CN209166465U - 一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，该装置可兼容多协议多类型的正余弦编码器信号，采用不同信号通路，对正余弦编码器信号进行处理，获取高分辨率位置信息。解决了应用系统中不同编码器需要接入不同类型编码器信号处理装置，电路复杂，拆接困难的问题。该装置包括编码器信号输入接口、电信号处理电路和单芯片通用处理器。电信号处理电路包括参考点信号处理电路、增量正余弦信号处理电路、单圈正余弦信号处理电路、同步串行信号处理电路和异步串行信号处理电路，单芯片通用处理器通过不同信号通路对输入的信号进行处理，获得周期计数信息、位置细分信息以及单圈绝对位置信息，拼接整合后获得高分辨率即时位置信息。

Description

一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置

技术领域

本实用新型涉及数控机床、机器人和伺服控制技术等领域，特别涉及一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置。

背景技术

光电编码器是将机械几何位移量转换成脉冲或数字量等电信号的传感器，广泛应用于数控机床、机器人和伺服控制技术等工业领域中以获取位置和速度信息。

正余弦编码器通过对输出的正余弦信号进行特定的细分运算，得到高分辨率的位置信息，相对于方波增量正余弦编码器，能在相同的物理刻线下，得到更细腻的位置信息，并且运算速度的解析力更高，转速也不受信号频率的影响，因此在数控机床行业内，应用十分广泛。

正余弦编码器上电时，需要首先获得转子的初始位置信息，这有不同的设计技术可以实现，单参考点或多参考正余弦信号编码器根据参考点Z信号获得单圈绝对位置信息，而一些现代的编码器采用串行协议接口，通过对串行协议信号进行解析直接获得单圈绝对位置信息，这些导致了正余弦编码器的不同，不同正余弦编码器输出的信号也存在很大差异，从而在应用系统中就需要接入不同类型的编码器信号处理装置来对编码器信号进行处理，这就导致了硬件电路更加复杂，使用十分不方便。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，可兼容多协议多类型的正余弦编码器信号，根据信号类型选择模块的软件参数配置，采用不同信号通路，对正余弦编码器信号进行处理，从而获取高分辨率位置信息，有效解决应用系统中不同编码器需要接入不同类型编码器信号处理装置的问题，简化硬件电路，使用方便。

本实用新型一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，包括编码器信号输入接口，电信号处理电路和单芯片通用处理器；编码器信号输入接口与电信号处理电路相连，电信号处理电路与单芯片通用处理器相连。

编码器信号输入接口，用于与正余弦编码器连接并获取其输出的位置信号，编码器信号输入接口支持接入编码器增量正余弦AB信号、参考点Z信号、单圈正余弦CD信号、同步串行协议信号和异步串行协议信号；电信号处理电路包括参考点信号处理电路、增量正余弦信号处理电路、单圈正余弦信号处理电路、同步串行信号处理电路和异步串行信号处理电路，与编码器信号输入接口连接，并对其输入的参考点Z信号、增量正余弦AB信号、单圈正余弦CD信号以及串行协议信号进行处理和调整；单芯片通用处理器，与电信号处理电路连接，包括四倍频单元、模数转换单元、同步串口单元、异步串口单元、周期计数模块、位置细分模块、单圈位置协议解析模块、单圈绝对高分辨率位置信息获取模块以及编码器信号类型选择模块，根据编码器信号类型选择模块的软件参数配置，选择不同信号通路对上述电信号处理电路送入的信号进行处理，从而获得周期计数信息、位置细分信息以及单圈绝对位置信息，然后利用单圈绝对高分辨率位置信息获取模块对上述信息进行拼接整合，获得准确的即时位置信息。

上述电信号处理电路由运算放大器模块，比较器模块，电压基准模块以及RS485接口芯片组成；运算放大器模块将输入的差分正余弦信号滤波放大，并调理成单端正余弦信号，单端正余弦信号以电压基准模块提供的电压为中心电平；比较器模块将单端正余弦信号与基准电压提供的电压比较得到方波信号，对参考点信号的处理是直接将差分参考点信号比较得到方波信号；电压基准模块为运算放大器模块和比较器模块提供基准电压；RS485接口芯片由单芯片通用处理器的串口单元和单圈位置协议解析模块控制进行数据发送和接收；不同模块组合构成参考点信号处理电路、增量正余弦信号处理电路、单圈正余弦信号处理电路、同步串行协议信号处理电路以及异步串行信号处理电路，可以根据信号类型选择模块的软件参数配置，选择不同的信号处理电路，对编码器信号输入接口输入的各路信号进行处理。

单芯片处理器对比较器模块输出的方波信号以及运算放大器模块输出的单端正余弦信号进行运算处理，得到单圈绝对位置信息、位置细分信息以及周期计数信息，通过单圈绝对高分辨率位置信息获取模块拼接整合，获取高分辨率位置信息。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供了一种可兼容处理多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，支持接入多协议多类型的正余弦编码器信号，软件参数配置灵活，可以实现对多协议多类型正余弦编码器信号的处理和位置信息获取，实用性强。

附图说明

图1是本实用新型兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置结构示意图。

图2是本实用新型实施例的CDABZ（单参考点和多参考点ABZ）正余弦编码器信号处理电路示意图。

图3是本实用新型实施例的同步串行协议正余弦编码器信号处理电路示意图。

图4是本实用新型实施例的异步串行协议正余弦编码器信号处理电路示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，包括编码器信号输入接口1、电信号处理电路2以及单芯片通用处理器3。编码器信号输入接口1与电信号处理电路相连2，电信号处理电路2与单芯片通用处理器3相连。编码器信号输入接口1，用于获取正余弦编码器连接输出的位置信号，编码器信号输入接口1支持接入编码器增量正余弦AB信号、参考点Z信号、单圈正余弦CD信号、同步串行协议信号和异步串行协议信号；电信号处理电路2包括参考点信号处理电路、增量正余弦信号处理电路、单圈正余弦信号处理电路、同步串行信号处理电路和异步串行信号处理电路，对其编码器信号输入接口1输入的参考点Z信号、增量正余弦AB信号、单圈正余弦CD信号以及串行协议信号进行处理和调整；单芯片通用处理器3，包括四倍频单元、模数转换单元、同步串口单元、异步串口单元、周期计数模块、位置细分模块、单圈位置协议解析模块、单圈绝对高分辨率位置信息获取模块以及编码器信号类型选择模块，根据编码器信号类型选择模块的软件参数配置，选择不同信号通路对上述电信号处理电路2送入的信号进行处理，从而获得周期计数信息、位置细分信息以及单圈绝对位置信息，然后利用单圈绝对高分辨率位置信息获取模块对上述信息进行拼接整合，获得准确的即时位置信息。

下面分别结合附图说明几种正余弦编码器信号处理及位置获取方式。

1、CDABZ正余弦编码器、单参考点和多参考点ABZ正余弦编码器信号处理：

图2所示的实施例中，电信号处理电路201包括运算放大器模块，电压基准模块和比较器模块，CDABZ编码器输出差分单圈正余弦CD信号、差分增量正余弦AB信号和差分参考点Z信号。处理方式为，差分参考点Z信号经电信号处理电路201的比较器模块得到方波信号，送入单芯片通用处理器3的四倍频单元；差分正余弦CD信号经电信号处理电路201的运算放大器模块滤波放大，调理成单端正余弦CD信号，送入单芯片通用处理器3的模数转换单元；差分正余弦AB信号经电信号处理电路201的运算放大器模块滤波放大，调理成单端正余弦AB信号，一方面直接送入单芯片通用处理器3的模数转换单元，另一方面送入电信号处理电路201的比较器模块，经与电信号处理电路201的基准电压比较得到正交的方波信号，送入单芯片通用处理器3的四倍频单元。初始上电后，单芯片通用处理器3对单端正余弦CD信号采样量化并细分出大致的单圈绝对位置信息，同时对单端正余弦AB信号采样量化并细分出位置细分信息，二者配合得到大致的高分辨率单圈绝对位置信息，编码器运转过参考点Z后，修正为准确的高分辨率单圈绝对位置信息，单芯片通用处理器3的四倍频单元和周期计数模块对电信号处理电路201的比较器模块输出的方波信号进行四倍频周期计数，并根据当前准确位置修正周期四倍频计数值，得到准确的周期计数信息，后续可以直接根据周期计数信息和位置细分信息拼接整合为即时位置信息。单参考点和多参考点ABZ正余弦编码器处理方法与CDABZ正余弦编码器类似，只是这两种编码器无CD信号，以初始上电位置为零点得到大致单圈绝对位置信息；多参考点ABZ正余弦编码器不同的是，通过对转过最近的两参考点Z信号之间距离计数获取周期计数信息。

2、同步串行协议正余弦编码器信号处理：

图3所示的实施例中，电信号处理电路202包括运算放大器模块，电压基准模块，比较器模块和RS485接口芯片电路。同步串行协议正余弦编码器，除输出差分正余弦AB信号外，还输出差分时钟和数据信号。处理方式为，差分时钟和数据信号经同步串行协议信号处理电路202的RS485接口芯片电路，送至单芯片通用处理器3的同步串口单元；差分正余弦AB信号，经电信号处理电路202的运算放大器滤波放大，调理成单端正余弦AB信号，一方面直接送入单芯片通用处理器3的模数转换单元，另一方面送入电信号处理电路202的比较器模块，经与电信号处理电路202的基准电压比较得到正交的方波信号，送入单芯片通用处理器3的四倍频单元。初始上电后，单芯片通用处理器3的单圈位置解析模块和同步串口单元根据所选定编码器类型的协议约定，控制电信号处理电路202的RS485接口芯片进行数据发送和接收，解析出单圈绝对位置信息，单芯片通用处理器3的模数转换单元和位置细分模块对单端正余弦AB信号采样量化并细分出高分辨率位置信息，与单圈绝对位置信息整合得到高分辨率的单圈绝对位置信息。根据当前单圈位置信息修正周期四倍频计数值，得到周期计数信息，后续可以直接根据周期计数信息和位置细分信息拼接整合为即时位置信息。同步串行协议解析模块根据编码器信号类型选择可解析协议EnDat，BISS，FeeDat，SSI，若需要解析其他同步串行协议，单芯片通用处理器3修改增加程序即可，硬件已经支持。

3、异步串行协议正余弦编码器信号处理：

图4所示的实施例中，电信号处理电路203包括运算放大器模块，电压基准模块比较器模块和RS485接口芯片电路。异步串行协议正余弦编码器的处理流程与以上同步串行协议正余弦编码器的处理流程类似，只是使用单芯片通用处理器3的异步串口单元。异步串行协议解析模块可解析协议HIPERFSCE，若需要解析其他异步串行协议，单芯片通用处理器3的软件修改增加程序即可，硬件已经支持。

Claims (10)

1.一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，包括编码器信号输入接口，电信号处理电路和单芯片通用处理器；编码器信号输入接口与电信号处理电路相连，电信号处理电路与单芯片通用处理器相连，其特征在于：

编码器信号输入接口包括编码器增量正余弦AB信号输入接口、参考点Z信号输入接口、单圈正余弦CD信号输入接口、同步串行协议信号输入接口以及异步串行协议信号输入接口，支持接入多协议多类型的正余弦编码器信号；

电信号处理电路包括参考点信号处理电路，增量正余弦信号处理电路，单圈正余弦信号处理电路，同步串行协议信号处理电路，以及异步串行协议信号处理电路，通过不同的电路对上述编码器信号输入接口输入的电信号进行处理和调整；

单芯片通用处理器，包括四倍频单元、模数转换单元、同步串口单元、异步串口单元、周期计数模块、位置细分模块、单圈位置协议解析模块、单圈绝对高分辨率位置信息获取模块以及编码器信号类型选择模块，根据编码器信号类型选择模块的软件参数配置，选择不同信号通路对编码器信号处理接口输入的信号进行处理，最终获得准确的高分辨率位置信息。

2.根据权利要求1所述的一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，其特征在于，所述电信号处理电路由运算放大器模块、比较器模块、电压基准模块以及RS485接口芯片组成；其中，运算放大器模块、比较器模块和电压基准模块，用于对编码器增量正余弦AB信号、单圈正余弦CD信号以及参考点Z信号进行处理；RS485接口芯片由单芯片通用处理器模块的同步串口单元或异步串口单元控制其进行差分数据信号的收发。

3.根据权利要求1所述的一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，其特征在于，所述单芯片通用处理器模块包括四倍频单元、模数转换单元、同步串口单元、异步串口单元、周期计数模块、位置细分模块、单圈位置协议解析模块、单圈绝对高分辨率位置信息获取模块以及编码器信号类型选择模块，根据编码器信号类型选择模块的参数配置，对不同的正余弦编码器信号进行处理，最终得到准确的高分辨率位置信息。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，其特征在于，其对CDABZ编码器输出的差分单圈正余弦CD信号、差分增量正余弦AB信号和差分参考点Z信号的处理方式为：差分参考点Z信号经比较器得到方波信号，送入单芯片通用处理器的四倍频单元；差分正余弦CD信号经运算放大器模块滤波放大，调理成单端正余弦CD信号，送入单芯片通用处理器的模数转换单元；差分正余弦AB信号经运算放大器模块滤波放大，调理成单端正余弦AB信号，一方面直接送入单芯片通用处理器的模数转换单元，另一方面送入比较器模块，经与基准电压比较得到正交的方波信号，送入单芯片通用处理器的四倍频单元；初始上电后，单芯片通用处理器对单端正余弦CD信号采样量化并细分出大致的单圈绝对位置信息，同时对单端正余弦AB信号采样量化并细分出位置细分信息，二者配合得到大致的高分辨率单圈绝对位置信息，编码器运转过参考点Z后，修正为准确的高分辨率单圈绝对位置信息，四倍频单元和周期计数模块对比较器模块输出的方波信号进行四倍频周期计数，并根据当前准确位置修正周期四倍频计数值，得到准确的周期计数信息，后续可以直接根据周期计数信息和位置细分信息拼接整合为即时位置信息；单参考点和多参考点ABZ正余弦编码器处理方法与CDABZ正余弦编码器类似，只是这两种编码器无CD信号，以初始上电位置为零点得到大致单圈绝对位置信息；多参考点ABZ正余弦编码器不同的是，通过对转过最近的两参考点Z信号之间距离计数获取周期计数信息。

5.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，其特征在于，其对于同步串行协议正余弦编码器信号的处理方式为：差分时钟和数据信号经RS485接口芯片电路，送至单芯片通用处理器的同步串口单元；差分正余弦AB信号，经运算放大器滤波放大，调理成单端正余弦AB信号，一方面直接送入单芯片通用处理器的模数转换单元，另一方面送入比较器模块，经与基准电压比较得到正交的方波信号，送入单芯片通用处理器的四倍频单元；初始上电后，单芯片通用处理器的单圈位置解析模块和同步串口单元根据所选定编码器类型的协议约定，控制RS485接口芯片进行数据发送和接收，解析出单圈绝对位置信息，单芯片通用处理器的模数转换单元和位置细分模块对单端正余弦AB信号采样量化并细分出高分辨率位置信息，与单圈绝对位置信息整合得到高分辨率的单圈绝对位置信息；根据当前单圈位置信息修正周期四倍频计数值，得到周期计数信息，后续可以直接根据周期计数信息和位置细分信息拼接整合为即时位置信息；同步串行协议解析模块根据编码器信号类型选择可解析协议EnDat，BISS，FeeDat，SSI。

6.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，其特征在于，所述的异步串行协议正余弦编码器的处理流程与以上同步串行协议正余弦编码器的处理流程类似，只是使用单芯片通用处理器的异步串口单元；异步串行协议解析模块可解析协议HIPERFSCE。

7.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，其特征在于，所述单芯片通用处理器为DSP芯片处理器或ARM芯片处理器。

8.根据权利要求4所述的一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，其特征在于，所述单芯片通用处理器为DSP芯片处理器或ARM芯片处理器。

9.根据权利要求5所述的一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，其特征在于，所述单芯片通用处理器为DSP芯片处理器或ARM芯片处理器。

10.根据权利要求6所述的一种兼容多协议多类型的正余弦编码器信号处理装置，其特征在于，所述单芯片通用处理器为DSP芯片处理器或ARM芯片处理器。