基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置和方法
【专利摘要】本发明涉及基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置，包括顺序连接的上位机、驱动器模块、光纤和收发模块、编码器和电机。方法包括：上位机控制驱动器模块发送命令字，第一编码器光电适配电路将电信号转换为光信号经光纤发送至第二编码器光电适配电路；由其将光信号转换为电信号输出至编码器；编码器根据电信号将编码器参数发送至第二编码器光电适配电路进行将电信号转换为光信号，经光纤发送至第一编码器光电适配电路，由其进行光电转换输出至驱动器模块反馈至上位机，完成位置检测。本发明只用一根光纤实现驱动器与编码器间的双向高速通信，提高编码器串行通信的可靠性、实时性、传输速率及传输距离，减少光纤数量，节约布线成本。
【专利说明】基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置和方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用单光纤双向通信技术的电机转子绝对位置检测方法和装置，可应用于机器人和工业现场的电动伺服系统。
【背景技术】
[0002]现代制造业的电驱动伺服单元应用愈加广泛。无论是旋转运动系统，还是直线运动系统，均需要一定精度的位置检测装置反馈执行器实时位置信息。使用金属线介质传输信息不仅在带宽上受到限制，而且在大型设备中，长传输线通常会对通信的信号完整性和电磁兼容工作带来挑战。
[0003]在机器人等复杂设备中，功率线缆与信号线缆并行、交叉，穿行于金属腔体内部，不同的电机在同时工作时，会发生功率线对信号线干扰、信号线之间互扰，以致通信错误，伺服单元无法工作的情况。
[0004]现有的部分光纤位置反馈方案多采用收、发各用一条光路，共需两条光纤完成。由于光通信的收发器和光纤的成本较高，并且双纤并排时线缆的弯折受到一定的限制，使得其推广应用受到了限制。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实时性强、可靠性高、传输速率高、传输距离远、成本低、 抗干扰性强的应用单光纤双向技术的电机转子绝对位置检测方法和装置。
[0006]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置，包括顺序连接的上位机、驱动器模块、光纤和收发模块、编码器和电机。
[0007]所述光纤和收发模块包括通过光纤连接的两个编码器光电适配电路，第一编码器光电适配电路和第二编码器光电适配电路分别与驱动器模块、编码器连接。
[0008]所述编码器光电适配电路采用光纤驱动模块，差分驱动器、差分接收器和串口通信芯片；光纤驱动模块的光纤端口连接光纤，发送信号端与差分驱动器的输出端连接，差分驱动器的输入端与串口通信芯片的接收器输出端相连，光纤驱动模块的接收信号端与差分接收器的输入端相连，差分接收器的输出端与串口通信芯片的驱动器输入端相连，串口通信芯片的A、B输出端通过总线与驱动器模块的输入端或者编码器连接。
[0009]所述编码器光电适配电路还包括比较器，所述比较器的第一运算放大器的正向输入端与光纤驱动模块的信号检测端相连，反向输入端分别通过分压电阻R15、电阻R16连接电源和地；第一运算放大器输出端与比较器的第二运算放大器的输入端、串口通信芯片的接收器使能端相连，第二运算放大器的反向输入端分别通过分压电阻R17、电阻R18连接电源和地，输出端与串口通信芯片的驱动器使能端相连；所述第一运算放大器和第二运算放大器的输出端分别通过上拉电阻R17、上拉电阻R22与电源连接。
[0010]所述光纤驱动模块的发送信号端与差分驱动器Ul的输出端之间、以及接收信号端与差分接收器的输入端之间连有电容、还通过上拉电阻连接电源、通过电阻接地；所述光纤驱动模块的信号检测端还通过上拉电阻R21连接电源、通过电阻R13接地。
[0011]基于单芯双向技术的电机绝对位置检测方法，包括以下步骤:
[0012]上位机控制驱动器模块发送含有命令字的电信号，第一编码器光电适配电路将电信号转换为光信号经光纤发送至第二编码器光电适配电路；第二编码器光电适配电路将光信号转换为电信号，经总线输出至编码器；
[0013]编码器中的CPU根据电信号的内容将含有编码器参数的电信号进行发送，第二编码器光电适配电路将电信号转换为光信号，经光纤发送至第一编码器光电适配电路；第一编码器光电适配电路将光信号转换为电信号输出至驱动器模块、由驱动器模块反馈至上位机，完成电机转子位置的检测。
[0014]所述将电信号转换为光信号包括以下步骤:
[0015]光纤驱动模块的光纤接口无光信号，其信号检测端输出检测信号控制比较器的输出端输出低电平，使串口通信芯片接收数据；
[0016]串口通信芯片将通过总线接收到的电信号输出至差分驱动器，由差分驱动器进行电平转换输出至光纤驱动模块，光纤驱动模块将电平信号转换为光信号。
[0017]所述将光信号转换为电信号包括以下步骤:
[0018]光纤驱动模块接收到光信号并进行光电转换，其信号检测端输出检测信号控制比较器的输出端输出高电平，触发串口通信芯片进行数据发送；同时其接收信号端输出电平信号至差分接收器进行电平转换，串口通信芯片将差分接收器输出的电平信号通过总线输出。
[0019]所述编码器中的CPU根据电信号的内容将含有编码器参数的电信号进行发送具体为:
[0020]编码器中的CPU根据电信号的命令字内容，将电机转动角度、圈数及编码器工作状态以数据包的形式进行发送。
[0021]本发明具有以下有益效果及优点:
[0022]1.本发明只用一根光纤实现驱动器与电机编码器之间的双向高速通信，可以提高编码器串行通信的可靠性、实时性、传输速率及传输距离，减少光纤数量，节约布线成本。
[0023]2.本发明能够抗干扰，尤其适用于机器人等复杂电磁环境的场合。
[0024]3.本发明的编码器光电适配电路，能够实现光信号和电信号的转换，同时解决了信号在传输时的自收自发问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明的装置结构连接示意图；
[0026]图2为本发明的光纤和收发模块电路框图；
[0027]图3为编码器光电适配电路图；
[0028]图4为混合式多圈绝对式光电编码器原理图；
[0029]图5为光纤驱动模块内单纤双向波分复用透镜内光路原理图；
[0030]图6为编码器串行发送数据时的帧格式示意图；
[0031]图7为本发明的方法原理流程图；[0032]图8为经光电转换还原为电信号的实测通信NRZ波形图；
[0033]图9为电机电角度数值波形图；
[0034]图10为电机运行时三相电流波形图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0036]如图1所示，本装置包括顺序连接的上位机1、驱动器模块2、第一编码器光电适配电路3、光纤5、第二编码器光电适配电路4、编码器7和电机8 ;驱动器模块2用于接收上位机I的命令控制电机8转动以及接收编码器7的反馈信号反馈至上位机I。
[0037]如图2所示，编码器光电适配电路包括485芯片、差分驱动器、差分接收器和光纤驱动模块。本发明中的编码器光电转换适配电路，采用专用485芯片收发编码器的差分电信号，差分驱动器将原始信号滤波、整型、电平转换后给入光纤驱动模块，光纤驱动模块驱动光电激光管发射光纤信号，其频率为f\。当与之对应的光纤驱动模块接收到频率为f2(f!幸f2)的光信号时，该光纤驱动模块中产生信号SD，利用信号SD实现对485芯片的发送禁止控制，可以避免信号在传输过程中的自收自发现象，同时，从光纤接收的信号经差分接收器处理转换后，通过485芯片发送给编码器，完成通信过程，这样就使得单纤双向通信能够应用于复合编码器位置检测装置之中。
[0038]如图3所不,编码器光电转换适配电路是由光纤驱动模块U2、型号AM26LS31的差分线性驱动器U1、型号为AM26LS32的差分线性接收器U4、型号为LM393的比较器(U5A、U5B)、MAX485的485通信专用芯片U3，以及电阻、电容和稳压二极管组成的适配电路。
[0039]其中，光纤驱动模块内部设有发光二极管及其驱动电路、光敏二极管和透镜，并且能够直接连接光纤，将光信号转换为电信号(PECL电平)从光纤驱动模块的输出端输出。
[0040]如图5所示，本发明中采用波分复用式单芯双向技术，在单芯双向传输系统中，在同一根光纤中同时传输两路相反方向的光信号，光纤驱动模块内部的光波分模块分别米用往返波长为1310nm和1550nm的器件。光纤驱动模块内部的分光透镜电路，对往返的两个光载波进行合成和分离的处理，以此实现光信号的双向传输，模块一中发送信号是波长为1310nm的光,接收信号是波长为1550nm的光,模块二中发送信号是波长为1550nm的光,接收信号是波长为1310nm的光。其优点是使光纤的带宽特性得到充分应用，提高了光纤利用率。
[0041]本发明中使用包含分光透镜电路的光纤驱动模块型号分别为TTR-B1303-20和FTTR-B15303-20，在与驱动器模块2连接的第一编码器光电适配电路3中采用TTR-B1303-20 (包含模块一)，在与编码器7连接的第二编码器光电适配电路4中采用FTTR-B15303-20 (包含模块二 )。
[0042]如图3所示，光纤驱动模块U2的发送信号端依次对应TD+和TD-与差分线性驱动器Ul的输出端 IY和IZ相连，差分线驱动器Ul的输入端IA与485通信芯片U3的接收器输出端RO相连，光纤驱动模块U2的接收信号端依次对应RD+和RD-与差分线接收器U4的输入端IA和IB相连，差分线接收器U4的输出端IY与485通信芯片U3的驱动器输入端DI相连，485通信芯片的A、B端接入NRZ信号或者驱动器模块的命令字信号，比较器U5A的输入端3与光纤驱动模块U2的信号检测端SD相连，比较器U5A的输入端2与分压电阻R15、R16相连，比较器U5A的输出端7与比较器U5B的输入端5和485通信芯片的接收器使能端RE相连，比较器U5B的输入端6与分压电阻R17、R18相连，比较器U5B的输出端7与485通信芯片的驱动器使能端DE相连。由于LM393为OC门输出，为保证能够正常输出高电平，比较器的输出端I和7处加上拉电阻R14和R22。电路中的C3、C5、C7、C9、C10、C11、R2、R3、R4、R5、R9、R11、R13、R19、R20和R21组成的无源组容网络电路目的是将信号变为光纤模块可接收和发送的PECL电平信号。电路中C4、C6、C8和C12为去耦电容。电路中D2和D3为稳压二极管，作用是保护485通信电路，电阻R7为阻抗匹配电阻。
[0043]本发明的工作过程为:首先由电机驱动器向编码器发送命令字，信号通过编码器光电收发模块7和光纤5发送到编码器7，编码器7根据收得的命令字发送相应的轴位置和多圈数据信号，该信号通过光纤和编码器光电收发模块，返回给驱动器模块。
[0044]由驱动器模块应用公式1，可以计算转子机械角度0 M。
【权利要求】
1.基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置，其特征在于:包括顺序连接的上位机(I)、驱动器模块(2)、光纤和收发模块(6)、编码器(7)和电机(8)。
2.根据权利要求1所述的一种电动车用智能锂离子电池管理系统，其特征在于:所述光纤和收发模块(6)包括通过光纤(5)连接的两个编码器光电适配电路(3、4)，第一编码器光电适配电路(3)和第二编码器光电适配电路(4)分别与驱动器模块(2)、编码器(7)连接。
3.根据权利要求1所述的基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置，其特征在于:所述编码器光电适配电路(3、4)采用光纤驱动模块(U2)，差分驱动器(U1)、差分接收器(U4)和串口通信芯片(U3);光纤驱动模块(U2)的光纤端口连接光纤(5)，发送信号端(TD+、TD-)与差分驱动器(Ul)的输出端(1Y、1Z)连接，差分驱动器(Ul)的输入端(IA)与串口通信芯片(U3)的接收器输出端(RO)相连，光纤驱动模块(U2)的接收信号端(RD+、RD_)与差分接收器(U4)的输入端(1A、1B)相连，差分接收器(U4)的输出端(IY)与串口通信芯片(U3)的驱动器输入 端(DI)相连，串口通信芯片(U3)的A、B输出端通过总线与驱动器模块(2)的输入端或者编码器(7)连接。
4.根据权利要求1所述的基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置，其特征在于:所述编码器光电适配电路(3、4)还包括比较器(U5A、U5B)，所述比较器的第一运算放大器(U5A)的正向输入端与光纤驱动模块(U2)的信号检测端(SD)相连，反向输入端分别通过分压电阻R15、电阻R16连接电源和地；第一运算放大器(U5A)输出端与比较器的第二运算放大器(U5B )的输入端、串口通信芯片(U3 )的接收器使能端(RE )相连，第二运算放大器(U5B )的反向输入端分别通过分压电阻R17、电阻R18连接电源和地，输出端与串口通信芯片(U3)的驱动器使能端(DE)相连；所述第一运算放大器(U5A)和第二运算放大器(U5B)的输出端分别通过上拉电阻R17、上拉电阻R22与电源连接。
5.根据权利要求3所述的基于单芯双向技术的电机绝对位置检测装置，其特征在于:所述光纤驱动模块(U2)的发送信号端(TD+、TD_)与差分驱动器Ul的输出端(1Y、1Z)之间、以及接收信号端(RD+、RD-)与差分接收器(U4)的输入端(1A、1B)之间连有电容、还通过上拉电阻连接电源、通过电阻接地；所述光纤驱动模块(U2)的信号检测端(SD)还通过上拉电阻R21连接电源、通过电阻R13接地。
6.基于单芯双向技术的电机绝对位置检测方法，其特征在于包括以下步骤: 上位机(I)控制驱动器模块(2)发送含有命令字的电信号，第一编码器光电适配电路(3)将电信号转换为光信号经光纤(5)发送至第二编码器光电适配电路(4);第二编码器光电适配电路(4)将光信号转换为电信号，经总线输出至编码器(7)； 编码器(7)中的CPU根据电信号的内容将含有编码器参数的电信号进行发送，第二编码器光电适配电路(4)将电信号转换为光信号，经光纤(5)发送至第一编码器光电适配电路(4);第一编码器光电适配电路(3)将光信号转换为电信号输出至驱动器模块(2)、由驱动器模块(2 )反馈至上位机(I)，完成电机转子位置的检测。
7.根据权利要求6所述的基于单芯双向技术的电机绝对位置检测方法，其特征在于:所述将电信号转换为光信号包括以下步骤: 光纤驱动模块(U2)的光纤接口无光信号，其信号检测端(SD)输出检测信号控制比较器(U5A、U5B)的输出端输出低电平，使串口通信芯片(U3)接收数据； 串口通信芯片(U3)将通过总线接收到的电信号输出至差分驱动器(U1)，由差分驱动器(Ul)进行电平转换输出至光纤驱动模块(U2)，光纤驱动模块(U2)将电平信号转换为光信号。
8.根据权利要求6所述的基于单芯双向技术的电机绝对位置检测方法，其特征在于:所述将光信号转换为电信号包括以下步骤: 光纤驱动模块(U2)接收到光信号并进行光电转换，其信号检测端(SD)输出检测信号控制比较器(U5A、U5B)的输出端输出高电平，触发串口通信芯片(U3)进行数据发送；同时其接收信号端(RD+、RD-)输出电平信号至差分接收器(U4)进行电平转换，串口通信芯片(U3)将差分接收器(U4)输出的电平信号通过总线输出。
9.根据权利要求6所述的基于单芯双向技术的电机绝对位置检测方法，其特征在于:所述编码器(7)中的CPU根据电信号的内容将含有编码器参数的电信号进行发送具体为: 编码器(7)中的CPU根据电信号的命令字内容，将电机(8)的转动角度、圈数以数据包的形式进行发送。`
【文档编号】G01D5/26GK103759747SQ201310737173
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】张涛, 崔龙, 王方玉, 李洪谊 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所