CN106357172A - 用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，包括时钟电路，所述时钟电路连接有计时器，所述计时器连接有地址存储器，所述地址存储器连接有数模转换电路，所述数模转换电路连接有功放电路，所述功放电路连接有旋转变压器，所述旋转变压器连接电机，本发明能够利用旋转变压器的反馈信号来产生所需的数据，精确控制电机转动所需的速度和位置精度。

Description

用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路

技术领域

本发明属于领域，特别涉及一种用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路。

背景技术

目前，在数控***中，位置和速度的检测十分重要，一般都用编码器或旋转变压器作为检测设备。其中，编码器又可分为磁编码器和光电编码器。

磁编码器是一种基于磁阻效应或霍尔效应的轴角传感器,输出信号是转子角位置的正余弦函数。为获取转子角位置和角速度信息,设计了一种基于状态观测器的磁编码器解调算法。理论分析表明,当伺服电机匀速旋转时,基于二阶和三阶状态观测器的解调算法误差均可渐近收敛至零；当伺服电机匀加速或匀减速旋转时,前者存在原理性偏差,而后者解调误差依然可以渐近收敛至零。与反正切法相比,该算法不需通过数值差分即可获得角速度信息,具有较强的干扰抑制能力。与基于锁相环的角度跟踪法相比,该算法考虑了电机的转速变化,角位置和角速度解算精度较高。

光电编码器是一种高精度的角位置测量传感器,由于其具有分辨率高、响应速度快、体积小、输出稳定等特点,被广泛应用于电机伺服控制***中。通常,光电编码器可分为绝对式和增量式两种。

这两种编码器都有共同的缺点：分辨率不能灵活调整，尤其是要求较高分辨率的时候成本大大提高；对使用的环境有要求，不能用在过热、高磁、振动大或有油污的环境中。

因此，现在亟需一种用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，能够利用旋转变压器的反馈信号来产生所需的数据，精确控制电机转动所需的速度和位置精度。

发明内容

本发明提出一种用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，解决了现有技术中现有编码器分辨率不能灵活调整，尤其是要求较高分辨率的时候成本大大提高；对使用的环境有要求，不能用在过热、高磁、振动大或有油污的环境中的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，包括时钟电路，所述时钟电路连接有计时器，所述计时器连接有地址存储器，所述地址存储器连接有数模转换电路，所述数模转换电路连接有功放电路，所述功放电路连接有旋转变压器，所述旋转变压器连接电机。

优选的，所述旋转变压器用于接收电机的反馈信号，所述数模转换电路用于产生正弦激励信号。

优选的，所述正弦激励信号的转换时间为0.5us，定义该正弦信号的幅值和频率固定，在T0时刻输出电压V0，在T1时刻输出电压V1，……，在Tn时刻输出电压Vn，利用n个数据输出点产生一个完整周期360°，信号的产生跨度为360°/n。

优选的，当电机正转时，旋转变压器的接收的反馈信号，在90°～270°包络线的幅值递减，在270°～360°及0°～90°之间包络线的幅值递增；而电机反转时，则包络线幅值在相应区域的变化正相反。

优选的，根据电机的最高转速和运行单圈时间以及加工需求，确定电机的实际转速，根据主控制回路的需要，利用所述数模转换电路对应模拟电压将其输出。

优选的，根据电机的反馈信号确定其幅值范围，从而确定其角位置值和角偏值。

优选的，电机位置值以两路相位差的90°脉冲的输出增量值确定。

优选的，以两路相位差的90°脉冲包括两路的A相和B相信号，当电机顺时针时A相超前B相，反之B相超前A相。

优选的，所述旋转变压器的频率F(hz)与电机转速N(rpm)：F＝N*M/T，其中M为电机转子转动一圈的脉冲，T为转子转动一圈所需的时间，单位ms。

优选的，所述n取值480，信号的产生跨度为0.75°。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：相比于常规技术方案，本发明成本低廉，抗干扰能力强，可应用于复杂的工作环境；可以根据需要细分，根据需要提高检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明的方框示意图；

图2为本发明正弦信号输出的跨度示意图；

图3为本发明反馈信号包络线幅值变化示意图；

图4为本发明电机的角位置以及偏值示意图。

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作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1-4所示，旋转变压器是一种精密的二次绕组(转子绕组)可转动的特殊变压器，当它的一次绕组(定子绕组)外接单相交流电源激励时，其二次绕组输出的幅值电压与转子的转角有某种严格的函数关系。在机床伺服驱动中采用它作为速度和位置反馈装置。我们将旋转变压器的定子固定在电机的定子上，将其转子安装到电机的转子轴上后，就能根据旋转变压器的两路s i n和cos信号计算出电机的瞬时转向、转速以及所处的角度。同时，我们可以对其s i n和cos信号无限细分。也就是说，只要ADC有足够的位数，就可以达到任意所需的速度和位置精度。

正余弦处理电路包括两个部分：原边激励信号的产生电路和反馈信号的处理电路

在以旋转变压器为核心的速度和位置反馈装置中，其测控的精度直接依赖于原边的激励信号。因为此激励信号是加在“变压器”上，一般来说都采用正弦信号，为提高反馈信号的分辨率，激励信号的频率都要大于反馈信号幅值变化的频率。综合考虑，我们选择2Khz的正弦信号作为激励信号。

正弦激励信号的产生有许多方式，为了能随时改进，采用“查表+DAC”方式来产生正弦信号。其中，DAC芯片采用了AD公司的AD7538。这款芯片为14位的、转换时间约0.5us左右的数模转换器，最大误差为±4LSB。

正弦信号在T0时刻输出电压V0，在T1时刻输出电压V1，……，在Tn时刻输出电压Vn。如此反复，就产生了一个幅值和频率固定的正弦信号。Tn的数量(输出点数)就决定了信号的精度。现在，我们用480个数据输出点产生一个完整周期(360°)，也就是说，信号的产生跨度为0.75°。

利用旋转变压器的反馈信号来产生我们所需要的数据。

对于电机的运转，首先就要知道它的运转方向(即是正转还是反转)。这是一个开关量(非0即1)，但需要在最小的采样时间内鉴别出来，否则会带来极大的速度和位置误差，并有可能导致飞车。

假设电机正转(顺时针)时，在旋转变压器的反馈S I N信号中，90°～270°包络线的幅值递减，270°～360°及0°～90°之间包络线的幅值递增；而电机反转时，则包络线幅值在相应区域的变化正相反。而电机具体的角位置的确定在后面讨论。

同由于反馈处理电路能在电机运转一圈时输出4000个位置脉冲，因此，也能在最短时间内鉴别并送出电机的转向。这个最短时间，就是指不会导致电机运转的速度和位置检测控制失败的时间，它具体与电机运转的速度绝对值相关。

只要计算出一定时间内电机运转的转数或计算出电机运行一定角位移所花的时间，我们就得到了电机的转速。对电机转速的计算精度决定了伺服驱动对速度的控制精度。

当电机最高速度为3000rpm，最小设定步距为1rpm。在位置精确控制(加工)时对速度的控制精度要求最高，但这时电机一般只能运行在最高速度的30％以内，也就是1000rpm以内。

因此，首先重点分析电机在1000rpm时的速度计算情况，此时，电机运行一圈需要时间60ms；而电机运行速度为999rpm时，运行一圈需要时间60.06ms，以次类推。

检测出电机的实时转速后，就可以根据主控制回路的需要，以并行数据或对应模拟电压将其输出。

电机位置的计算相对来说就比较简单了，但首先要解决电机刚上电时绝对位置的检测。

当伺服驱动上电初始化完毕后立即启动ADC，将旋转变压器副边信号的幅值采集起来，将其与存储的各角位置的信号幅值对比，就可以清楚地计算出电机此时的实际位置。

采集电机角位置的步距为0.09°,假如说电机并不处再整数步距的位置，则副边信号的幅值也不会与存储的任意一个值完全相符，而是处于某两个值之间，这时，我们就要用插值法计算电机角位置与整数步距的偏值并记录下来，用于后面步距计算的修正。

机在上电时测得的反馈信号的幅值为000EH，它在000DH和001AH之间，也就是说角位置在0.09°和0.18°之间，并且靠近0.09°。那么，我们认为电机的角位置就在0.09°，只不过有偏值为0.014°

位置值一般以A、B两路相位相差90°的脉冲(为能进一步细分，一般还提供两路的A*、B*信号)输出增量值。若电机顺时针运转时A相超前B相，反之B相超前A相。而脉冲的频率与电机的转速成线形关系。例如：若每圈4000个脉冲

则其频率F(hz)与电机转速N(rpm)的关系为：

F＝N*4000/60

如N＝60rpm时，位置脉冲的频率F为4Khz。

该的工作原理是：相比于常规技术方案，本发明成本低廉，抗干扰能力强，可应用于复杂的工作环境；可以根据需要细分，根据需要提高检测精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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之内。

Claims (10)

1.用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，其特征在于，包括时钟电路，所述时钟电路连接有计时器，所述计时器连接有地址存储器，所述地址存储器连接有数模转换电路，所述数模转换电路连接有功放电路，所述功放电路连接有旋转变压器，所述旋转变压器连接电机。

2.根据权利要求1所述的用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，其特征在于，所述旋转变压器用于接收电机的反馈信号，所述数模转换电路用于产生正弦激励信号。

3.根据权利要求2所述的用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，其特征在于，所述正弦激励信号的转换时间为0.5us，定义该正弦信号的幅值和频率固定，在T0时刻输出电压V0，在T1时刻输出电压V1，……，在Tn时刻输出电压Vn，利用n个数据输出点产生一个完整周期360°，信号的产生跨度为360°/n。

4.根据权利要求3所述的用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，其特征在于，当电机正转时，旋转变压器的接收的反馈信号，在90°～270°包络线的幅值递减，在270°～360°及0°～90°之间包络线的幅值递增；而电机反转时，则包络线幅值在相应区域的变化正相反。

5.根据权利要求4所述的用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，其特征在于，根据电机的最高转速和运行单圈时间以及加工需求，确定电机的实际转速，根据主控制回路的需要，利用所述数模转换电路对应模拟电压将其输出。

6.根据权利要求5所述的用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，其特征在于，根据电机的反馈信号确定其幅值范围，从而确定其角位置值和角偏值。

7.根据权利要求6所述的用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，其特征在于，电机位置值以两路相位差的90°脉冲的输出增量值确定。

8.根据权利要求6所述的用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，其特征在于，以两路相位差的90°脉冲包括两路的A相和B相信号，当电机顺时针时A相超前B相，反之B相超前A相。

9.根据权利要求8所述的用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，其特征在于，所述旋转变压器的频率F(hz)与电机转速N(rpm)：F＝N*M/T，其中M为电机转子转动一圈的脉冲，T为转子转动一圈所需的时间，单位ms。

10.根据权利要求3所述的用于速度和位置反馈的正余弦信号处理电路，其特征在于，所述n取值480，信号的产生跨度为0.75°。