CN118168584A - 一种用于伺服电机的多圈编码器装置 - Google Patents

一种用于伺服电机的多圈编码器装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于伺服电机的多圈编码器装置，其特征在于，该装置包括永磁铁、韦根传感器、逻辑控制模块、MRAM存储模块及MCU模块；永磁铁用于产生磁场的交替变化；韦根传感器在永磁体产生的交替变化的磁场的影响下产生脉冲，该脉冲极性是正负交替的，且脉冲电压较高；逻辑控制模块用于对韦根传感器产生的脉冲进行整流和稳压，产生稳定的脉冲用于供能；逻辑控制模块还用于得到旋转方向，传输至MRAM存储模块用于多圈计数；MRAM存储模块用于多圈计数及存储；MCU模块用于上电时参数配置。本发明能够降低对存储进行读写的能量，提高写入成功率，防止圈数漏记，提高系统性能；并且通过集成能够减少系统面积，降低成本。

Description

一种用于伺服电机的多圈编码器装置
技术领域
本发明属于编码器领域，尤其涉及一种用于伺服电机的多圈编码器装置。
背景技术
编码器是将信号或者数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。可以把角位移或直线位移转换为电信号，可用于测量电机转角或者位移，是实现电机控制的核心元件，被广泛应用于机械工程、机器人、航空、精密光学仪器等高技术领域，在现代工业中起着至关重要的作用。编码器按圈数分为单圈编码器，多圈编码器。单圈编码器又分为绝对式编码器和增量式编码器，多圈编码器为绝对式的编码器。
多圈编码器是伺服电机上用来测量转速，转向以及当前位置的一种装置，主要通过光电转换或者电磁转换的方式实现。现有的多圈编码器多采用机械结构，通过模拟机械式钟表的时分秒结构来在掉电情况下保持位置记忆，但机械齿轮式的编码器结构复杂，计量圈数受到齿轮传动比限制，同时齿轮之间相互接触将会带来机械磨损。
利用带韦根传感器的电磁感应多圈编码器能够实现在掉电情况下自供电计数，同时由于是无齿轮的计数模式，因此计数量能实现巨大的提高，系统复杂度也得到降低，但目前基于韦根传感器的多圈编码器存储工艺难以与CMOS进行兼容，导致存储模块不能与逻辑控制模块放到一颗芯片上，提高了对存储进行读写的功耗，进而导致圈数可能漏记的情况；且生产成本高。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于伺服电机的多圈编码器装置,采用MRAM作为存储模块，该模块能够单独作为一个存储芯片存在于系统当中也可以放入逻辑控制芯片，作为片上存储使用。以解决现有技术中多圈编码器装置功耗高，圈数计数错误，生产成本高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的用于伺服电机的多圈编码器装置的具体技术方案如下：
用于伺服电机的多圈编码器装置包括永磁铁、韦根传感器、逻辑控制模块、MRAM存储模块及MCU模块；永磁铁用于产生磁场的交替变化；韦根传感器在永磁体产生的交替变化的磁场的影响下产生脉冲，该脉冲极性是正负交替的，且脉冲电压较高；逻辑控制模块用于对韦根传感器产生的脉冲进行整流和稳压，产生稳定的脉冲用于供能；逻辑控制模块还用于得到旋转方向，传输至MRAM存储模块用于多圈计数；MRAM存储模块用于多圈计数及存储；MCU模块用于上电时参数配置。
进一步地，MRAM存储模块包括SPI Control接口、通用存储模块、计数读写及选择模块及多个计数存储子模块。
进一步地，逻辑控制模块、MRAM存储模块及MCU模块集成于同一芯片内。
进一步地，逻辑控制模块及MRAM存储模块集成到同一芯片内，MCU位于片外。
本发明具有以下有益技术效果：本发明降低了对存储进行读写的能量，提高写入成功率，防止圈数漏记，提高了系统性能；并且通过集成能够减少系统面积，降低成本。本发明MRAM存储模块进行分块，降低了MRAM存储模块的读写功耗，提高了耐久性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的用于伺服电机的多线圈编码器结构示意图。
图2为本发明的MRAM存储模块结构示意图。
图3为本发明的计数存储子模块存储位分配示意图。
图4为本发明的逻辑控制模块、MRAM存储模块及MCU模块位于同一芯片的多线圈编码器结构示意图。
图5为本发明的逻辑控制模块及MRAM存储模块位于同一芯片的多线圈编码器结构示意图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
如图1所示，为本发明提出的用于伺服电机的多圈编码器装置，该装置包括永磁铁、韦根传感器、逻辑控制模块、MRAM存储模块及MCU模块。
永磁铁是一块圆环型永磁铁，固定在待测物体上，并随待测物体运动而运动，进而产生磁场的交替变化。
韦根传感器在永磁体产生的交替变化的磁场的影响下产生脉冲，该脉冲极性是正负交替的，且脉冲电压较高。
逻辑控制模块包括整流电路及低压差线性稳压电路。整流电路用于对韦根传感器产生的正负交替的脉冲进行整流，低压差线性稳压电路用于对韦根传感器产生的高电压脉冲进行降压。韦根传感器产生的脉冲经逻辑控制模块的整流电路的整流及低压差线性稳压电路的降压之后产生稳定的脉冲，为逻辑控制模块的其他部分及MRAM存储模块供能。
此外，逻辑控制模块还包括脉冲极性测量装置及磁传感器。脉冲极性测量装置用于对产生的脉冲极性进行测量，磁传感器用于对脉冲产生时的磁场强度进行测量。通过测量得到的脉冲极性及磁场强度进而得到待测物体当前的旋转方向。
具体地，判断待测物体当前旋转方向的真值表如表1所示：
表1 旋转方向判断真值表
表1中，代表脉冲极性，其中，/>代表负脉冲，/>代表正脉冲；/>代表磁场强度, />代表旋转方向，其中，/>代表逆时针方向，/>代表顺时针方向。
逻辑控制模块将测量得到的脉冲极性以及旋转方向/>传输至MRAM存储模块，供MRAM存储模块决定多圈计数的加减；此外，逻辑控制模块还提供多圈计数信息的读取功能，即逻辑控制模块具备对MRAM存储模块的读写能力，MCU模块通过操控逻辑控制模块间接实现对MRAM存储模块的访问。逻辑控制模块还需要为MRAM存储模块提供时钟信号以使其具备处理时序逻辑电路的能力，还需提供片选使能信号使能MRAM存储模块，此外还需要为MRAM存储模块提供地址信号以使其输出特定地址的数据。
MRAM存储模块包括SPI Control接口、通用存储模块、计数读写及选择模块及多个计数存储子模块，如图2所示。其中计数存储子模块的数量不固定可以根据具体情况进行修改。
MRAM存储模块的每个计数存储子模块都具有多圈计数存储功能。计数存储子模块的存储位分配如图3所示，bit0-bit7 8个连续的比特组成一个存储单元，000H到005H代表存储单元的地址。每个计数存储子模块都具有以下的数据存储位：上一次写入的脉冲极性存储位，旋转方向存储位/>；当前的多圈计数位/>；确认位/>，确认位/>的作用为判断数据是否在最后一个操作周期完成了数据的写入；标志位。/>作为标志位用来表示数据是否正确写入，以及数据是否溢出。其中每个数据存储位的位宽不固定，可以根据具体情况进行修改。
MRAM存储模块通过SPI control接口接收逻辑控制模块传输的时钟信号、片选信号、地址信号、脉冲极性及旋转方向/>，当接收的信号是计数相关的信号时，信号被传递到计数读写及选择模块，计数读写及选择模块能够对指定的计数存储子模块进行读写。
具体地，计数读写及选择模块将当前指定的计数存储子模块中的脉冲极性存储位的值/>、旋转方向存储位/>的值/>及多圈计数位/>的值/>读出，将读出的/>、/>与接收的逻辑控制模块传输的/>、/>进行比较，根据/>操作真值表，进而决定对/>进行加操作、减操作或者不操作，/>操作真值表如表2所示。完成对/>的操作后，将/>和接收的脉冲极性/>、旋转方向/>写回当前指定的计数存储子模块相应存储位，最后根据写入情况对标志位/>进行更新。
表2 操作真值表
MRAM存储模块的通用存储模块用以存储系统的配置参数。
MCU模块在上电使能时进行工作，上位机通过串口等接口与MCU模块进行通信，通过MCU模块对系统参数进行配置，MCU模块首先通过逻辑控制模块从MRAM存储模块中读取当前的配置数据，同时还会读取逻辑控制模块寄存器当中的参数，之后对其进行重配置，主要配置的参数包括下个多圈计数期间选择的存储子模块，霍尔传感器信号放大倍数的配置，配置完成之后将配置好的参数写入到MRAM存储模块当中的通用存储模块。
在上电之后，MCU模块通过逻辑控制模块间接读取MRAM存储模块各个计数存储子模块内的多圈计数值，将这些多圈计数值相加，得到待测物体最终的多圈计数值，根据待测物体的初始坐标，通过多圈计数值即可得出待测物体移动的距离，进而得到待测物体当前的位置。
在上电时MCU模块能够对MRAM存储模块内的计数读写及选择模块进行配置，使其对固定的计数存储子模块进行读写，每次上电时都需进行这一配置。
每个计数存储子模块都具有一个使用总时间，该使用总时间可以通过以下函数得到：
其中，代表第/>个计数存储子模块总共的使用时间，/>代表第/>次使用该计数存储子模块时的使用时间，/>代表对该计数存储子模块的总共使用次数。
在进行重配置时每次选取使用总时间最小的计数存储子模块作为下次指定计数存储子模块。
MCU模块读取上一个多圈计数区间的计数存储子模块的及/>，上一个多圈计数区间的计数存储子模块指此次上电前一直在工作的计数存储子模块，并将其写入下一个多圈计数区间的计数存储子模块当中，下一个多圈计数区间的计数存储子模块指此次上电后根据每个存储子模块使用总时间指定的计数存储子模块，以避免错误的计数出现。
本发明通过计数时每次只选择一个计数存储子模块进行工作，上电后根据存储子模块使用总时间，利用时间选择策略选取指定计数存储子模块，达到存储分块使用的效果，使得多次使用后，每个子模块都得到相近的使用量。通过此方法可以有效克服MRAM存储器存在的读写耐久性低的问题，同时分块后每个模块的容量变小，对其进行读写所需的能量以及时间变少，能够有效适配韦根传感器单次产生的脉冲能量小，能量持续时间短的特点。
在实际应用中，无电池多圈编码器各模块参数可以根据需要设置。例如将永磁铁设置为每秒旋转5圈，产生持续的交变磁场；磁场交变频率为5Hz，每0.2秒为一个周期，在磁场交变的一个周期内，韦根传感器模块产生两次脉冲。
本发明的用于伺服电机的多圈编码器装置的逻辑控制模块，MRAM存储模块，MCU模块分别使用不同的芯片来实现，具有各模块相互独立的特点。
进一步地，将用于伺服电机的多圈编码器装置的逻辑控制模块、MRAM存储模块及MCU模块集成于同一芯片内，如图4所示。该多圈编码器装置能够实现最高的可靠性以及最小的系统面积。
进一步地，将用于伺服电机的多圈编码器装置的逻辑控制模块及MRAM存储模块集成到同一芯片内，MCU位于片外，如图5所示。该多圈编码器装置能够在进行多圈计数时降低对存储模块进行读写的能量以及时间要求，同时MCU模块处于片外，使得其可以用一些通用MCU进行替代。
本发明降低了对存储进行读写的能量，提高写入成功率，防止圈数漏记，提高了系统性能；并且通过集成能够减少系统面积，降低成本。本发明MRAM存储模块进行分块，降低了MRAM存储模块的读写功耗，提高了耐久性。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于伺服电机的多圈编码器装置，其特征在于，该装置包括永磁铁、韦根传感器、逻辑控制模块、MRAM存储模块及MCU模块；永磁铁用于产生磁场的交替变化；韦根传感器在永磁体产生的交替变化的磁场的影响下产生脉冲，该脉冲极性是正负交替的，且脉冲电压较高；逻辑控制模块用于对韦根传感器产生的脉冲进行整流和稳压，产生稳定的脉冲用于供能；逻辑控制模块还用于得到旋转方向，传输至MRAM存储模块用于多圈计数；MRAM存储模块用于多圈计数及存储；MCU模块用于上电时参数配置。
2.根据权利要求1所述的用于伺服电机的多圈编码器装置，其特征在于，逻辑控制模块包括整流电路及低压差线性稳压电路；整流电路用于对韦根传感器产生的正负交替的脉冲进行整流，低压差线性稳压电路用于对韦根传感器产生的高电压脉冲进行降压；韦根传感器产生的脉冲经逻辑控制模块的整流电路的整流及低压差线性稳压电路的降压之后产生稳定的脉冲，为逻辑控制模块的其他部分及MRAM存储模块供能。
3.根据权利要求2所述的用于伺服电机的多圈编码器装置，其特征在于，逻辑控制模块还包括脉冲极性测量装置及磁传感器；脉冲极性测量装置用于对产生的脉冲极性进行测量，磁传感器用于对脉冲产生时的磁场强度进行测量；通过测量得到的脉冲极性及磁场强度进而得到待测物体当前的旋转方向。
4.根据权利要求3所述的用于伺服电机的多圈编码器装置，其特征在于，逻辑控制模块将测量得到的脉冲极性PP，以及旋转方向DIR传输至MRAM存储模块，供MRAM存储模块决定多圈计数的加减；此外，逻辑控制模块还提供多圈计数信息的读取功能，即逻辑控制模块具备对MRAM存储模块的读写能力。
5.根据权利要求4所述的用于伺服电机的多圈编码器装置，其特征在于，MRAM存储模块包括SPI Control接口、通用存储模块、计数读写及选择模块及多个计数存储子模块。
6.根据权利要求5所述的用于伺服电机的多圈编码器装置，其特征在于，MRAM存储模块通过SPI control接口接收逻辑控制模块传输的时钟信号、片选信息、地址信号、脉冲极性PP及旋转方向DIR，当接收的信号是计数相关的信号时，信号被传递到计数读写及选择模块，计数读写及选择模块能够对指定的计数存储子模块进行读写。
7.根据权利要求5所述的用于伺服电机的多圈编码器装置，其特征在于，MRAM存储模块的通用存储模块用以存储系统的配置参数。
8.根据权利要求7所述的用于伺服电机的多圈编码器装置，其特征在于，MCU模块在上电使能时进行工作，上位机通过串口与MCU模块进行通信，通过MCU模块对系统参数进行配置，配置完成之后将配置好的参数写入到MRAM存储模块当中的通用存储模块。
9.根据权利要求1所述的用于伺服电机的多圈编码器装置，其特征在于，逻辑控制模块、MRAM存储模块及MCU模块集成于同一芯片内。
10.根据权利要求1所述的用于伺服电机的多圈编码器装置，其特征在于，逻辑控制模块及MRAM存储模块集成到同一芯片内，MCU位于片外。
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