CN111505934B - 基于biss编码器提高伺服驱动器采集速度和精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于BISS编码器提高伺服驱动器采集速度和精度的方法，包括伺服驱动器，与伺服驱动器连接的主控制器、电机和BISS编码器，方法包括：伺服驱动器的主芯片连续产生两个16位的伪数据给BISS编码器，产生BISS编码器需要的32位时钟脉冲；BISS编码器在32位时钟到来时，向SPI总线上传32位数据；当SPI总线上收到两个字节的数据，根据事先设置的两级接收中断，主芯片取出该数据用于位置计算和速度计算。本发明采用基于BISS协议的编码器，并通过设置协作机器人伺服驱动器的主芯片，使产生满足BISS编码器的32位时钟脉冲，提供了采集的精度和采集速度。

Description

基于BISS编码器提高伺服驱动器采集速度和精度的方法

技术领域

本发明涉及工业机器人控制技术领域，具体的说，是基于BISS编码器提高伺服驱动器采集速度和精度的方法。

背景技术

位置编码器是工业自动控制中重要的反馈环节执行元件。目前协作机器人伺服的位置编码器按工作方式分为绝对式和增量式两种。绝对位置式编码器的数据输出一般采用串行通信的方式，绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关；增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。位置编码器的通信速度，在一定程度上影响闭环系统的时间常数，进一步影响了协作机器人的读取速度。德国IC-Haus公司提出的BiSS(Bidirectional Synchronous Serial)协议是一种新型的可自由使用的开放式同步串行通信协议，使用该协议通信波特率可以达到10Mbps，达到RS422接口总线的波特率上限，是其它一些同类常用串行通信协议(如SSI，EnDat，Hiperface，起止式异步协议)的5倍以上，在通信速度、产品适应性、成本等综合方面，BiSS协议具有很好的发展前景。

现有协作机器人技术常采用17位绝对式编码器，存在精度不够高、读取速度不够快的问题。如何将协作机器人与采用BISS协议的编码器结合，实现提高采集速度和控制精度，现有技术中尚没有解决此问题的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供基于BISS编码器提高伺服驱动器采集速度和精度的方法，用于解决现有技术中协作机器人采集速度和控制精度较低的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种基于BISS编码器提高伺服驱动器采集速度和精度的方法，包括伺服驱动器，与伺服驱动器连接的主控制器、电机和BISS编码器，所述方法包括：

步骤S100：伺服驱动器的主芯片连续产生两个16位的伪数据给BISS编码器，产生BISS编码器需要的32位时钟脉冲；

步骤S200：BISS编码器在32位时钟到来时，向SPI总线上传32位数据；

步骤S300：当SPI总线上收到两个字节的数据，根据事先设置的两级接收中断，主芯片取出该数据用于位置计算和速度计算。

现有技术中的协作机器人伺服驱动器一般采用17位绝对式编码器，而本方案中将17位绝对式编码器，替换成了基于BISS协议的编码器，BISS协议的通信波特率达到10Mbps，是RS422接口总线的波特率上下，是其他串行通信协议(如SSI、EnDat、Hiperface、起止式异步协议)的5倍以上，因此可以达到更改的采集速度。

而现有技术中主芯片的SPI模块只有1-16位数据长度可以进行编程，为了与高速、高精度的BISS编码器匹配，需要主芯片产生32位时钟脉冲信号，而常规的DSP的数据长度是16位，不能产生满足BISS编码器的32位时钟脉冲，因此，本方案中对主芯片的SPI模块和寄存器进行设置，产生两个16位级联数据，使产生满足BISS编码器32位时钟脉冲。由于BISS编码器不采集主芯片的信息，对这两个16位伪数据无感。当时钟脉冲信号到来时，BISS编码器向SPI总线上传采集到的32位数据。主芯片收到BISS数据时，进行计算速度和位置，并反馈至电机控制流程。由于BISS协议的采用速度更快，单圈数据长度更长，协作机器人伺服电机转一圈，码值变动范围更大，因此，实现更高的精度。

所述BISS编码器由5位起始位、19位数据位、数据异常报警位F0、超温报警位F1和6位校验位组成。

采用19位分辨率的BISS编码，协作机器人伺服电机转一圈，码值从0-524287变动，主芯片能够以10M的速度对单圈0-524287范围内进行设定，相比低精度(如单圈17位)只能以低速(3.5M以内)、窄范围(0-131072)进行设定的编码器，大大提高了控制步长分辨率，实现了更高精度的电机控制。

所述步骤S100具体为：

步骤S110：主芯片初始化并进行SPI模块设置，设置为两级接收中断和16位数据长度；

步骤S120：主控制ADC控制中断，主控制流程中采用for语句产生连续的两个16位伪数据，产生读取BISS编码器所需的连续32位时钟。

步骤S300具体为：

步骤S310：SPI接收中断，读取FIFO数据，对BISS数据进行CRC校验，CRC多项式为x6+x1+x0：以及进行报警位判断，如果报警位不正常，跳转至步骤S330；如果报警位正常，进入下一步；

步骤S320：CRC校验和继续判断CRC校验结果是否正确：

步骤S321：当CRC校验正确，计算位置及速度，进入步骤S323；否则进入下一步；

步骤S322：将CRC校验错误次数与预设值比较，当CRC校验错误小于预设值时，采用上个控制周期的位置和速度来控制；进入下一步；否则，判断编码器故障，结束；

步骤S323：速度和位置加入电机控制流程；

步骤S330：判断连续报警次数是否小于预设阈值，如果是，采用上个控制周期的位置和速度来控制，速度和位置加入电机控制流程；否则，判断编码器故障，结束。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明采用基于BISS协议的编码器，并通过设置协作机器人伺服驱动器的主芯片，使产生满足BISS编码器的32位时钟脉冲，提供了采集的精度和采集速度。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为反馈跟随曲线示意图；

图3为图2中A部分的放大示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

结合附图1所示，一种基于BISS编码器提高伺服驱动器采集速度和精度的方法，包括伺服驱动器，与伺服驱动器连接的主控制器、电机和BISS编码器，所述方法包括：

步骤S100：伺服驱动器的主芯片采用InitSYSCtrl()函数进行初始化，以及进行SPI模块设置，设置为两级接收中断和16位数据长度；100us主控制ADC控制中断，在100us主控制流程中采用for语句产生连续的两个16位伪数据，产生读取BISS编码器所需的连续32位时钟。

步骤S200：BISS编码器在32位时钟到来时，向SPI总线上传32位数据；

32位数据包括5位起始位、19位数据位、数据异常报警位F0、超温报警位F1和6位校验位组成，从而提供了数据、异常报警、超温报警功能，当出现信号异常或超过温度位置，可快速实现停机，保证协作机器人安全；还提供了数据校验功能，判断数据的准确性，当校验出错时，可丢弃或者采取前一次的数据，从而为控制性能的提升提供依据。伺服驱动器对BISS编码器采集的数据位进行CRC校验计算，将得出的结果与校验位进行比较，判断19位数据的正确性；

采用19位分辨率的BISS编码，协作机器人伺服电机转一圈，码值从0-524287变动，主芯片能够以10M的速度对单圈0-524287范围内进行设定，相比低精度(如单圈17位)只能以低速(3.5M以内)、窄范围(0-131072)进行设定的编码器，大大提高了控制步长分辨率，实现了更高精度的电机控制；

步骤S300：当SPI总线上收到两个字节的数据，根据事先设置的两级接收中断，主芯片取出该数据用于位置计算和速度计算，具体地：

步骤S310：SPI接收中断，读取FIFO数据，对BISS数据进行CRC校验，CRC多项式为x6+x1+x0：以及进行报警位判断，如果报警位不正常，跳转至步骤S330；如果报警位正常，进入下一步；

步骤S320：CRC校验和继续判断CRC校验结果是否正确：

步骤S321：当CRC校验正确，计算位置及速度，进入步骤S323；否则进入下一步；

步骤S322：将CRC校验错误次数与预设值比较，当CRC校验错误次数≤1时，采用上个控制周期的位置和速度来控制；进入下一步；否则，判断编码器故障，结束；

步骤S323：速度和位置加入电机控制流程；

步骤S330：判断连续报警次数是否≤1，如果是，采用上个控制周期的位置和速度来控制，速度和位置加入电机控制流程；否则，判断编码器故障，结束。

现有技术中的协作机器人伺服驱动器一般采用17位绝对式编码器，而本方案中将17位绝对式编码器，替换成了基于BISS协议的编码器，BISS协议的通信波特率达到10Mbps，是RS422接口总线的波特率上下，是其他串行通信协议(如SSI、EnDat、Hiperface)的5倍以上，因此可以达到更改的采集速度。而现有技术中主芯片的SPI模块只有1-16位数据长度可以进行编程，为了与高速、高精度的BISS编码器匹配，需要主芯片产生32位时钟脉冲信号，而常规的DSP的数据长度是16位，不能产生满足BISS编码器的32位时钟脉冲，因此，本方案中对主芯片的SPI模块和寄存器进行设置，产生两个16位级联数据，使产生满足BISS编码器32位时钟脉冲。由于BISS编码器不采集主芯片的信息，对这两个16位伪数据无感。当时钟脉冲信号到来时，BISS编码器向SPI总线上传采集到的32位数据。主芯片收到BISS数据时，进行计算速度和位置，并反馈至电机控制流程。由于BISS协议的采用速度更快，单圈数据长度更长，协作机器人伺服电机转一圈，码值变动范围更大，因此，实现更高的精度。

由于肉眼很难分辨出高精度，通过高速摄像机测试得到，图2所示的为设定速度为±277RPM时的反馈跟随曲线，图3为图2中A部分的放大图，从图3可以看出，最大转速波动放大后，转速跟随曲线波动为±3RPM，波动很小，并且能够快速跟随。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (3)

1.基于BISS编码器提高伺服驱动器采集速度和精度的方法，其特征在于，包括伺服驱动器，与伺服驱动器连接的主控制器、电机和BISS编码器，所述方法包括：

步骤S100：伺服驱动器的主芯片连续产生两个16位的伪数据给BISS编码器，产生BISS编码器需要的32位时钟脉冲；

步骤S200：BISS编码器在32位时钟到来时，向SPI总线上传32位数据；

步骤S300：当SPI总线上收到两个字节的数据，根据事先设置的两级接收中断，主芯片取出该数据用于位置计算和速度计算，具体为：

步骤S310：SPI接收中断，读取FIFO数据，对BISS数据进行CRC校验以及报警位判断，如果报警位不正常，跳转至步骤S330；如果报警位正常，进入下一步；

步骤S320：CRC校验和继续判断CRC校验结果是否正确：

步骤S321：当CRC校验正确，计算位置及速度，进入步骤S323；否则进入下一步；

步骤S322：将CRC校验错误次数与预设值比较，当CRC校验错误小于预设值时，采用上个控制周期的位置和速度来控制；进入下一步；否则，判断编码器故障，结束；

步骤S323：速度和位置加入电机控制流程；

步骤S330：判断连续报警次数是否小于预设阈值，如果是，采用上个控制周期的位置和速度来控制，速度和位置加入电机控制流程；否则，判断编码器故障，结束。

2.根据权利要求1所述的基于BISS编码器提高伺服驱动器采集速度和精度的方法，其特征在于，所述BISS编码器向SPI总线上传的32位数据由5位起始位、19位数据位、数据异常报警位F0、超温报警位F1和6位校验位组成。

3.根据权利要求1所述的基于BISS编码器提高伺服驱动器采集速度和精度的方法，其特征在于，所述步骤S100具体为：

步骤S110：主芯片初始化并进行SPI模块设置，设置为两级接收中断和16位数据长度；

步骤S120：主控制ADC控制中断，主控制流程中采用for语句产生连续的两个16位伪数据，产生读取BISS编码器所需的连续32位时钟。

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