一种抗干扰的电机角度和状态信号同步采集传输系统的制作方法

本发明涉及电机调试技术领域，更具体的说是涉及一种抗干扰的电机角度和状态信号同步采集传输系统。

背景技术：

目前，电机广泛应用于各行各业，在对电机进行控制调试的时候需要能够实时的观察电机的运行状态(速度，角度位置等信息)。利用安装在电机轴上的角度传感器可以精确快速的采集电机角度信号，获取到的电机角度信号通常都需要与其它电机控制相关的状态信号(例如：电机驱动器估算的电机角度信号)进行对比，用于分析电机的运行状态。对于角度传感器采集的电机角度信号的处理有两种传统方案，一是将角度传感器采集的电机角度信号通过解码电路板解码后发送给上位机用于观察分析；二是将角度传感器采集的电机角度信号直接发送给电机驱动器，经过电机驱动器解码后用作电机角度位置反馈，电机驱动器可以继续将电机角度信号和其自身产生的电机控制状态信号合并，并发送至上位机用于分析。

在电机控制应用中，研发人员往往需要对电机运行的真实角度(角度传感器采集的电机角度信号)和电机驱动器产生的电机控制相关的状态信号(例如：电机驱动器估算的电机角度信号)进行实时的、同步的对比分析。这就要求电机角度信号采集比较的方案能够实时、同步、快速、准确的采集和上传上述两种信号。

传统方案一无法采集电机驱动器发送的状态信号，电机驱动器只能单独将自身需要比较分析的状态信号发送至上位机，这种机制无发保证上传至上位机的角度传感器采集的角度信号与电机驱动器发送的状态信号在时序上是同步的，因此无法准确的进行比较分析的工作；传统方案二角度传感器采集的角度信号被电机驱动器接收，与电机驱动器自身需要比较分析的状态信号合并后发送至上位机进行分析，但是电机驱动器往往是高压供电，输入输出电流较大，电路中有很多开关器件，因此其电路中存在很多电气噪声，电机驱动器无论在接收角度传感器采集的电机角度信号时，还是在发送合并后的信号给上位机的时，都很容易被电气噪声干扰，导致信号失真，丢帧严重，不能快速、完整的进行信号比较分析，尤其是在“热地设计”(控制地线与功率地线是同一个地线)的电机驱动器电路中，由于角度传感器发送的信号一般是模拟信号或者频率很快的数字信号，此噪声干扰现象不可避免，并且热地设计的电机驱动器在接收角度传感器采集的电机角度信号时，不可以直接进行电气连接，必须增加电气隔离电路(光耦隔离、磁耦隔离电路)，增加了成本。

因此，如何实现电机角度传感器信号的快速采集、上传，如何能够与电机驱动器发送的需要对比的状态信号同步，以及如何提高信号采集和传输的抗干扰能力，皆是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种抗干扰的电机角度和状态信号同步采集传输系统，包括信号隔离模块、并行接口模块和信号处理模块；信号隔离模块接收电机驱动器发送的电机控制相关的状态信号；信号隔离模块将状态信号进行电气隔离后通过并行接口模块并行发送至信号处理模块；信号处理模块同时接收角度传感器采集发送的电机角度信号，并将状态信号和电机角度信号同步合并发送至外部终端。角度传感器采集的电机角度信号直接传输至本系统的信号处理模块，可以避免其被电机驱动器的噪声信号干扰；电机驱动器产生的状态信号经过电气隔离和并行接口的方式传输至本系统的信号处理模块，可以提高其抗干扰能力和传输的速度，增加了信号传输的准确性。电机角度信号与状态信号被本系统同时接收处理，同时传输至信号处理模块，因此信号处理模块可以在时序上将上述两种信号同步、合并发送至上位机，便于信号比较分析。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抗干扰的电机角度和状态信号同步采集传输系统，包括信号隔离模块、并行接口模块和信号处理模块；所述信号隔离模块接收电机驱动器发送的电机控制相关的状态信号；所述信号隔离模块将所述状态信号进行电气隔离后通过所述并行接口模块并行发送至所述信号处理模块；所述信号处理模块同时接收角度传感器采集发送的电机角度信号，并将所述状态信号和所述电机角度信号同步合并发送至外部终端。

优选的，所述外部终端为上位机，所述上位机接收经过同步合并后的所述状态信号和所述电机角度信号并进行分析比较。

优选的，所述电机驱动器并行发送所述状态信号，所述电机驱动器电连接强电电源系统。

优选的，所述信号处理模块将所述电机角度信号进行解码，获得解码后角度信号，将所述状态信号进行去抖处理，获得去抖后状态信号，并将所述解码后角度信号和所述去抖后状态信号进行同步、合并，发送至所述上位机。

优选的，所述去抖处理具体步骤如下：

步骤21：采样所述并行接口模块输出的并行数据；

步骤22：判断当前采样周期采样到的所述并行数据是否等于当前已更新的并行数据；如果是，则清零去抖动计数寄存器，并令当前缓存的并行数据重新等于所述当前已更新的并行数据，退出所述当前采样周期的所述去抖处理；否则进入步骤23；

步骤23：判断所述当前采样周期采样到的所述并行数据是否等于所述当前缓存的并行数据，如果不相等，则更新所述当前缓存的并行数据，令所述当前缓存的并行数据等于所述当前采样周期采样到的所述并行数据，并清零所述去抖动计数寄存器，退出所述当前采样周期的所述去抖处理；否则进入步骤24；

步骤24：令所述去抖动计数寄存器的计数值加1；

步骤25：判断所述计数值是否大于设定阈值，如果不是，则退出所述当前采样周期的所述去抖处理；否则进入步骤26；

步骤26：更新所述当前已更新的并行数据，令所述当前已更新的并行数据等于所述当前缓存的并行数据，并清零所述去抖动计数寄存器，完成所述当前采样周期的所述去抖处理。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种抗干扰的电机角度和状态信号同步采集传输系统，将角度传感器采集的电机角度信号直接传输至信号处理模块，不再经过电机驱动器进行处理，避免了电机角度信号被电机驱动器的噪声信号干扰；本发明系统通过一个单独外接的15v直流电源供电，该直流供电在本系统的电路板上转为5v或3.3v等弱电电源，为了增加本发明系统接收电机驱动器发送的状态信号的抗干扰能力和避免发送的信号干扰本发明系统连接的弱电电源系统，本发明采用并行接口模块和信号隔离模块实现并行传输和电气隔离的信号传输机制。并行传输使得在单位时间内可以传输更多的有效信号数据位，从而降低信号的变化速率，增加了信号的抗干扰能力，电气隔离使得电机驱动器连接的强电电源系统与本发明系统连接的弱电电源完全隔离，避免了电机驱动器的噪声对本发明系统造成信号干扰；同时在信号处理模块对于电机驱动器发送的状态信号进行去抖处理，保证了信号数据的正确性，而并行传输使得信号的变化速率减慢，从而保证具有充足的时间对信号进行去抖处理。因此本发明采用信号隔离模块、并行接口模块和信号处理模块传输和处理角度传感器采集的电机角度信号、电机驱动器发送的状态信号，提高了电机测试过程中信号传输的速度和可靠性，并使得信号在时间上得到了同步，有利于信号的比较分析。

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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的电机角度和状态信号同步采集传输系统信号传输路径示意图；

图2附图为本发明提供的信号采集传输系统的概况原理图；

图3附图为本发明提供的信号处理模块信号处理传输示意图；

图4附图为本发明提供的信号处理模块去抖处理流程图；

图5附图为本发明提供的实施例比较结果图。

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。

本发明实施例公开了一种抗干扰的电机角度和状态信号同步采集传输系统，包括信号隔离模块、并行接口模块和信号处理模块；信号隔离模块接收电机驱动器发送的电机控制相关的状态信号；信号隔离模块将状态信号进行电气隔离后通过并行接口模块并行发送至信号处理模块；信号处理模块同时接收角度传感器采集发送的电机角度信号，并将状态信号和电机角度信号同步合并发送至外部终端。

为了进一步优化上述技术方案，外部终端为上位机，上位机接收经过信号处理模块发送的同步合并后的状态信号和电机角度信号并进行分析比较。

为了进一步优化上述技术方案，电机驱动器并行发送状态信号，电连接380v三相电源或单相220v电源等。电机驱动器所接电源是强电，其噪声信号会比较严重，对于数据信号的干扰较大，本发明的信号采集传输的抗干扰效果更好。

为了进一步优化上述技术方案，信号处理模块将电机角度信号进行解码，获得解码后角度信号，将状态信号进行去抖处理，获得去抖后状态信号，并将解码后角度信号和去抖后状态信号进行同步、合并，发送至上位机。

为了进一步优化上述技术方案，状态信号可以为电机驱动器通过算法估算的估算电机角度信号。

为了进一步优化上述技术方案，去抖处理具体步骤如下：

s21：采样并行接口模块输出的并行数据；并行接口模块上的数据信号是由并行接口上的每个信号位端子的高低电平所组成表示的(高电平表示1，低电平表示0)，信号处理模块以较快的采样频率对这些高低电平信号进行采样来判断其是高电平还是低电平信号，然后根据所有的信号位的高低电平组合形成当前采样周期采样到的并行数据；

s22：判断当前采样周期采样到的并行数据是否等于当前已更新的并行数据；如果是，则清零去抖动计数寄存器，并令当前缓存的并行数据等于当前已更新的并行数据，退出当前采样周期的去抖处理；否则进入s23；

s23：判断当前采样周期采样到的并行数据是否等于当前缓存的并行数据，如果不相等，则更新当前缓存的并行数据，令当前缓存的并行数据等于当前采样周期采样到的并行数据，并清零去抖动计数寄存器，退出当前采样周期的去抖处理；否则进入s24；

s24：令去抖动计数寄存器的计数值加1；

s25：判断计数值是否大于设定阈值，如果不是，则退出当前采样周期的去抖处理；否则进入s26；

s26：更新当前已更新的并行数据，令当前已更新的并行数据等于当前缓存的并行数据，并清零去抖动计数寄存器，完成当前采样周期的去抖处理。

为了进一步优化上述技术方案，采样周期等于信号处理模块的控制周期，每个控制周期指的是信号处理模块的核心程序的执行周期，在一个执行周期内，信号处理模块会完成信号的一次采样、信号的解码、信号的合并和同步发送等工作。

实施例

如图1所示为本发明的信号传输路径，本发明系统在每个控制周期同时接收角度传感器采集的角度信号和电机驱动器需要发送的电机控制相关的状态信号，这两种信号都被传输至设备的信号处理模块进行数据的处理。

电机驱动器发送的状态信号经过信号隔离模块进行电气隔离后，再通过并行接口模块的并行通讯方式发送至信号处理模块。

如图2所示为本实施例的概况电路原理图，信号处理模块主要是由cpu和旋变解码芯片及一些外围电路组成。cpu选择型号为tms320f28335的dsp处理器u1。电机角度传感器选择的是旋转变压器(简称：旋变)，与之对应的旋变解码芯片选择的是型号为ad2s1210的芯片u2，其与一些外围器件组成了旋变信号激励和解码电路。激励电路产生的一对激励信号(exc+、exc-)通过连接器j2发送至旋转变压器。旋转变压器转子(转子固定在电机轴上)的角度信息与激励信号作用产生了两对旋转变压器角度反馈信号(cos+、cos-与sin+、sin-)，反馈信号通过连接器j2发送至旋变解码芯片进行信号的解码，解码后的信号即为解码后的电机角度信号。通过旋变解码芯片和cpu之间的spi接口传输数据，解码后的电机角度信号传输至信号处理模块的cpu。

信号隔离模块主要由信号隔离芯片及一些外围电路组成。电机驱动器发送的状态信号通过连接器j1传输至信号隔离模块，信号隔离模块的隔离芯片选择型号为adum1400的磁耦隔离芯片u3、u4、u5和u6，信号隔离模块使得电机驱动器发送的状态信号经过电气隔离后传输至信号处理模块。

并行接口模块主要是由cpu和磁耦隔离芯片各自的并行接口，以及接口之间的连接电路组成。其相对于串行通讯电路可以更加快速、准确的传输电机驱动器发送的状态信号至信号处理模块，方便信号处理模块对信号进行去抖处理。

信号处理模块将电机角度信号与电机驱动器发送的状态信号进行同步合并处理后，通过连接器j3以can总线的方式发送至上位机。

信号处理模块是整个系统的中央控制单元，信号在该单元内的处理步骤如图3所示：

s1：在同一个执行周期内，信号处理模块首先对角度传感器采集的角度信号进行解码；

s2：与此同时，信号处理模块对电机驱动器发送的状态信号进行“去抖”处理，从而消除了电机驱动器发送的状态信号上的毛刺和噪声，保证电机驱动器发送的状态信号数据得到准确的更新；

s3：在得到上述两种准确的信号后，信号处理模块对两种信号进行时序上的同步合并，发送至上位机，以便比较分析。

信号处理模块在软件方面对信号“去抖”的方法步骤如图4所示：

s21：采样并行接口模块输出的并行数据；

s22：判断当前采样周期采样到的并行数据newsampledata是否等于当前已更新的并行数据accepteddata，其中当前已更新的并行数据指的是经过去抖处理后，准确的并行数据；如果是，则清零去抖动计数寄存器，其中去抖动计数寄存器主要作用是如果当前采样周期与上一次采样周期采样到的并行数据newsampledata发生变化时，对变化后的并行数据在接下来的采样中，连续出现的周期数进行计数，并令当前缓存的并行数据bufferdata重新等于当前已更新的并行数据accepteddata，退出当前采样周期的去抖处理，bufferdata主要用途是如果当前采样周期相比与上一次采样周期采样到的并行数据发生变化时，用于存储变化后的并行数据；否则进入s23；

s23：判断当前采样周期采样到的并行数据是否等于当前缓存的并行数据，如果不相等，说明出现一个新的数据，则更新当前缓存的并行数据，令当前缓存的并行数据等于当前采样周期采样到的并行数据，并清零去抖动计数寄存器，重新对于新的数据连续出现的采样周期数进行计数，退出当前采样周期的去抖处理；否则进入s24；

s24：令去抖动计数寄存器的计数值加1；

s25：判断计数值是否大于设定阈值，如果不是，则退出当前采样周期的去抖处理；否则，大于设定阈值，表明出现了一个新的有效的并行数据，则进入s26；

s26：更新当前已更新的并行数据accepteddata，得到新的去抖后的准确数据，令当前已更新的并行数据accepteddata等于当前缓存的并行数据bufferdata，此时当前缓存的并行数据bufferdata就是一个去抖后准确的并行数据，并清零去抖动计数寄存器，为接收下一个新的并行数据做准备，成功完成当前采样周期的去抖处理。

如图5所示为本发明的实际测试结果的一个实例，是通过上位机绘制的电机运行状态下的角度对比分析图，图中横坐标表示接收的信号数据数量(每秒接收10000个数据)，纵坐标表示电机的位置角度(例如：180°)，实线表示角度传感器采集的电机角度信号，虚线表示电机驱动器发送的估计电机角度信号。可以看出即使与热地设计且高压供电的电机驱动器进行通讯的情况下，本发明的电机角度和状态信号同步采集传输系统仍然可以很好的将电机驱动器估算的电机角度信号和角度传感器(旋转变压器)采集的真实的电机角度信号同步的、快速的、准确的发送至上位机。

本发明的有益效果：

1)在电机控制领域，通过本发明的系统，可以采样角度传感器发送的真实的电机角度信号和电机驱动器发送的需要比较分析的其它与电机控制相关的状态信号(例如：电机驱动器估算的电机角度信号)，并且可以使这两种信号进行时序上的同步，以及使这两种信号合并发送至上位机。本发明可以更加方便的同步整合角度传感器采集的角度信号和其它设备发送的需要比较分析的信号，使需要比对的信号之间在时序上是同步的，在分析这些信号的时候，这点至关重要。

2)本发明在电气方面是独立于电机驱动器连接一个弱电系统，角度传感器采集的角度信号“绕过了”电机驱动器，经过本发明上传至上位机，因此从根本上避免了角度传感器采集的角度信号被电机驱动器的电气噪声干扰。由于本发明还采取了一些信号干扰的消除方法(增加信号隔离模块和并行接口模块、在信号处理模块中对信号进行去抖处理)，使得在与电机驱动器进行通讯的时候，特别是与“热地”设计的电机驱动器进行通讯的时候，优势明显，相对于其它的方案，可以做到高速、准确的采集电机驱动器发送的状态信号。因此，无论在采集角度传感器的角度信号，还是在采集电机驱动器等其它设备发送的状态信号时，都可以消除噪声信号的干扰，使得采集的信号准确，快速的上传，便于信号的分析。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。