CN114061627A - 一种电子式多圈绝对值编码器系统、装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子式多圈绝对值编码器系统、装置及工作方法，检测电机转子转动的角度和位置信息，转化为编码器单圈位置数据经由低功耗单片机传输到主控制器；接收圈数信息和单圈绝对位置信息，并通过内部运算得到多圈绝对位置数据信息；当检测到系统掉电时，编码器和低功耗单片机由备用电源供电工作，将圈数和单圈绝对位置信息持续存入单片机存储模块中；当检测到系统下一次重新上电时，从单片机存储模块中读取圈数和单圈绝对位置，运算得到多圈绝对位置数据，并作为此次编码器系统工作的初始位置。本发明能实现断电位置记忆，永不失位；系统架构简单，功耗极低，适用于主电源长短期断电场景，具有良好的应用价值。

Description

一种电子式多圈绝对值编码器系统、装置及工作方法

技术领域

本发明属于编码器技术领域，尤其涉及一种电子式多圈绝对值编码器系统、装置及工作方法。

背景技术

旋转编码器是一种用来测量电机轴位置及电机转速的装置，将电机轴运动的角速度转换为电信号输出到控制器。旋转编码器在电机驱动与控制领域具有广泛应用。绝对值式编码器可以记录电机转子的绝对位置，按照计量圈数分为单圈绝对值编码器和多圈绝对值编码器。

单圈绝对值编码器只能记录单圈360°内的绝对位置，应用场景受限；而传统的多圈绝对值编码器采用机械齿轮结构，通过齿轮传动原理实现多圈计数。然而，传统的机械式多圈绝对值编码器结构复杂，体积庞大，且计量圈数受限，不利于电机的集成化和小型化。

电子式多圈绝对值编码器一般采用单片机记录电机的多圈绝对位置。然而，现有的电子式多圈绝对值编码器电路复杂、功耗较高，一般只记录正常工作及掉电瞬间的位置信息，或是对备用电源供电能力要求较高。缺少一种简单、有效、低能耗的多圈绝对值编码器装置及工作方法，用以在电机系统长期断电的场景下，持续检测、记录并存储由于外部环境影响导致电机转子位置变化时的多圈绝对值编码器信息。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术对于电机系统掉电后，外部环境影响导致电机转子位置变化的不足，提供一种电子式多圈绝对值编码器系统、装置及其工作方法。本发明具有简单、有效、低能耗的特点，可实现位置存储与断电位置记忆功能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电子式多圈绝对值编码器系统，包括：

单圈绝对值编码器，用于检测电机转子转动信息，并将单圈内的位置信息转换为数字信号；

低功耗单片机，用于持续接收所述单圈绝对值编码器传输的位置信息，并在系统供电电源上电时将位置信息传输到主控制器；

主控制器，用于在系统供电电源上电时读取、记录和计算所述编码器的圈数和位置信息，以及，进行掉电检测；

系统供电电源，用于在驱动电机正常工作时为包含所述单圈绝对值编码器、低功耗单片机和主控制器的整个系统供电；

备用电源，用于在检测到系统供电电源掉电后，持续为所述单圈绝对值编码器和低功耗单片机供电。

进一步地，包括：

所述单圈绝对值编码器的编码信号输出端与所述低功耗单片机信号输入端电连接；

所述低功耗单片机信号输出端与主控制器输入端电连接；

所述系统供电电源与所述单圈绝对值编码器、低功耗单片机和主控制器的供电管脚电连接，用于为这三个器件供电；

所述备用电源与所述单圈绝对值编码器和低功耗单片机的供电管脚电连接，用于在系统供电电源掉电后为这两个器件供电。

一种电子式多圈绝对值编码器装置，包括：

数据传输模块，用于传输电机转子转动时编码器得到的位置信息，与数据处理模块相连接；

数据处理模块，用于接收所述编码器传输的信息，得到其圈数值与单圈位置信息，运算得到多圈绝对位置；

存储模块，用于存储所述单圈绝对值编码器的圈数信息及单圈绝对位置数值；

掉电检测模块，用于检测所述系统供电电源是否为系统正常供电。

进一步地，数据处理模块包括：

圈数计算子模块，用于根据所述单圈绝对值编码器输出的过零点脉冲信号，计算得到其转动的圈数；

多圈位置计算子模块，用于根据圈数和单圈绝对位置信息计算得到多圈位置信息。

一种电子式多圈绝对值编码器的工作方法，包括：

检测电机转子转动角度与速度信息，并转化为绝对值编码器的单圈位置信息，传输到主控制器；

根据编码器的过零位信息得到编码器的圈数，并通过主控制器算法运算得到编码器多圈绝对位置信息；

检测系统供电电源是否掉电，当系统供电电源掉电时，编码器和低功耗单片机在备用电源供电下工作，由低功耗单片机记录编码器的圈数和单圈位置信息，存入存储模块中；

在下一次系统供电电源上电后，读取所述低功耗单片机记录的编码器的圈数和单圈位置信息，得到编码器的多圈绝对位置信息，并作为此次上电工作的初始位置信息。

进一步地，根据编码器过零位信息得到编码器圈数，并通过运算得到多圈绝对位置信息，具体包括：

检测单圈绝对值编码器工作时对外输出的脉冲信号，统计实时输出的脉冲信号数量得到所述编码器的圈数n；

由位置公式P＝n×L+m计算得到当前的多圈绝对位置信息，其中，n表示圈数值，L为单圈绝对值编码器的单圈线数值，m为单圈内绝对位置数值。

进一步地，检测系统供电电源是否掉电，掉电时由低功耗单片机记录编码器的圈数和单圈位置信息，并在下一次上电时由主控制器读取位置信息，具体包括：

当检测到系统供电电源掉电时，供电系统切换为备用电源供电，使所述单圈绝对值编码器和低功耗单片机持续工作；

将编码器的圈数和单圈绝对位置数值存储在所述低功耗单片机内部的存储模块中，所述低功耗单片机切换到低功耗待机模式；

当外部环境干扰导致电机转子转动时，所述低功耗单片机被唤醒，接收编码器传输的圈数和单圈位置信息并持续存储到内部存储模块；

在检测到系统供电电源重新上电后，由主控制器从单片机读取圈数和单圈位置信息，并作为此次上电工作时的初始位置信息。

本发明的有益效果是：本发明可应用于多种电机转子位置及转速检测的场景，利用普通的单圈绝对值编码器实现多圈位置记录功能，并能实现断电位置记忆，永不失位。相比传统的机械齿轮式多圈绝对值编码器，本发明提供的电子式多圈绝对值编码器结构更简单，圈数计量范围更大，有利于电机结构的小型化、轻量化。更重要的是，本发明实现了系统掉电后位置检测与记忆的功能。针对系统长时间掉电、掉电后受外部干扰导致电机转子转动的场景，实现了实时检测、记录并存储多圈绝对位置信息的功能，在系统重新上电时可快速找到初始位置。本发明提供的系统架构简单、成本、功耗较低，易于实现，适用于主电源长短期断电场景，具有良好的应用价值。

附图说明

图1是本发明一种电子式多圈绝对值编码器工作方法的流程图；

图2是本发明一种电子式多圈绝对值编码器装置的框图；

图3是本发明一种电子式多圈绝对值编码器系统框架的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本发明中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1是根据示例性实施例示出的一种电子式多圈绝对值编码器工作方法的流程图，该方法应用于电子式多圈绝对值编码器装置，可以包括以下步骤：

步骤S101，检测电机转子转动的角度与位置，转化为单圈绝对值编码器编码的位置信息，经过低功耗单片机，传输到主控制器。

所述单圈绝对值编码器根据传感元件的不同，可以是磁编码器或光电式编码器，在本实施例中，以磁编码器为例；所述低功耗单片机一般指超低功耗微控制器(MCU)，在本实施例中，以STM32L4系列低功耗单片机为例，STM32L4单片机可以工作在多种低功耗模式，在低功耗待机时，最低电流可以达到10uA以下，可以有效降低整个装置功耗；所述主控制器可以是各类PC主机，也可以是基于嵌入式芯片的硬件平台，在本实施例中，以基于Linux系统的嵌入式主机为例。基于Linux系统的嵌入式主机运算资源丰富，集成度高，可以实现转动位置信息的接收、运算和存储等功能。

该步骤包含如下子步骤：

S1011，检测电机转子转动的角度和位置，通过转动时磁编码器感应磁场的变化，将电机转动的运动信号转换为电信号输出。

S1012，低功耗单片机接收所述单圈绝对值编码器的位置数据和编码器过零点脉冲，并根据过零点脉冲数量记录圈数，将编码器转动圈数N和编码器位置数据P存入低功耗单片机内部SRAM存储器中，同时传输到主控制器。

在本实施例中，所述单圈绝对值编码器电路支持在转动一圈时输出脉冲信号，该脉冲信号经由信号处理与放大电路后可以由低功耗单片机接收并计数，所述低功耗单片机每接收一个过零位脉冲，圈数N计数加一。

步骤S102，接收编码器圈数和单圈位置数据，并通过主控制器算法运算得到编码器多圈绝对位置信息。

该步骤包含如下子步骤：

S1021，接收低功耗单片机存储的编码器圈数n和单圈绝对位置数据信息m。在本实施例中，低功耗单片机与主控制器通过通用异步收发接口(UART)相连接，传输速度可达115200bps，保证了编码器位置数据传输的实时性。

S1022，根据众所周知的预设公式P＝n×L+m计算得到当前位置的多圈绝对位置信息P。其中，n为编码器运行的圈数，m为当前单圈绝对位置信息，L表示单圈绝对值编码器的线数。据此，可以得到该编码器装置的多圈绝对位置信息，用以进行后续数据处理与电机控制。

步骤S103，检测系统供电电源是否掉电，当系统供电电源掉电后，所述编码器和低功耗单片机在备用电源供电下持续工作，由低功耗单片机记录编码器的圈数和单圈位置信息，存入存储模块中。

本发明实施例中，系统供电电源指为整个多圈绝对值编码器系统供电的直流电源，所述编码器、低功耗单片机和主控制器等器件在系统供电电源供电下工作；所述备用电源一般为可充电锂电池，可以接入供电电路为所述编码器和低功耗单片机组成的小型系统供电。

该步骤包含如下子步骤：

S1031，掉电检测模块检测掉电时刻并切换到备用电源供电。具体地，为了使系统维持掉电前的工作状态，并使电机单圈位置数据信息和圈数信息可以在掉电时存储，掉电检测模块需持续检测系统的工作电压。系统供电电源掉电时，工作电压下降，当下降到掉电阈值电压U0时，备用电源开始工作，为所述单圈绝对值编码器和低功耗单片机供电。

S1032，当检测到掉电时，所述低功耗单片机将其掉电时刻记录的编码器圈数N和单圈的位置数据信息存入芯片内部静态存储空间(SRAM)中。由于备用电源电量有限，为保证系统功耗最低、备用电源工作时间尽量长，当所述圈数信息和单圈位置信息写入SRAM后，所述低功耗单片机进入低功耗待机模式。

S1033，在低功耗单片机处于低功耗待机模式期间，如果检测到电机转子由于外部干扰发生转动，所述编码器采集信息，并通过中断的方式唤醒低功耗单片机，所述低功耗单片机在唤醒后，内核正常工作，参考S1032步骤，将变化后的单圈位置数据写入SRAM中。低功耗单片机的低功耗待机与实时唤醒功能，保证了备用电源供电时，系统可以继续记录电机位置变化，不会失位。

步骤S104，在下一次系统供电电源上电后，读取所述低功耗单片机记录的编码器的圈数和单圈位置信息，得到编码器的多圈绝对位置信息，并作为此次上电工作的初始位置信息。

该步骤包含如下子步骤：

S1041，当系统供电电源重新供电后，掉电检测模块检测供电电压上升，当供电电压达到上电阈值电压U1时，系统切换到系统供电电源供电下工作，备用电源停止供电并切换到充电模式，以保证在下一次系统供电电源掉电时使用。

S1042，主控制器从低功耗单片机接收其存储的圈数信息和单圈绝对位置数据信息，并通过运算得到多圈绝对位置信息。具体获得多圈绝对位置信息的算法参考S102，在此不再赘述。

至此，在主控制器端，可以获得准确的多圈绝对值编码数据信息，以便进行后续的数据处理以及对电机的进一步控制。

相比传统的机械式多圈绝对值编码器的工作方法，本实施例所述的电子式多圈绝对值编码器工作方法简单，减少了对复杂的齿轮机械结构的依赖。结合主控制器和低功耗单片机的电路特性，实现绝对值编码器位置信息的传输、运算和存储等功能。此外，相比市面上现有的电子式多圈绝对值编码器工作方法，本实施例所提供的工作方法不仅可以实现断电位置记忆，防止系统供电电源掉电期间外部环境干扰导致电机失位；而且使得整个系统功耗更低，备用电源供电时待机时间显著提高，可靠性更强。

与前述的一种电子式多圈绝对值编码器工作方法相对应，本发明还提供了一种电子式多圈绝对值编码器装置的实施例。

图2是根据一示例性实施例示出的一种电子式多圈绝对值编码器装置的框图，包括：

数据传输模块21，用于将单圈绝对值编码器得到的电机转子单圈位置信息和过零位脉冲信号传输到低功耗单片机，以及将所述圈数和位置信息从低功耗单片机传输到主控制器。

数据处理模块22包括圈数计算子模块和多圈位置计算子模块。圈数计算子模块用于根据单圈绝对值编码器的过零脉冲信号，得到电机转子旋转圈数信息；多圈位置计算子模块根据圈数和单圈绝对位置信息，通过算法运算得到多圈绝对位置信息。

数据存储模块23，用于存储编码器得到的圈数和单圈绝对位置信息。

掉电检测模块24，用于检测整个装置是否掉电，当发生掉电时，使备用电源开始工作，保证圈数和位置信息继续传输并存储到数据存储模块。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

相应的，图3是根据示例性实施例示出的一种电子式多圈绝对值编码器系统框图，该系统包括：

主控制器901，用于读取、记录和计算单圈绝对值编码器的圈数和位置信息，以及实现系统的掉电检测功能。

低功耗单片机902，用于持续接收单圈绝对值编码器传输的位置信息，并在系统供电电源上电时将所述位置信息传输到主控制器；当备用电源供电时，用于接收并缓存所述编码器的位置信息。

单圈绝对值编码器903，用于检测电机转子的转动信息，并将单圈内的转动位置转换为数字信号输出。

系统供电电源904，用于在驱动电机正常工作时为包含所述单圈绝对值编码器、低功耗单片机和主控制器在内的整个系统供电。

备用电源905，用于在检测到系统供电电源掉电后，持续为单圈绝对值编码器和低功耗单片机供电。

其中，单圈绝对值编码器的编码信号输出端与低功耗单片机信号输入端电连接。低功耗单片机信号输出端与主控制器输入端电连接。系统供电电源与单圈绝对值编码器、低功耗单片机和主控制器的供电管脚电连接，用于为这三个器件供电。备用电源与单圈绝对值编码器和低功耗单片机的供电管脚电连接，用于在系统供电电源掉电后为这两个器件供电。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电子式多圈绝对值编码器系统，其特征在于，包括：

单圈绝对值编码器，用于检测电机转子转动信息，并将单圈内的位置信息转换为数字信号。

低功耗单片机，用于持续接收所述单圈绝对值编码器传输的位置信息，并在系统供电电源上电时将位置信息传输到主控制器。

主控制器，用于在系统供电电源上电时读取、记录和计算所述编码器的圈数和位置信息，以及，进行掉电检测。

系统供电电源，用于在驱动电机正常工作时为包含所述单圈绝对值编码器、低功耗单片机和主控制器的整个系统供电。

备用电源，用于在检测到系统供电电源掉电后，持续为所述单圈绝对值编码器和低功耗单片机供电。

2.根据权利要求1所述电子式多圈绝对值编码器系统，其特征在于，包括：

所述单圈绝对值编码器的编码信号输出端与所述低功耗单片机信号输入端电连接。

所述低功耗单片机信号输出端与主控制器输入端电连接。

所述系统供电电源与所述单圈绝对值编码器、低功耗单片机和主控制器的供电管脚等电连接，用于为这三个器件供电。

所述备用电源与所述单圈绝对值编码器和低功耗单片机的供电管脚等电连接，用于在系统供电电源掉电后为这两个器件供电。

3.一种电子式多圈绝对值编码器装置，其特征在于，包括：

数据传输模块，用于传输电机转子转动时编码器得到的位置信息，与数据处理模块相连接；

数据处理模块，用于接收所述编码器传输的信息，得到其圈数值与单圈位置信息，运算得到多圈绝对位置信息；

数据存储模块，用于存储所述单圈绝对值编码器的圈数信息及单圈绝对位置数值；

掉电检测模块，用于检测所述系统供电电源是否为系统正常供电。

4.根据权利要求3所述电子式多圈绝对值编码器装置，其特征在于，数据处理模块包括：

圈数计算子模块，用于根据所述单圈绝对值编码器输出的过零点脉冲信号，计算得到其转动的圈数；

多圈位置计算子模块，用于根据圈数和单圈绝对位置信息计算得到多圈位置信息。

5.一种电子式多圈绝对值编码器的工作方法，其特征在于，包括：

检测电机转子转动角度与速度信息，并转化为绝对值编码器的单圈位置信息，经过低功耗单片机传输到主控制器；接收编码器圈数和单圈位置数据，并通过主控制器算法运算得到编码器多圈绝对位置信息；

检测系统供电电源是否掉电，当系统供电电源掉电时，编码器和低功耗单片机在备用电源供电下工作，由低功耗单片机记录编码器的圈数和单圈位置信息，存入单片机存储模块中；在下一次系统供电电源上电后，读取所述低功耗单片机记录的编码器的圈数和单圈位置信息，得到编码器的多圈绝对位置信息，并作为此次上电工作的初始位置。

6.根据权利要求5所述电子式多圈绝对值编码器的工作方法，其特征在于，根据编码器过零位信息得到编码器圈数，并通过运算得到多圈绝对位置信息，具体包括：

检测单圈绝对值编码器工作时对外输出的脉冲信号，统计实时输出的脉冲信号数量得到所述编码器的圈数n；

由位置公式P＝n×L+m计算得到当前的多圈绝对位置信息，其中，n表示圈数值，L为单圈绝对值编码器的单圈线数值，m为单圈内绝对位置数值。

7.根据权利要求5所述电子式多圈绝对值编码器的工作方法，其特征在于，检测系统供电电源是否掉电，掉电时由低功耗单片机记录编码器的圈数和单圈位置信息，并在下一次上电时由主控制器读取位置信息，具体包括：

当检测到系统供电电源掉电时，供电系统切换为备用电源供电，使所述单圈绝对值编码器和低功耗单片机持续工作；

将编码器的圈数和单圈绝对位置数值存储在所述低功耗单片机内部的存储模块中，所述低功耗单片机切换到低功耗待机模式；

当外部环境干扰导致电机转子转动时，所述低功耗单片机被唤醒，接收编码器传输的圈数和单圈位置信息并持续存储到内部存储模块；

在检测到系统供电电源重新上电后，由主控制器从单片机读取圈数和单圈位置信息，并作为此次上电工作时的初始位置信息。

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