CN111541520B - 通讯型增量编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通讯型增量编码器，包括一编码器，所述编码器包括一编码器电路板；一微处理器，所述微处理器设置于所述编码器电路板，所述微处理器实时采集且累计所述编码器的至少一正交脉冲信号；一伺服驱动器，所述微处理器通过预置的通信协议与所述伺服驱动器进行数据交互，所述通信协议包括供数据交互的至少一命令字。本发明公开的通讯型增量编码器，引入了命令字技术，有助于节省成本、提高可靠性、增强编码器的线数。

Description

通讯型增量编码器
技术领域
本发明属于通讯型增量编码器技术领域，具体涉及一种通讯型增量编码器。
背景技术
公开号为CN202889309U，主题名称为可输出多路脉冲信号的增量编码器的实用新型专利，其技术方案公开了“置有脉冲分配电路，所述脉冲分配电路包括电源电路、脉冲隔离电路、脉冲输出电路，其中，所述脉冲隔离电路包括光电耦合器PS0，所述脉冲输出电路包括n组脉冲输出单元，n≥2，n为整数，其中，第i组脉冲输出单元包括一个光电耦合器PSni，n≥i≥1，i为整数；光电耦合器PS0、PSni的型号为M601；光电耦合器PS0的阳极端子与输入脉冲信号的阳极连接，光电耦合器PS0的阴极端子与输入脉冲信号的负极连接，光电耦合器PS0的VCC端子与一稳定电压连接，光电耦合器PS0的VCC端子与电阻R0的一端连接，电阻R0的另一端与光电耦合器PSn1的阳极端子连接，光电耦合器PSn1的阴极端子与光电耦合器PSn2的阳极端子连接，…，光电耦合器PSnn-1的阴极端子与光电耦合器PSnn的阳极端子连接，光电耦合器PSnn的阴极端子与光电耦合器PS0的Vo端子连接，光电耦合器PS0的GND端子接地；光电耦合器PSni的VCC端子与直流电源Vi连接，光电耦合器PSni的Vo端子为第i组输出脉冲信号的阳极端子，光电耦合器PSni的GND端子为第i组输出脉冲信号的阴极端子，电阻Rni的一端与光电耦合器PSni的VCC端子连接，另一端与光电耦合器PSni的Vo端子连接”。
参考上述实用新型专利，值得注意的是，在伺服控制系统中，伺服电机通过与其同轴安装的编码器获取电机位置或者速度，从而实现对电机的平稳控制。目前应用最普遍的产品是增量型2500线编码器。这种产品的原理是：通过输出AB正交脉冲来反馈位置增量，伺服控制器通过对正交脉冲进行计数，从而获得位置信息。由于输出的是脉冲增量，编码器还需输出一个Z信号，当驱动器捕获到Z信号后，才能够知道当前的绝对位置。另外，为了上电之后，伺服控制器能够获取电机的大概电角度，编码器还应具备输出UVW三相脉冲的功能，UVW的周期数与电机的极对数相同。因此，为了使伺服电机能够正常运行，用于伺服电机控制的增量编码器，应当具备输出ABZUVW这6种脉冲信号。由于伺服系统电磁环境复杂，对于脉冲信号，一般采用差分输出的方式。因此增量编码器为了有效输出信号，需要12根信号线来实现。
然而，由于UVW信号只有伺服上电之后才会向编码器获取，待该信息获取完毕后，伺服驱动器在此大概位置下，通过AB正交脉冲计数，就能够控制电机，当Z信号被锁存后，伺服驱动器能获取准确电机位置，因此出现了一种省线式编码器产品，该产品将UVW与ABZ的信号线进行分时复用，从而减少了一半的线数。尽管如此，省线式编码器还是需要6根信号线才能实现信号完整输出。我们把上述产品称为脉冲型增量编码器，除此之外还具有以下缺陷：
1.线数多，非省线式和省线式分别需要12根和6根信号线。
2.由于缺陷1，会导致成本增加。
3.由于缺陷1，会导致故障概率成倍增加(与2根线相比)。
4.编码器分辨率受到制约。编码器分辨率和伺服系统性能高度相关，电机转速与正交脉冲频率成正比。由于硬件带宽越高，对高频干扰的抑制能力越弱。伺服电机的转速通常会达到6000rpm，因此脉冲型编码器无法做到很高分辨率，目前市场上通讯型增量编码器常为2500线，偶有5000线。
5.无法保存参数(没有通信功能，自然不能发指令保存参数)。
发明内容
本发明针对现有技术的状况，克服以上缺陷，提供一种通讯型增量编码器。
本发明专利申请公开的通讯型增量编码器，其主要目的在于，引入了命令字技术，有助于节省成本、提高可靠性、增强编码器的线数(分辨率)。
本发明专利申请公开的通讯型增量编码器，其另一目的在于，详细公开了命令字的相关规格，同时将命令字应用于通信协议。
本发明专利申请公开的通讯型增量编码器，其另一目的在于，可以解决“如何将ABZUVW6种脉冲信号通过编码器自身计数并以数字通信的形式发送给伺服驱动器”的技术问题。
本发明专利申请公开的通讯型增量编码器，其另一目的在于，通讯型增量编码器中可以存储参数(包括但不限于电机参数，例如产品ID等)，使得驱动器在上电后能够根据通信协议直接读取数据，大大提升了易用性。
本发明专利申请公开的通讯型增量编码器，其另一目的在于，通信协议优选采用485通信协议，只需要2根信号线就可以实现数据交互。
本发明专利申请公开的通讯型增量编码器，其另一目的在于，可通过通信方式使得驱动器能够将参数存入通讯型增量编码器，从而实现驱动器对所控制的电机的智能识别。
本发明采用以下技术方案，所述通讯型增量编码器包括：
一编码器，所述编码器包括一编码器电路板；
一微处理器，所述微处理器设置于所述编码器电路板，所述微处理器实时采集且累计所述编码器的至少一正交脉冲信号；
一伺服驱动器，所述微处理器通过预置的通信协议与所述伺服驱动器进行数据交互，所述通信协议包括供数据交互的至少一命令字。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述微处理器采集UVWZ的电平信息，所述微处理器通过上述通信协议与所述伺服驱动器进行数据交互。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述命令字包括通讯命令字，由所述伺服驱动器通过所述通信协议发出一通信命令字，使得所述编码器响应该通信命令字并且根据该通信命令字约定的协议格式进行回复。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述编码器选择性地存储有至少一参数(换而言之，所述编码器具备存储参数的功能，但是不一定存储参数，参数也不一定是电机参数，电机参数作为参数的下位概念仅作为参数的一部分，可以由用户自定义)，由所述伺服驱动器通过所述通信协议使得所述参数被存入所述编码器。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述编码器选择性地存储有至少一参数，所述伺服驱动器在上电后通过所述通信协议读取所述编码器的所述参数。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述命令字实施为1位起始位、8位数据位和1位停止位。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述命令字还具体实施为获取产品信息命令字、获取增量位置命令字、获取绝对位置命令字、获取零点偏移量命令字、设置零点偏移量命令字、写存储区命令字和读存储区命令字中的一种或者多种命令字。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述获取产品信息命令字具体实施为23’h，所述获取增量位置命令字具体实施为31’h，所述获取绝对位置命令字具体实施为3A’h，所述获取全部位置命令字具体实施为3F’h，所述获取零点偏移量命令字具体实施为45’h，所述设置零点偏移量命令字具体实施为4C’h，所述写存储区命令字具体实施为51’h，所述读存储区命令字具体实施为5E’h。
本发明公开的通讯型增量编码器，其有益效果在于，引入了命令字技术，有助于节省成本、提高可靠性、增强编码器的线数。
附图说明
图1是本发明的通信协议的接口参数示意图。
图2是本发明的通信协议的数据类型示意图。
图3是本发明的增量位置和绝对位置的相对关系示意图。
图4A是本发明的命令字的获取产品信息示意图。
图4B是本发明的命令字的获取增量位置示意图。
图4C是本发明的命令字的获取绝对位置示意图。
图4D是本发明的命令字的获取全部位置示意图。
图4E是本发明的命令字的获取零点偏移量示意图。
图4F是本发明的命令字的设置零点偏移量示意图。
图4G是本发明的命令字的写存储区示意图。
图4H是本发明的命令字的读存储区示意图。
图5A是本发明的通信示例的获取产品信息示意图。
图5B是本发明的通信示例的获取全部位置示意图。
图5C是本发明的通信示例的写存储区示意图。
图5D是本发明的通信示例的读存储区示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种通讯型增量编码器，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
值得一提的是，本发明专利申请的各个实施例，可能涉及通信、通讯等表述，均为同一概念不再区分。
值得一提的是，本发明专利申请的各个实施例，可能涉及驱动器、伺服驱动器、伺服控制器，均为同一概念不再区分。
值得一提的是，本发明专利申请的各个实施例涉及的各类型编码器，其各自的具体定义依据为作为现有技术的《光电编码器的分类与应用研究》(DOI： 10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.36.034)，现摘录如下。
其一，增量式编码器(增量编码器)。增量式光电编码器是通过光电信号，将轴的机械转角转换成数字信号输出。它的工作特点是每次编码器转动一个预设的角度，就会产生一个脉冲信号输出。这样通过对脉冲信号数量的统计来计算旋转的角度，所以说编码器输出的位置数据是一个相对的数据。
其二，绝对式编码器(绝对编码器)。增量式编码器在工控中每次操作就需要先找到参考点，每一次开机都需要找零。绝对编码器是通过光电信号扫码分度盘上的二进制码刻度盘，用来准确定位物体的绝对位置值。然后将扫描到的结果转换成电信号以脉冲的形式输送出来，得到绝对的位移量。
其三，混合式旋转编码器(综合以上两种编码器)。混合式旋转编码器通过用光信号扫描分度盘，对光信号的通断数量的检测、统计来计算出旋转角度，可以同时输出相对旋转角度编码和绝对旋转编码两种形式的编码。
优选实施例。
优选地，所述通讯型增量编码器包括：
一编码器，所述编码器包括一编码器电路板；
一微处理器，所述微处理器设置于所述编码器电路板，所述微处理器实时采集且累计所述编码器的至少一正交脉冲信号；
一伺服驱动器，所述微处理器通过预置的通信协议与所述伺服驱动器进行数据交互，所述通信协议包括供数据交互的至少一命令字。
进一步地，所述微处理器可采集UVWZ的电平信息，所述微处理器通过上述通信协议与所述伺服驱动器进行数据交互。
进一步地，所述通信协议优选采用485通信协议，使得所述编码器和所述伺服驱动器之间只需要2根信号线即可进行数据交互。
进一步地，所述命令字包括通讯命令字，由所述伺服驱动器通过所述通信协议发出一通信命令字，使得所述编码器响应该通信命令字并且(使得所述编码器)根据该通信命令字约定的协议格式进行回复。
进一步地，所述编码器选择性地可存储有至少一参数，由所述伺服驱动器通过所述通信协议使得所述参数被存入所述编码器，从而实现所述伺服驱动器对于所控制的电机的智能识别。
进一步地，所述编码器可选择性地存储有至少一参数，所述伺服驱动器在上电后即可通过所述通信协议读取所述编码器的所述参数，从而提升易用性。
第一实施例。
需要说明的是，第一实施例在优选实施例的基础上，进一步包括以下技术方案。
进一步地，参见附图的图1，所述命令字优选实施为(所述命令字优选采用) 1位起始位、8位数据位和1位停止位。
进一步地，参见附图的图2，所述通信协议包括CMD、ID、IPOS、APOS、IOFF、 MAD、MDT和SSUM。
其中，所述CMD为命令字。
其中，所述ID具体实施为0x10E*，其中*为极对数。例如，5对极就是0x10E5。
其中，所述IPOS为增量位置信息。
其中，所述APOS为绝对位置信息。
其中，所述IOFF为零点偏移位置信息。
其中，所述MAD为存储地址字。
其中，所述MDT为存储数据字。
其中，所述SSUM为状态及校验和。
值得一提的是，所述命令字还具体实施为获取产品信息命令字、获取增量位置命令字、获取绝对位置命令字、获取零点偏移量命令字、设置零点偏移量命令字、写存储区命令字和读存储区命令字中的一种或者多种命令字。
其中，所述获取产品信息命令字具体实施为23’h，所述获取增量位置命令字具体实施为31’h，所述获取绝对位置命令字具体实施为3A’h，所述获取全部位置命令字具体实施为3F’h，所述获取零点偏移量命令字具体实施为45’ h，所述设置零点偏移量命令字具体实施为4C’h，所述写存储区命令字具体实施为51’h，所述读存储区命令字具体实施为5E’h。
值得一提的是，本实施例中，以5对极40000脉冲通信型编码器(通讯型增量编码器的一种)为例，说明增量位置(IPOS)和绝对位置(APOS)之间的关系。参见附图的图3，示出了该编码器上电后正转的“获取全部位置”指令波形：横坐标为采样点数，纵坐标为位置值，双实线曲线为IPOS，单实线曲线为 APOS，两条曲线在起始段部分重合，因此部分的双实线曲线未示出。其中，上电时，UVW的逻辑电平为010’b(4/6区间)，设定初始值为在遇到零点信号前，IPOS和APOS相等，波形上两条曲线显示重合。横坐标在 2700左右的位置编码器开始正转，并在5500左右的位置遇到零点信号。遇到零点信号后，APOS立刻置0，而IPOS则继续保持之前的位置。可以知道， IPOS表示当前的大致位置，电角度偏差值在±30°以内，而APOS在遇到零点信号以后表示的是当前的精确位置。
进一步地，由于上述IPOS和APOS表示的都是编码器的位置，若要获取与编码器组装的电机位置，就需要驱动器配合零点偏移位置(IOFF)来进行计算：IOFF是在之前上电过程中通过“设置零点偏移量”指令存储在内部非易失存储器中的，出厂默认值为0，表示电机零点位置对应的编码器绝对位置。还是以图3示出的波形为例进行说明，若IOFF＝2000，则上电时刻电机的增量位置为2667＝4667-2000，遇到零点信号时刻电机的绝对位置为38000＝0 -2000+40000(借位运算，此处注意程序中不能使用等于或低于16位的数据结构来计算位置，有溢出风险)。
进一步地，参见附图的图4A至图4H，分别示出了获取产品信息命令字(23’h)、获取增量位置命令字(31’h)、获取绝对位置命令字(3A’h)、获取全部位置命令字(3F’h)、获取零点偏移量命令字(45’h)、设置零点偏移量命令字(4C’h)、写存储区命令字(51’h)和读存储区命令字(5E’h)的命令帧格式，
其中，参见附图的图4F，设置当前绝对位置(APOS)为零点偏移量(IOFF) 需要同时满足：
1.零点信号已锁存，即SSUM的bit0为1。
2.连续接收到10次“设置零点偏移量”指令。
若零点信号未锁存，APOS0和APOS1返回值为FF’h，无法设置零点偏移量。设置零点偏移量成功后，会以第10次指令返回的APOS作为零点偏移量，存储在内部非易失存储器中(存储过程需要10～20ms左右的时间，期间无法正常通信)，供下次上电时使用，同时SSUM的bit1置位。
其中，参见附图的图4G，写存储区的地址范围(MAD)为：0～255，写存储区数据需要10～15ms左右的时间，期间无法正常通信。
其中，参见附图的图4H，读存储区的地址范围(MAD)为：0～255，读存储区数据不需要额外的处理时间，可以连续读取。
进一步地，参见附图的图5A至图5D，分别示出了获取产品信息、获取全部位置、写存储区和读存储区的通信示例。
其中，参见附图的图5A，产品识别字ID＝0x8014；状态信息Status＝ 0：未锁存零点信号；零点偏移量未更新；无报警。 Checksum＝3+2+4+1+0+8+0＝12’h＝>2。
其中，参见附图的图5B，绝对位置APOS＝0x3456；增量位置IPOS＝ 0x1231状态信息Status＝1：已锁存零点信号；零点偏移量未更新；无报警。 Checksum＝F+3+6+5+4+3+1+3+2+1+1＝2C’h＝>C。
其中，参见附图的图5C，存储地址MAD＝0x10写入存储数据MDT＝0x24 状态信息Status＝0：未锁存零点信号；零点偏移量未更新；无报警。 Checksum＝1+5+0+1+4+2+0＝0D’h＝>D。
其中，参见附图的图5D，存储地址MAD＝0x10读取存储数据MDT＝0x24 状态信息Status＝3：已锁存零点信号；零点偏移量已更新；无报警。 Checksum＝E+5+0+1+4+2+3＝1D’h＝>D。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的微处理器的具体选型等应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种通讯型增量编码器，其特征在于，包括：
一编码器，所述编码器包括一编码器电路板；
一微处理器，所述微处理器设置于所述编码器电路板，所述微处理器实时采集且累计所述编码器的至少一正交脉冲信号；
一伺服驱动器，所述微处理器通过预置的通信协议与所述伺服驱动器进行数据交互，所述通信协议包括供数据交互的至少一命令字；
所述命令字包括通讯命令字，由所述伺服驱动器通过所述通信协议发出一通信命令字，使得所述编码器响应该通信命令字并且根据该通信命令字约定的协议格式进行回复；所述编码器选择性地存储有至少一参数，由所述伺服驱动器通过所述通信协议使得所述参数被存入所述编码器；
所述通信协议包括CMD、ID、IPOS、APOS、IOFF、MAD、MDT和SSUM，所述IPOS为增量位置信息，所述APOS为绝对位置信息，所述IOFF为零点偏移位置信息，所述CMD为命令字，所述ID具体实施为0x10E*，其中*为极对数，所述MAD为存储地址字，所述MDT为存储数据字，所述SSUM为状态及校验和；
在遇到零点信号前，IPOS 和 APOS 相等，波形上两条曲线显示重合，遇到零点信号后，APOS 立刻置0，而 IPOS 则继续保持之前的位置，IPOS 表示当前的大致位置，而 APOS 在遇到零点信号以后表示的是当前的精确位置；
驱动器配合IOFF来进行计算，从而获取与编码器组装的电机位置。
2.根据权利要求1所述的通讯型增量编码器，其特征在于，所述微处理器采集UVWZ的电平信息，所述微处理器通过上述通信协议与所述伺服驱动器进行数据交互。
3.根据权利要求1所述的通讯型增量编码器，其特征在于，所述编码器选择性地存储有至少一参数，所述伺服驱动器在上电后通过所述通信协议读取所述编码器的所述参数。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的通讯型增量编码器，其特征在于，所述命令字实施为1位起始位、8位数据位和1位停止位。
5.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的通讯型增量编码器，其特征在于，所述命令字还具体实施为获取产品信息命令字、获取增量位置命令字、获取绝对位置命令字、获取零点偏移量命令字、设置零点偏移量命令字、写存储区命令字和读存储区命令字中的一种或者多种命令字。
6.根据权利要求5所述的通讯型增量编码器，其特征在于，所述获取产品信息命令字具体实施为23’h，所述获取增量位置命令字具体实施为31’h，所述获取绝对位置命令字具体实施为3A’h，所述获取全部位置命令字具体实施为3F’h，所述获取零点偏移量命令字具体实施为45’h，所述设置零点偏移量命令字具体实施为4C’h，所述写存储区命令字具体实施为51’h，所述读存储区命令字具体实施为5E’h。
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