伺服系统及其输出轴位置的读取装置的制作方法

本发明涉及伺服电机领域，具体地，涉及一种伺服系统的输出轴位置的读取装置和包括该读取装置的伺服系统。

背景技术：

伺服驱动器(例如，多轴安川伺服驱动器)大都包括多个输出轴，为了更好地控制伺服驱动电机，作为上位机的主控制器需要精确地获取各个输出轴的绝对位置。

通常，主控制器通过多个232转422接口，连接到伺服驱动器接口PA+和PA-上，并通过I/O来控制伺服驱动的SEN信号，获取电极转过的圈数，然后将圈数输送至所述主控制器，有所述主控制器来计算各个输出轴的绝对位置。这就需要主控装置具有多个串口和多个I/O口，增加了主控装置的成本，并且限制了主控装置的选型。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种伺服系统的输出轴位置的读取装置和包括该读取装置的伺服系统，以至少解决上述问题之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种伺服系统的输出轴位置的读取装置，所述伺服系统包括至少一个输出轴，其中，每个所述输出轴上均设置有绝对编码器，所述绝对编码器能够获取相应的输出轴转过的圈数，所述读取装置包括：

至少一个圈数获取模块，所述圈数获取模块包括至少一个输入端，所述圈数获取模块的输入端与所述输出轴一一对应，所述圈数获取模块的各个输入端分别与相应的输出轴上的绝对编码器的输出端相连，以读取相应的所述输出轴转过的圈数；

单片机，所述单片机能够在接收到主控装置发出的读取指令后，控制所述圈数读取模块获取所述读取命令所要求获取的输出轴转过的圈数，并且所述单片机能够将获取到的圈数通过串口发送至所述主控装置。

优选地，所述圈数获取模块包括至少一个接插头连接器和多个差分线接收器，每个所述绝对编码器对应一个所述接插头连接器，每个所述差分线接收器对应至少一个所述接插头连接器，

所述接插头连接器的电源输入端与电源相连，所述接插头连接器的信号输入端与所述绝对编码器的输出端相连，所述接插头连接器的第一接口用于与所述绝对编码器的控制端相连，所述接插头连接器的第二接口用于与所述绝对编码器的输出端正极相连，所述接插头连接器的第三接口用于与所述绝对编码器的输出端负极相连；

所述差分线接收器包括至少一组有用端口，每组有用端口对应一个所述接插头连接器，每组有用端口都包括所述差分线接收器的输出端、所述差分线接收器的第一接口、所述差分线接收器的第二接口和所述差分线接收器的使能控制端，在每组所述有用端口中：所述差分线接收器的输出端与所述单片机的输入端相连，所述差分线接收器的第一接口与所述绝对编码器的输出端正极相连，所述差分线接收器的第二接口与所述绝对编码器的输出端负极相连，所述差分线接收器的使能控制端与所述单片机的使能信号输出端相连，当所述差分线接收器的使能控制端接收到触发信号时，能够输出圈数信息，在控制端接收到低电平信号时输出高阻态。

优选地，所述伺服系统包括多个输出轴，每个所述差分线接收器与两个接插头连接器相连；

所述单片机能够根据所述读取命令向所述读取命令所要求获取的输出轴的绝对编码器的控制端以及相应的所述差分线接收器中相对应的使能控制端均置1，并将其余输出轴的绝对编码器的控制端以及其余的使能控制端均置0。

优选地，所述伺服系统包括六个输出轴。

优选地，所述单片机能够在接收到所述读取命令之前将各个输出轴的绝对编码器的控制端以及所有的差分线接收器的所有使能控制端均置0。

优选地，所述单片机能够在接收到所述读取命令后判断所述读取命令是否正确，当所述单片机判定所述读取命令正确时，根据所述读取命令读取相应的输出轴转过的圈数。

优选地，所述单片机能够在接收到所述主轴装置的读取命令之后、发送所述控制信号之前，将待读取的输出轴的绝对编码器的控制端置0，并延时预定时间。

优选地，所述单片机能够在接收到圈数信息之后验证该圈数信息是否正确，当所述单片机验证所述圈数信息正确后将所述圈数信息发送至所述主控装置，当所述单片机验证所述圈数信息错误时，重新获取所述读取命令。

作为本发明的另一个方面，提供一种伺服系统，所述伺服电机系统包括至少一个输出轴、主控装置，其中，所述伺服系统还包括所述输出轴位置的读取装置，各个所述输出轴上设置有绝对编码器，所述读取装置为本发明所提供的上述读取装置，主控装置设置有一个与所述单片机通信的串口，所述主控装置能够按照以下公式计算所述输出轴的绝对位置：

P_a＝C_n×P_n+P_B；

其中，P_a为当前绝对位置；

C_n为输出轴转过的圈数；

P_n为输出轴旋转一周输出的脉冲数；

P_B为当前增量脉冲数；

优选地，所述伺服系统还包括为所述串口供电的转换器。

在本发明中，设置在伺服系统的输出轴上的绝对编码器能够获得与之对应的输出轴转过的圈数以及转过的角度。圈数获取模块能够分别获取各个输出轴上的绝对编码器输出的圈数。

主控装置能够发出不同的读取指令，每个输出轴对应一条读取指令。单片机能够对读取指令进行分析，以判断具体读取那个输出轴的圈数。单片机根据读取指令控制所述圈数获取模块获取相应的输出轴转过的圈数，然后发送给单片机，该单片机通过一个串口即可将相应的输出轴转过的圈数发送给所述主控装置。由此可知，所述主控装置只需要一个串口即可获得所有的输出轴的绝对位置。因此，利用本发明所提供的读取装置可以减少主控装置所需要的串口数量，从而降低主控装置的成本，扩大主控装置的选型范围。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明所提供的读取装置的模块示意图；

图2a至图2f是接插头连接器的具体实施方式；

图3a至图3c是差分线接收器的具体实施方式；

图4是单片机的具体实施方式；

图5是转换器的示意图；

图6是串口的示意图；

图7是本发明所提供的读取装置的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

作为本发明的一个方面，提供一种伺服系统的输出轴位置的读取装置，所述伺服系统包括至少一个输出轴，其中，每个所述输出轴上均设置有绝对编码器，所述绝对编码器能够获取相应的输出轴转过的圈数，所述读取装置包括：

至少一个圈数获取模块，所述圈数获取模块包括至少一个输入端，所述圈数获取模块的输入端与所述输出轴一一对应，所述圈数获取模块的各个输入端分别与相应的输出轴上的绝对编码器的输出端相连，以读取相应的所述输出轴转过的圈数；

单片机，所述单片机能够在接收到主控装置发出的读取指令后，控制所述圈数读取模块获取所述读取命令所要求获取的输出轴转过的圈数，并且所述单片机能够将获取到的圈数通过串口发送至所述主控装置。

在本发明中，设置在伺服系统的输出轴上的绝对编码器能够获得与之对应的输出轴转过的圈数以及转过的角度。圈数获取模块能够分别获取各个输出轴上的绝对编码器输出的圈数。

主控装置能够发出不同的读取指令，每个输出轴对应一条读取指令。单片机能够对读取指令进行分析，以判断具体读取那个输出轴的圈数。单片机根据读取指令控制所述圈数获取模块获取相应的输出轴转过的圈数，然后发送给单片机，该单片机通过一个串口即可将相应的输出轴转过的圈数发送给所述主控装置。由此可知，所述主控装置只需要一个串口即可获得所有的输出轴的绝对位置。因此，利用本发明所提供的读取装置可以减少主控装置所需要的串口数量，从而降低主控装置的成本，扩大主控装置的选型范围。

在本发明中，对所述圈数获取模块的具体结构并不做具体的限制。作为一种具体的实施方式，所述圈数获取模块包括至少一个接插头连接器和多个差分线接收器，每个所述绝对编码器对应一个所述接插头连接器，每个所述差分线接收器对应至少一个所述接插头连接器。本领域技术人员容易理解的是，绝对编码器输出的信号为差分信号，而所述差分线接收器能够将接收到的差分信号转换为单端信号。

所述接插头连接器的电源输入端与电源相连，所述接插头连接器的信号输入端与所述绝对编码器的输出端相连，所述接插头连接器的第一接口用于与所述绝对编码器的控制端相连，所述接插头连接器的第二接口用于与所述绝对编码器的输出端正极相连，所述接插头连接器的第三接口用于与所述绝对编码器的输出端负极相连。

在本发明中，对接插头连接器的具体选型并没有特殊的限制。例如，在图2a至图2f中所示的实施方式中，接插头连接器为Hearder5×2接插头连接器，这种接插头连接器包括10个接口。在图2a中所示的实施方式中，接插头连接器#1的第一接口的编号为2，用于与相应的绝对编码器的控制端SEN1相连，用于将接收到的控制信号发送至所述绝对编码器的控制端；接插头连接器#1的第二接口的编号为1，与相应的绝对编码器的输出端正极CHA1+相连；接插头连接器#1的第三接口的编号为4，与相应的绝对编码器的输出端负极CHA1-相连；接插头连接器#1的端口7与电源正极相连，接插头连接器#1的端口9与电源负极相连，接插头连接器的端口3接地。并且，接插头连接器#1用于与5V的电源相连。其余接插头连接器的连接方式与图2a中的接插头连接器#1的连接方式类似，这里不再赘述。

所述差分线接收器包括至少一组有用端口，每组有用端口对应一个所述接插头连接器，每组有用端口都包括所述差分线接收器的输出端、所述差分线接收器的第一接口、所述差分线接收器的第二接口和所述差分线接收器的使能控制端。在每组所述有用端口中：所述差分线接收器的输出端与所述单片机的输入端相连，所述差分线接收器的第一接口与所述绝对编码器的输出端正极相连，所述差分线接收器的第二接口与所述绝对编码器的输出端负极相连，所述差分线接收器的使能控制端与所述单片机的使能信号输出端相连，当所述差分线接收器的使能控制端接收到触发信号时，能够输出圈数信息，在控制端接收到低电平信号时输出高阻态。

在本发明中，对差分线接收器的具体选型也没有特殊的要求，例如，如图3a至图3c中所示，在本发明中，可以选用MC3486差分线接收器。

图3a中的差分线接收器U2包括三组端口，其中两组端口为有用断口。图3a中所示的差分线接收器U2与图2a中所示的接插头连接器#1以及图2b中的接插头连接器#2相连。

具体地，如图3a中所示，一组有用端口中，输出端CHA的编号为1Y，第一接口的编号为1A，第一接口的编号为1B，使能控制端EN1的编号为1-2SEN。另一组有用端口中，输出端CHA的编号为4Y，第一接口的编号为4A，第二接口的编号为4B，使能控制端EN2的编号为3-4SEN。图3b中的差分线接收器U4与图2c中的接插头连接器#3以及图2d中的接插头连接器#4相连；图3c中的差分线接收器U6与图2e中的接插头连接器#5以及图2f中的接插头连接器#6相连，具体连接方式与图3a中的差分线连接收器的连接方式类似，这里不再赘述。

为了简化所述读取装置的结构，优选地，每个所述差分线接收器与两个接插头连接器相连。例如，MC3846可以对应两个Header 5×2连接器。

所有差分线接收器所有的输出端均与单片机上的同一个输入端相连。如上文中所述，当所述差分线接收器的使能控制端接收到触发信号时，能够输出圈数信息，在控制端接收到低电平信号时输出高阻态。因此，利用差分线接收器可以实现在不冲突的情况下，将获得的圈数信息发送至所述单片机。

本发明所提供的读取装置尤其适用于多轴伺服系统。即，所述伺服系统包括多个输出轴，每个输出轴上均设置有一个绝对编码器。

所述单片机根据所述读取命令向所述读取命令所要求获取的输出轴的绝对编码器的控制端以及相应的差分线接收器中对应的使能信号端均置1，并将其余输出轴的绝对编码器的控制端以及其余的使能信号端均置0。

在这种方式中，一个读取命令仅可以读取一个输出轴转过的圈数，从而可以通过一个串口依次获取不同输出轴转过的圈数。

本发明所提供的伺服系统可以是包括六个输出轴的安川多轴伺服系统。

为了精确获得各个输出轴所转过的圈数，优选地，所述单片机能够在接收到所述读取命令之前将各个输出轴的绝对编码器的控制端以及所有的差分线接收器的所有使能控制端均置0。

优选地，所述单片机能够在接收到命令后判断该命令是否为所述读取命令是，当所述单片机判定接收到的命令为所述读取命令时，根据所述读取命令读取相应的输出轴转过的圈数。

为了确保能够正确地读取各个输出轴转过的圈数，优选地，所述单片机能够在接收到主控装置的读取命令之前将待读取的输出轴的绝对编码器的控制端置0，并延时预定时间。

为了确保读取的顺利进行，优选地，所述单片机能够在接收到圈数信息之后验证该圈数信息是否正确，当所述单片机验证所述圈数信息正确后将所述圈数信息发送至所述主控装置，当所述单片机验证所述圈数信息错误时，重新获取所述读取命令。

所述单片机可以通过CRC校验算法判断接收到的圈数信息是否正确。当收到的圈数信息进行CRC算法计算得出的数据与收到的校验数据一致时，表明所述圈数信息正确；当收到的圈数信息进行CRC算法计算得出的数据与收到的校验数据不一致表示圈数信息不正确。当所述单片机判定所述圈数信息不正确时，继续获取读取命令，直至获取到正确的圈数信息为止。

作为本发明的另一个方面，提供一种伺服系统，所述伺服系统包括至少一个输出轴、主控装置和伺服电机输出轴位置的读取装置，其中，所述读取装置为本发明所提供的上述读取装置，主控装置设置有一个与所述单片机通信的串口。

主控装置能够按照以下公式(1)计算各个输出轴的当前绝对位置：

P_a＝C_n×P_n+P_B (1)；

其中，P_a为当前绝对位置；

C_n为输出轴转过的圈数；

P_n为输出轴旋转一周输出的脉冲数；

P_B为当前增量脉冲数；

为了能够为串口供电，优选地，所述伺服系统还包括为所述串口供电的转换器。

作为一种具体的实施方式，串口可以使用RS-232串口，转换器可以相应采用MAX232E。

下面结合图1至图5介绍本发明所提供的读取装置读取各输出轴转过圈数的方法。

在本实施例中，伺服电机为六轴安川伺服电机。采用的接插头连接器为Header 5×2连接器(如图2所示)，差分线接收器为MC3486(如图3所示)，单片机为STC12C5A60S2(如图4所示)，串口为RS-232，转换器为MAX232E(如图5所示)。

如图2中所示，本发明实施所提供的读取装置的接插头连接器包括#1接插头连接器、#2接插头连接器、#3接插头连接器、#4接插头连接器、#5接插头连接器和#6接插头连接器。如图3中所示，所述读取装置的差分线接收器包括差分线接收器U2(与接插头连接器#1和接插头连接器#2相连)、差分线接收器U4(与接插头连接器#3和接插头连接器#4相连)和差分线接收器U6(与接插头连接器#5和接插头连接器#6相连)。上述是三个差分线接收器与图4中所示的单片机U1相连。图5中所示的是转换器U3，图6所示的是串口J7。

在图2至图5中，不同各部件中相同的标号表示不同的部件在此处相连。例如，图2中的CHA1+与图3中的CHA1+相连，依次类推。

在图4中所示的具体实施方式中，单片机U1为STC12C5A60S2型单片机。在图4中所示的实施方式中，单片机U1的端口P1.2/RXD2用于接收圈数信息，与所有差分线接收器的所有输出端相连。为了能够更好地传递信号，优选地，可以在差分线接收器的输出端与单片机的接收端之间串联一个电阻。

单片机U1的端口RXD/P3.0用作该单片机的控制端，用于接收上位装置发送的读取指令。单片机U1的端口TXD/P3.1用作该单片机U1的输出端。

单片机U1的端口P24与图2a中接插头连接器#1对应的绝对编码器的控制端SEN1相连，单片机U1的端口P2.5与图2b中接插头连接器#2对应的绝对编码器的控制端SEN2相连，单片机U1的端口P23与图2c中的接插头连接器#3对应的绝对编码器的控制端SEN3相连，单片机U1的端口P22与图2d中的接插头连接器#4对应的绝对编码器的控制端SEN4相连，单片机U1的端口P21与图2e中的接插头连接器#5对应的绝对编码器的控制端SEN5相连，单片机U1的端口P20与图2f中的接插头连接器#6对应的绝对编码器的控制端SEN6相连。

相应地，单片机U1的端口P0.4与图3a中的差分线接收器U2的使能控制端EN1相连，单片机U1的端口P0.5与图3a中的差分线接收器U2的使能控制端EN2相连，单片机U1的端口PQ0与图3b中的差分线接收器U4的使能控制端EN3相连，单片机U1的端口PQ1与图3b中的差分线接收器U4的使能控制端EN4相连，单片机U1的端口PQ2与图3c中的差分线接收器U6的使能控制端EN5相连，单片机U1的端口PQ3与图3c中的差分线接收器U6的使能控制端EN5相连。

单片机U1的控制端和输出端都是和图5中所示的转换器U3相连的。具体地，单片机U1的输出端MCU_TXD与转换器U3的端口T1IN相连，单片机U1的输入端MCU_RXD与转换器U3的端口R1OUT相连。转换器U3与图6中的串口J7相连。串口J7与主控装置相连。具体地，转换器U3的端口T1OUT与串口J7的一个端口(例如，图6中标号为2的端口)相连，该端口与主控装置的输入端PC_RXD(pin2)相连，转换器U3的端口R1IN与串口J7的另一个端口(例如，图6中标号为3的端口)相连，该端口与主控装置的输出端PC_TXD(pin3)相连。转换器U3还与提供电压VCC的电源相连。

按照上面描述的连接方式将接插头连接器、差分线接收器、单片机、串口、转换器、主控装置依次连接后，即可根据主控装置的指令获取各个输出轴所转过的圈数。

在获取输出轴的圈数时，首先将多轴伺服驱动器Pn002的第2位设置为0，即，将绝对编码器当做绝对编码器使用。

连接方式如图2a至图6中所示。具体地，将各轴上的绝对编码器的的输出端正极PA0与各轴对应的接插头连接器的第二接口、以及各接插头连接器对应的差分线接收器的第一接口相连；各轴上的绝对编码器的输出端负极/PA0与各轴对应的接插头连接器的第三接口、以及各接插头连接器对应的第二接口相连；各轴上的绝对编码器的控制端SEN分别与各轴对应的接插头连接器的第一接口相连；各轴上的绝对编码器的接地端分别接地。

连接完成后，通过设置伺服电机的Fn0020确定当前零点，主控装置发送命令转动伺服电机，断电后重新上电。随后主控装置向绝对编码器读取模块发送读取相应轴圈数的命令。

图7中所示的是单片机获取输出轴圈数的流程图。下面结合图7描述单片机的工作流程：

初始化；

将各个输出轴的绝对编码器的控制端、所有差分线接收器的使能控制端置0；

判断接收到的指令是否为读取指令；

当接收到的指令为读取指令时，将待读取的输出轴的绝对编码器的控制端置0；

延时预定时间；

将待读取的输出轴的绝对编码器的控制端以及相应的差分线接收器的使能控制端置1；

判断接收到的圈数信息是否正确；

当接收到的圈数信息正确时，将该圈数信息发送至主控装置；

当接收到的圈数信息错误时，继续重复获取读取指令的步骤。

主控装置通过串口读取到单片机发送的所述输出轴所转的圈数，通过PB0、/PB0得到当前增量初始位置脉冲数。并根据公式(1)计算该输出轴的当前绝对位置。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。