CN114124046A - 一种可读静态位置的正交编码器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可读静态位置的正交编码器及其使用方法，正交编码器包括：Z信号产生模块、P信号产生模块、转速计算模块；Z信号产生模块与转速计算模块相连接；P信号产生模块与所述转速计算模块相连接。本发明通过将Z信号与P信号合并，在不改变原有电路框架的情况下，能够准确读取电机静态时初始位置，减少了电路和控制流程的复杂性，节省材料，降低成本；同时Z信号与P信号不同工作模式下相互转换，大幅度提高芯片使用效率，提高精度并且优化计算时间；动态时对Z信号的动态调整，更加保证了Z相脉宽的稳定性。

Description

一种可读静态位置的正交编码器及其使用方法

技术领域

本发明涉及编码器控制领域，尤其涉及一种可读静态位置的正交编码器及其使用方法。

背景技术

编码器可以将旋转位移转换成数字脉冲信号，并通过数字脉冲来控制角位移，也可用于测量直线位移。因此编码器已经广泛运用到机床、材料加工、电动机反馈系统以及测量和控制设备中。

传统的正交编码器通常采用读取脉冲信号的方法来判断初始位置。传统编码器在电机刚上电时，A线和B线会初次发出一组脉冲信号，此时电机转子的位置被默认为电机的初始位置。但是，此方法的局限性在于电机必须处于工作状态下，再去给编码器供电，才能完全读到编码器的脉冲，需要对供源进行控制，增加了电路和控制流程的复杂性。还有一种方式，增加一条P信号线并设置好默认初始位置，P线脉冲的占空比1％-99％对应电机的旋转角度0度-360度，最终通过读占空比的方式显示当前角度。但是此方法同样增加了电路的复杂性，为芯片带来负担。

发明内容

发明目的：为了解决传统编码器通过复杂化电路和控制流程才能检测到电机静态时初始位置的问题，本发明提供一种可读静态位置的正交编码器及其使用方法，通过将Z信号与P信号合并，在不同状态下Z信号与P信号相互转换，简化了电路设计的复杂性。

技术方案：一种可读静态位置的正交编码器，包括：Z信号产生模块、P信号产生模块、转速计算模块；

所述Z信号产生模块与所述转速计算模块相连接，用于在正交编码器旋转时的对一个机械周期内的预设绝对角度进行判断，并以脉冲输出；

所述P信号产生模块与所述转速计算模块相连接，用于在正交编码器静止时判断角度、指示编码器状态，并以一定占空比、周期的方波输出。

一种可读静态位置的正交编码器使用方法，包括如下步骤：

S1：检测转速计算模块，对电机所处工作状态进行判断；

S2：检测转速为零，电机处于静止状态，Z信号产生模块自动转换到P信号产生模块；

S3：获取P信号产生模块脉冲波形，获得电机静态时的初始位置；

S4：上电后，检测转速不为零，电机处于工作状态，P信号产生模块自动转换到Z信号产生模块；

S5：利用Z信号产生模块对电机动态时的位置进行判断和矫正，获取Z信号脉冲模块脉冲波形，对Z信号脉宽进行调制，保证Z相脉宽稳定。

所述步骤S3中利用P信号产生模块判断电机静态时初始位置的步骤如下：

S31：当编码器正常时，P信号以一种固定周期、可变占空比的方波来指示初始位置；

S32：当编码器不正常时，不再指示初始位置；不正常包括编码器供源过压、欠压、编码器内部传感器故障、传感器基准电压故障等；故障P信号以另一种固定周期、可变占空比的方波来指示故障。

所述步骤S31中，利用P信号以一种固定周期、可变占空比的方波来指示位置，方法是：根据P信号产生脉冲占空比的1％-99％对应电角度的0°-360°，极对数计算出机械角度，计算方法是：

其中ω_p为电角度，ω_m为机械角度。

所述步骤S32中，故障P信号以另一种固定周期、可变占空比的方波来指示故障，方法是：根据设置过压则占空比为M％；欠压则占空比为N％；编码器内部1到6号传感器故障为A％、B％、C％、D％、E％、F％；其中1≤(M≠N≠A≠B≠C≠D≠E≠F)≤99。

所述步骤S5中利用Z信号产生模块对电机动态时的位置进行判断和矫正的方法，步骤如下：

S51：Z信号产生模块的脉冲信号由编码器A线与B线决定，Z信号上升沿与A线上升沿为同一时间基准，Z线下降沿与B线上升沿为统一时间基准；

S52：编码器内部进行脉冲计数，通过脉冲数计算出Z信号所需脉冲宽度，并在Z线原始脉宽的基础上依次顺延，完成动态变化，使Z线脉冲达到所需宽度，以此保证Z相脉宽稳定。

所述步骤S52中，利用Z信号产生模块脉冲数对Z信号脉宽进行调制，具体方法是：根据每秒脉冲计数、转动轮周长、半径，编码器分辨率计算出线速度，计算方法是：

其中，N为每秒脉冲计数，L为转动轮周长，O为编码器分辨率，v为线速度；

根据线速度、半径计算出所需角速度，计算方法是：

其中，v为线速度，r为半径为，ω_c为所需角速度；

根据所需角速度计算出Z线所需脉冲宽度，计算方法是：

其中ω_c为所需角速度，T_Z为Z线所需脉冲宽度；

根据编码器转过角度、A线B线脉冲上升沿的时间差计算出A线B线检测出实际角速度，计算方法是：

其中θ为编码器转过角度，t为A线B线脉冲上升沿的时间差，ω_θ为实际角速度；根据实际角速度计算出Z线实际脉冲宽度，计算方法是：

其中ω_θ为实际角速度，T_θ为Z线实际脉冲宽度；

根据Z线所需脉冲宽度、Z线实际脉冲宽度计算出所需调整脉宽，计算方法是：

T_x＝T_Z-T_θ

其中T_Z为Z线所需脉冲宽度，T_θ为Z线实际脉冲宽，T_x为所需调整脉宽。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

1、本发明通过Z信号产生模块与P信号产生模块的结合，将两条信号线合并为一条信号线，与传统正交编码器相比，节省了引线以及端口，很大程度上减少了电路和控制流程的复杂性，简化硬件设计，降低成本。

2、本发明通过设计Z信号与P信号相互结合转换的方式，提高了芯片的工作效率，与传统设计中的，静态时Z线被完全搁置、动态时P线被完全搁置相比，避免了芯片占用大量内存处理无用信息的问题，缩短了检测时间，加快了芯片整体效益。

3、本发明在对Z线信号的检测中，巧妙的对Z线信号脉冲进行动态调制，与传统检测方式相比，避免了Z线脉宽因误差而导致不稳定的问题。

附图说明

图1为一种可读静态位置的正交编码器使用方法的流程图；

图2为编码器静态工作时初始位置判定的流程图；

图3为编码器静态工作正常时，P信号以一种固定周期、可变占空比的方波来指示初始位置的波形图；

图4为编码器静态工作不正常时，P信号以另一种固定周期、可变占空比的方波来指示故障的波形示意图；

图5为编码器动态工作时Z信号脉宽调制的流程图；

图6为编码器动态工作时Z信号脉宽调制的波形示意图；

图7为静态工作与动态工作切换时的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

一种可读静态位置的正交编码器，包括：Z信号产生模块、P信号产生模块、转速计算模块；

所述Z信号产生模块与所述转速计算模块相连接，用于在正交编码器旋转时的对一个机械周期内的预设绝对角度进行判断，并以脉冲输出；

所述P信号产生模块与所述转速计算模块相连接，用于在正交编码器静止时判断角度、指示编码器状态，并以一定占空比、周期的方波输出。

如图1所示，一种可读静态位置的正交编码器使用方法，包括如下步骤：

S1：检测转速计算模块，对电机所处工作状态进行判断；

S2：检测转速为零，电机处于静止状态，Z信号产生模块自动转换到P信号产生模块；

S3：获取P信号产生模块脉冲波形，获得电机静态时的初始位置；

S4：上电后，检测转速不为零，电机处于工作状态，P信号产生模块自动转换到Z信号产生模块；

S5：利用Z信号产生模块对电机动态时的位置进行判断和矫正，获取Z信号脉冲模块脉冲波形，对Z信号脉宽进行调制，保证Z相脉宽稳定。

如图2所示，所述步骤S3中利用P信号产生模块判断电机静态时初始位置的步骤如下：

S31：当编码器正常时，P信号以一种固定周期、可变占空比的方波来指示初始位置；

S32：当编码器不正常时，不再指示初始位置；不正常包括编码器供源过压、欠压、编码器内部传感器故障、传感器基准电压故障等；故障P信号以另一种固定周期、可变占空比的方波来指示故障。

如图3所示，所述步骤S31中，利用P信号以一种固定周期、可变占空比的方波来指示位置，方法是：根据P信号产生脉冲占空比的1％-99％对应电角度的0°-360°，极对数计算出机械角度，计算方法是：

其中ω_p为电角度，ω_m为机械角度。

例如，极对数为p1，占空比为50％，对应电角度ω_p＝180°，则机械角度具体为：

如图4所示，所述步骤S32中，故障P信号以另一种固定周期、可变占空比的方波来指示故障，方法是：根据设置过压则占空比为M％；欠压则占空比为N％；编码器内部1到6号传感器故障为A％、B％、C％、D％、E％、F％；其中

例如，过压占空比为10％；欠压占空比为20％；编码器内部1到6号传感器故障为30％、35％、40％、45％、50％、55％；

如图5所示，所述步骤S5中利用Z信号产生模块对电机动态时的位置进行判断和矫正的方法，步骤如下：

S51：Z信号产生模块的脉冲信号由编码器A线与B线决定，Z信号上升沿与A线上升沿为同一时间基准，Z线下降沿与B线上升沿为统一时间基准；

S52：编码器内部进行脉冲计数，通过脉冲数计算出Z信号所需脉冲宽度，并在Z线原始脉宽的基础上依次顺延，完成动态变化，使Z线脉冲达到所需宽度，以此保证Z相脉宽稳定。

如图6所示，所述步骤S52中，利用Z信号产生模块脉冲数对Z信号脉宽进行调制，具体方法是：根据每秒脉冲计数、转动轮周长、半径，编码器分辨率计算出线速度，计算方法是：

其中，N为每秒脉冲计数，L为转动轮周长，O为编码器分辨率，v为线速度；

根据线速度、半径计算出所需角速度，计算方法是：

其中，v为线速度，r为半径为，ω_c为所需角速度；

根据所需角速度计算出Z线所需脉冲宽度，计算方法是：

其中ω_c为所需角速度，T_Z为Z线所需脉冲宽度；

根据编码器转过角度、A线B线脉冲上升沿的时间差计算出A线B线检测出实际角速度，计算方法是：

其中θ为编码器转过角度，t为A线B线脉冲上升沿的时间差，ω_θ为实际角速度；

根据实际角速度计算出Z线实际脉冲宽度，计算方法是：

其中ω_θ为实际角速度，T_θ为Z线实际脉冲宽度；

根据Z线所需脉冲宽度、Z线实际脉冲宽度计算出所需调整脉宽，计算方法是：T_x＝T_Z-T_θ

其中T_Z为Z线所需脉冲宽度，T_θ为Z线实际脉冲宽，T_x为所需调整脉宽。

例如，可选地，设置每秒脉冲计数N＝2048，动轮周长L＝2Πm，半径r＝1m；编码器分辨率O＝1024；线速度v，通过Z线检测所需角速度为ω_c，A线B线检测出实际角速度为ω_θ；A线B线脉冲上升沿的时间差为0.06min，电机转过角度为15°；Z线所需脉冲宽度为T_Z，Z线实际脉冲宽度T_θ，Z线脉宽所需调整脉宽为T_x，则可检测到线速度v：

则可检测到所需角速度:

则可检测到Z信号所需脉冲宽度:

则可检测到A线B线测出实际角速度为：

则可检测到Z线实际脉冲宽度为：

则可检测到所需调整脉宽为：

图7为本发明具体实施静态工作与动态工作切换时的波形示意图。

Claims (7)

1.一种可读静态位置的正交编码器，其特征在于，包括：Z信号产生模块、P信号产生模块、转速计算模块；

所述Z信号产生模块与所述转速计算模块相连接，用于在正交编码器旋转时的对一个机械周期内的预设绝对角度进行判断，并以脉冲输出；

所述P信号产生模块与所述转速计算模块相连接，用于在正交编码器静止时判断角度、指示编码器状态，并以一定占空比、周期的方波输出。

2.一种可读静态位置的正交编码器使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：检测转速计算模块，对电机所处工作状态进行判断；

S2：检测转速为零，电机处于静止状态，Z信号产生模块自动转换到P信号产生模块；

S3：获取P信号产生模块脉冲波形，获得电机静态时的初始位置；

S4：上电后，检测转速不为零，电机处于工作状态，P信号产生模块自动转换到Z信号产生模块；

S5：利用Z信号产生模块对电机动态时的位置进行判断和矫正，获取Z信号脉冲模块脉冲波形，对Z信号脉宽进行调制，保证Z相脉宽稳定。

3.根据权利要求2所述的一种可读静态位置的正交编码器使用方法，其特征在于，所述步骤S3中利用P信号产生模块判断电机静态时初始位置的步骤如下：

S31：当编码器正常时，P信号以一种固定周期、可变占空比的方波来指示初始位置；

S32：当编码器不正常时，不再指示初始位置；不正常包括编码器供源过压、欠压、编码器内部传感器故障、传感器基准电压故障等；故障P信号以另一种固定周期、可变占空比的方波来指示故障。

4.根据权利要求3所述的一种可读静态位置的正交编码器使用方法，其特征在于，所述步骤S31中，利用P信号以一种固定周期、可变占空比的方波来指示位置，方法是：根据P信号产生脉冲占空比的1％-99％对应电角度的0°-360°，极对数计算出机械角度，计算方法是：

其中ω_p为电角度，ω_m为机械角度。

5.根据权利要求3所述的一种可读静态位置的正交编码器使用方法，其特征在于，所述步骤S32中，故障P信号以另一种固定周期、可变占空比的方波来指示故障，方法是：根据设置过压则占空比为M％；欠压则占空比为N％；编码器内部1到6号传感器故障为A％、B％、C％、D％、E％、F％；其中1≤(M≠N≠A≠B≠C≠D≠E≠F)≤99。

6.根据权利要求2所述的一种可读静态位置的正交编码器使用方法，其特征在于，所述步骤S5中利用Z信号产生模块对电机动态时的位置进行判断和矫正的方法，步骤如下：

S51：Z信号产生模块的脉冲信号由编码器A线与B线决定，Z信号上升沿与A线上升沿为同一时间基准，Z线下降沿与B线上升沿为统一时间基准；

S52：编码器内部进行脉冲计数，通过脉冲数计算出Z信号所需脉冲宽度，并在Z线原始脉宽的基础上依次顺延，完成动态变化，使Z线脉冲达到所需宽度，以此保证Z相脉宽稳定。

7.根据权利要求6所述的一种可读静态位置的正交编码器使用方法，其特征在于，所述步骤S52中，利用Z信号产生模块脉冲数对Z信号脉宽进行调制，具体方法是：根据每秒脉冲计数、转动轮周长、半径，编码器分辨率计算出线速度，计算方法是：

其中，N为每秒脉冲计数，L为转动轮周长，O为编码器分辨率，v为线速度；

根据线速度、半径计算出所需角速度，计算方法是：

其中，v为线速度，r为半径为，ω_c为所需角速度；

根据所需角速度计算出Z线所需脉冲宽度，计算方法是：

其中ω_c为所需角速度，T_Z为Z线所需脉冲宽度；

根据编码器转过角度、A线B线脉冲上升沿的时间差计算出A线B线检测出实际角速度，计算方法是：

其中θ为编码器转过角度，t为A线B线脉冲上升沿的时间差，ω_θ为实际角速度；

根据实际角速度计算出Z线实际脉冲宽度，计算方法是：

其中ω_θ为实际角速度，T_θ为Z线实际脉冲宽度；

根据Z线所需脉冲宽度、Z线实际脉冲宽度计算出所需调整脉宽，计算方法是：

T_x＝T_Z-T_θ

其中T_Z为Z线所需脉冲宽度，T_θ为Z线实际脉冲宽，T_x为所需调整脉宽。

Images