路，所述现场可编程门阵列电路包括主控单元、硬件抽象层配置单元、位置信号处理单元、速度信息计算单元、以太网协议栈单元和以太网物理层芯片，所述硬件抽象层配置单元用于对所述现场可编程门阵列电路及所述现场可编程门阵列电路的外围部件进行配置；所述主控单元用于控制所述位置信号处理单元对所述光电信号进行处理，进而获得所述实时位置数据，并进一步控制以所述太网协议栈单元将所述实时位置数据打包成所述以太网通讯数据帧；所述速度信息计算单元用于根据所述位置信号处理单元采集的位置信息，实时计算速度信息，所述速度信息用于传输给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器根据所述速度信息对所述电机进行控制反馈；所述以太网物理层芯片用于将数据封装成所述以太网通讯数据帧，并将接收的以太网通讯数据帧解析为数据；
所述信号处理电路进一步包括电源电路与隔离电路，所述电源电路用于通过所述第二接口接收外部供电，并进行电压转换后提供给所述主控元件，所述隔离电路连接于所述主控元件的以太网物理层芯片与所述第二接口之间。
2.根据权利要求1所述的绝对式编码器的信号处理电路，其特征在于，所述第二接口包括RJ45连接头，用于连接伺服驱动器。
3.一种绝对式编码器，其特征在于，所述绝对式编码器包括光源、码盘、挡板、光电检测器以及信号处理电路，所述码盘设置成随电机转子进行转动，进而使所述光源出射的光线经所述码盘和挡板作用后形成随待测物体的转动位置发生变化的光编码信号，所述光电检测器对所述光编码信号进行转换，进而形成光电信号，所述信号处理电路包括第一接口、主控元件以及第二接口，其中所述第一接口用于连接所述绝对式编码器的光电检测器，并从所述光电检测器接收所述光电信号，所述主控元件分析所述光电信号得出电机转子的位置信号，所述主控元件将所述位置信号封装成以太网通讯数据帧，并将所述以太网通讯数据帧由所述第二接口发送至电机的伺服驱动器，所述主控元件进一步通过所述第二接口从所述伺服驱动器接收控制指令，以根据所述控制指令执行相应的操作；
所述主控元件将所述位置信号封装成以太网通讯数据帧，包括：所述主控元件将所述位置信号进行处理，以获得实时位置数据并将所述实时位置数据封装成以太网通讯数据帧；
所述主控元件进一步根据所述位置信号计算速度数据并将所述速度数据封装成以太网通讯数据帧；
其中，所述主控元件为现场可编程门阵列电路，所述现场可编程门阵列电路包括主控单元、硬件抽象层配置单元、位置信号处理单元、速度信息计算单元、以太网协议栈单元和以太网物理层芯片，所述硬件抽象层配置单元用于对所述现场可编程门阵列电路及所述现场可编程门阵列电路的外围部件进行配置；所述主控单元用于控制所述位置信号处理单元对所述光电信号进行处理，进而获得所述实时位置数据，并进一步控制以所述太网协议栈单元将所述实时位置数据打包成所述以太网通讯数据帧；所述速度信息计算单元用于根据所述位置信号处理单元采集的位置信息，实时计算速度信息，所述速度信息用于传输给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器根据所述速度信息对所述电机进行控制反馈；所述以太网物理层芯片用于将数据封装成所述以太网通讯数据帧，并将接收的以太网通讯数据帧解析为数据；
所述信号处理电路进一步包括电源电路与隔离电路，所述电源电路用于通过所述第二接口接收外部供电，并进行电压转换后提供给所述主控元件，所述隔离电路连接于所述主控元件的以太网物理层芯片与所述第二接口之间。
4.根据权利要求3所述的绝对式编码器，其特征在于，所述第二接口包括RJ45连接头，用于连接伺服驱动器。
5.一种伺服系统，其特征在于，所述伺服系统包括伺服驱动器和与所述伺服驱动器连接的绝对式编码器，所述绝对式编码器包括光源、码盘、挡板、光电检测器以及信号处理电路，所述码盘设置成随电机转子进行转动，进而使所述光源出射的光线经所述码盘和挡板作用后形成随待测物体的转动位置发生变化的光编码信号，所述光电检测器对所述光编码信号进行转换，进而形成光电信号，所述信号处理电路包括第一接口、主控元件以及第二接口，其中所述第一接口用于连接所述绝对式编码器的光电检测器，并从所述光电检测器接收所述光电信号，所述主控元件分析所述光电信号得出电机转子的位置信号，所述主控元件将所述位置信号封装成以太网通讯数据帧，并将所述以太网通讯数据帧由所述第二接口发送至电机的伺服驱动器，所述主控元件进一步通过所述第二接口从所述伺服驱动器接收控制指令，以根据所述控制指令执行相应的操作；
所述主控元件将所述位置信号封装成以太网通讯数据帧，包括：所述主控元件将所述位置信号进行处理，以获得实时位置数据并将所述实时位置数据封装成以太网通讯数据帧；
所述主控元件进一步根据所述位置信号计算速度数据并将所述速度数据封装成以太网通讯数据帧；
其中，所述主控元件为现场可编程门阵列电路，所述现场可编程门阵列电路包括主控单元、硬件抽象层配置单元、位置信号处理单元、速度信息计算单元、以太网协议栈单元和以太网物理层芯片，所述硬件抽象层配置单元用于对所述现场可编程门阵列电路及所述现场可编程门阵列电路的外围部件进行配置；所述主控单元用于控制所述位置信号处理单元对所述光电信号进行处理，进而获得所述实时位置数据，并进一步控制以所述太网协议栈单元将所述实时位置数据打包成所述以太网通讯数据帧；所述速度信息计算单元用于根据所述位置信号处理单元采集的位置信息，实时计算速度信息，所述速度信息用于传输给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器根据所述速度信息对所述电机进行控制反馈；所述以太网物理层芯片用于将数据封装成所述以太网通讯数据帧，并将接收的以太网通讯数据帧解析为数据；
所述信号处理电路进一步包括电源电路与隔离电路，所述电源电路用于通过所述第二接口接收外部供电，并进行电压转换后提供给所述主控元件，所述隔离电路连接于所述主控元件的以太网物理层芯片与所述第二接口之间。
6.根据权利要求5所述的伺服系统，其特征在于，所述第二接口包括RJ45连接头，用于连接伺服驱动器。
7.一种电机，其特征在于，所述电机包括权利要求3-4任一项所述的绝对式编码器，所述绝对式编码器的码盘设置成随电机转子进行转动。
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