本发明涉及一种传输方法，尤其涉及一种编码器信号数字化传输方法。
背景技术：
伺服电机内置编码器的输出信号在没有获得数字化传输之前，要么是模拟量信号，要么ttl方波信号。根据内置编码器(传感器)的不同，输出信号的形式有所差别：
1、sin/cos编码器：增量编码器a/b(1vpp)+绝对位置c/d(1vpp)+参考点(r)；
2、sin/cos编码器：增量编码器a/b(1vpp)+参考点(r)；
3、endat编码器：串行输出的sin/cos增量编码器a/b(1vpp)；
4、sin/cos编码器：增量编码器a/b(1vpp)+ssi；
5、绝对值编码器：ssi；
6、旋转变压器：ap+an；bp+bn；
7、ttl编码器：ttl方波a/b(ttl)+z(ttl)。
伺服电机内置的编码器输出信号能否实现数字化传输，是决定一个数控系统是否是全数字交流伺服数控系统的标志。发改高改字[2014]2072号文件规定：实现交流伺服驱动内部控制及测量单元的全数字化，采用现场总线的数字化控制接口技术。这里说的测量单元指的就是伺服电机内置编码器，它是用来测量实际位置值和实际速度值的传感器。
全数字交流伺服数控系统通过内置编码器的伺服电机12与伺服电机驱动器11的配合实现，如图1、图2所示。伺服电机12包括内置编码器信号处理121、电机线圈14、电机制动15、电机温度测量(kty)16。内置编码器信号处理121接收编码器信号，处理后通过接口13、现场总线或实时以太网传输至伺服电机驱动器11。电机线圈14、电机制动15通过电机及动力电源接口17连接至伺服电机驱动器11。另外，内置编码器信号处理121内可包括对主轴电机内部温度传感器的控制，如图2所示的ptc和kty16以及如图1所示的kty16。
技术实现要素：
本发明提供一种实现编码器信号数字化安全传输的编码器信号数字化传输方法。
本发明的解决方案是：一种编码器信号数字化传输方法，其包括以下步骤：
将编码器输入信号asinα、bcosα、r分别转换成方波信号；其中，a、b分别表示三相交流电中的a相信号、b相信号，α表示一个信号周期内的电气角，r表示编码器每圈经历一次的绝对位置参考点；
采用通道一，将转换成方波信号的编码器输入信号asinα、bcosα、r处理成待传输信号一；
采用通道二，将转换成方波信号的编码器输入信号asinα、bcosα、r处理成待传输信号二；
判断两个待传输信号是否相同，如相同则将两个通道中的位置信息叠加到标准报文字段中输出，形成的数据流传递给伺服电机驱动器。
作为上述方案的进一步改进，所述待传输信号一的处理步骤包括：
对编码器输入信号asinα、bcosα进行4倍频；
记载编码器输入信号r并形成编码器每圈经历一次的绝对位置轨迹一；
根据绝对位置轨迹一对4倍频后的编码器输入信号asinα、bcosα计算出粗位置值一，并根据所述粗位置值一衍生出速度值一，所述粗位置值一、所述速度值一依次形成代码一；
在所述代码一的最低位设置校验码形成所述待传输信号一，所述待传输信号一的一个周期内容为：粗位置值一、速度值一、状态值一；
对应地，所述待传输信号二的处理步骤包括：
对编码器输入信号asinα、bcosα进行4倍频；
记载编码器输入信号r并形成编码器每圈经历一次的绝对位置轨迹二；
根据绝对位置轨迹一对4倍频后的编码器输入信号asinα、bcosα计算出粗位置值二，并根据所述粗位置值二衍生出速度值二，所述粗位置值二、所述速度值二依次形成代码二；
在所述代码二的最低位设置校验码形成所述待传输信号二，所述待传输信号二的一个周期内容为：粗位置值二、速度值二、状态值二。
进一步地，所述待传输信号一的处理步骤还包括：对所述粗位置值一插值细分形成精细位置值。
进一步地，根据机械角λs和转速n对所述粗位置值一插值细分形成所述精细位置值，使所述代码一的一个周期内的内容变更成粗位置值一、速度值一、精细位置值，相应的所述待传输信号一的一个周期内的内容变更成粗位置值一、速度值一、精细位置值、状态值一。
进一步地，根据公式(1)获得机械角λs：
其中，n为编码器的分辨率，每转信号周期数；
z为活动的信号周期数量；
α为一个信号周期内的电气角，
λs为一个信号周期内的机械角。
进一步地，根据公式(2)获得转速n：
进一步地，所述编码器信号数字化传输方法还包括：模数转换测量电机温度得到的温度传感器信号，“待传输信号一、待传输信号二、模数转换后的温度传感器信号”为所述数据流的一个周期内容。
进一步地，所述数据流通过总线或实时以太网接口，以报文的方式串行输出至伺服电机驱动器。
进一步地，所述数据流通过现场总线传递给伺服电机驱动器。
进一步地，根据报文格式的不同，所述数据流的一个周期内容包括以下方式：
一、粗位置值一+状态值一+粗位置值二+状态值二；
二、粗位置值一+精细位置值+状态值一+粗位置值二+状态值二；
三、粗位置值一+状态值一+粗位置值二+状态值二+安全信号位置值；
四、粗位置值一+精细位置值+状态值一+粗位置值二+状态值二+安全信号位置值；
五、粗位置值一+状态值一+粗位置值二+状态值二+温度值；
六、粗位置值一+精细位置值+状态值一+粗位置值二+状态值二+温度值；
七、粗位置值一+状态值一+粗位置值二+状态值二+安全信号位置值+温度值；
八、粗位置值一+精细位置值+状态值一+粗位置值二+状态值二+安全信号位置值+温度值。
本发明的一种编码器信号数字化安全传输方法，用于分析、处理各种编码器的输入信号，并把这些模拟量性质的输入信号，转变成数字信号，以报文的形式通过现场总线、实时以太网传递给伺服电机驱动器，这些数字信号包括实际位置值和实际速度值。
附图说明
图1为进给轴全数字交流伺服数控系统的结构示意图。
图2为主轴全数字交流伺服数控系统的结构示意图。
图3为本发明较佳实施例的编码器信号数字化安全传输装置的模块示意图。
图4为图3中采用硬件实现的电路结构示意图。
图5为采用类似图3中编码器信号数字化安全传输装置实现的第1种数据流的数据流向示意图。
图6为采用类似图3中编码器信号数字化安全传输装置实现的第2种数据流的数据流向示意图。
图7为采用类似图3中编码器信号数字化安全传输装置实现的第3种数据流的数据流向示意图。
图8为采用类似图3中编码器信号数字化安全传输装置实现的第4种数据流的数据流向示意图。
图9为实现图3中全系列编码器信号数字化安全传输装置的一种硬件电路示意图。
图10为实现图3中a+b+r增量编码器信号数字化安全传输装置的一种硬件电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的a+b+r增量编码器信号数字化安全传输装置具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的编码器信号数字化安全传输装置及其传输方法用于将编码器输入信号asinα、bcosα、r从模拟信号转换为数字信号，所述数字信号以报文的形式通过现场总线(如profinet现场总线)传递给伺服电机驱动器。
请参阅图3，本发明较佳实施例的编码器信号数字化安全传输装置包括方波信号转换模块31、信号处理模块一32、信号处理模块二33、仲裁模块34、精细计数单元35。
方波信号转换模块31用于将编码器输入信号asinα、bcosα、r分别转换成方波信号；其中，a、b分别表示三相交流电中的a相信号、b相信号，α表示一个信号周期内的电气角，r表示编码器每圈经历一次的绝对位置参考点。
如图4所示，方波信号转换模块31可采用差分放大器、比较放大器转变成方波信号，实现相应功能。具体地，编码器输入信号asinα经过差分放大器311、比较放大器k_a变成相应的方波信号，同理，编码器输入信号bcosα经过差分放大器312、比较放大器k_b变成相应的方波信号；编码器输入信号r经过差分放大器312、比较放大器k_r变成相应的方波信号。
信号处理模块一32表征通道一，用于将转换成方波信号的编码器输入信号asinα、bcosα、r处理成待传输信号一。信号处理模块一32包括倍频单元一、参考点寄存单元一、粗计数单元一、crc校验单元一。
倍频单元一用于对编码器输入信号asinα、bcosα进行4倍频，倍频单元一可采用如图4中所示的4倍频电路一。
参考点寄存单元一用于记载编码器输入信号r并形成编码器每圈经历一次的绝对位置轨迹一，参考点寄存单元一可采用图4中所示的参考点寄存器一324。
粗计数单元一用于根据绝对位置轨迹一对4倍频后的编码器输入信号asinα、bcosα计算出粗位置值一，并根据所述粗位置值一衍生出速度值一，所述粗位置值一、所述速度值一依次形成代码一。粗计数单元一可采用图4中所示的粗计数器一。
crc校验单元一用于在所述代码一的最低位设置校验码形成所述待传输信号一，所述待传输信号一的一个周期内容为：粗位置值一、速度值一、状态值一。crc校验单元一可采用图4中所示的crc电路一。
信号处理模块一32可以采用具有相同功能的cpu1。同理，信号处理模块二33可以采用具有相同功能的cpu2。信号处理模块二33表征通道二，用于将转换成方波信号的编码器输入信号asinα、bcosα、r处理成待传输信号二。信号处理模块二33包括倍频单元二、参考点寄存单元二、粗计数单元二、crc校验单元二。
倍频单元二用于对编码器输入信号asinα、bcosα进行4倍频，倍频单元一可采用如图4中所示的4倍频电路二。
参考点寄存单元二用于记载编码器输入信号r并形成编码器每圈经历一次的绝对位置轨迹二，参考点寄存单元二可采用图4中所示的参考点寄存器二。
粗计数单元二用于根据绝对位置轨迹二对4倍频后的编码器输入信号asinα、bcosα计算出粗位置值二，并根据所述粗位置值二衍生出速度值二，所述粗位置值二、所述速度值二依次形成代码二。粗计数单元二可采用图4中所示的粗计数器二。
crc校验单元二用于在所述代码二的最低位设置校验码形成所述待传输信号二，所述待传输信号二的一个周期内容为：粗位置值二、速度值二、状态值二。crc校验单元二可采用图4中所示的crc电路二。
精细计数单元35用于对所述粗位置值一插值细分形成精细位置值，精细计数单元35可以设置，也可以不设置。精细计数单元35设置有机械角λs计算单元和转速n计算单元。
机械角λs计算单元根据公式(1)获得机械角λs：
其中，n为编码器的分辨率，每转信号周期数；
z为活动的信号周期数量；
α为一个信号周期内的电气角，
λs为一个信号周期内的机械角；
转速n计算单元根据公式(2)获得转速n：
精细计数单元根据机械角λs和转速n对所述粗位置值一插值细分形成所述精细位置值，使所述代码一的一个周期内的内容变更成粗位置值一、速度值一、精细位置值，相应的所述待传输信号一的一个周期内的内容变更成粗位置值一、速度值一、精细位置值、状态值一。
精细计数单元35可以集成在具有信号处理模块一32功能的cpu1内，如图4所示，不带安全功能时，电机转子角度λs和速度n的计算：在cpu1内，编码器信号asinα、bcosα经由多路复选器muxa、muxb和muxc，以及两个采样保持放大器s&h，12位a/d转换器，asinα、bcosα瞬时值信号被读取。
公式(1)即
在cpu1内，asinα、bcosα通过比较器k_a、k_b和粗计数器一322后获得粗位置值一，使用精细插补软件算法，计算α角。转子位置(粗位置值一和精插补α)通过总线被传输到伺服电机的驱动器。
转速n的计算方法如下：
cpu1里，参考点寄存器一324提供额外的参考标记。当粗计数器一322计数到参考标记位置时，cpu1提取寄存器的信息，并存储粗位置值一和精插补α。
仲裁模块34用于判断两个待传输信号是否相同，如相同则将两个通道中的位置信息叠加到标准报文字段中输出，形成的数据流通过现场总线传递给伺服电机驱动器。如不正确，则在状态字中输出报警信息。仲裁模块34通过switch交换处理信息，信息正确则把两通道内的位置信息叠加到报文的字段中输出，这就是正确信息的位置值1、位置值2、状态值1、状态值2(正确信息如下文介绍)；如果分析的结果是信息错误，则在状态值中输出错误信息。仲裁模块34可以采用具有相同功能的仲裁器，仲裁器可集成在cpu内，也可以选择带有仲裁器的cpu2，如图4所示。
cpu2内有仲裁器，cpu2通过片内的仲裁程序，选择通过总线输出的是cpu1计算的位置值还是cpu2计算的位置值。被仲裁器选中的信号通过总线输出。cpu2内的参考点寄存器二334提供零点检测，通过片内软件检查相邻两个参考点之间的信号周期数是否对应恒定的编码器脉冲数。进入cpu2的方波信号交叉连接，目的为了检测伺服电机反转。
编码器信号数字化安全传输装置还可设置有内存模块，内存可选择多种存储器。如电路中的内存包括三种，flashram、sram和dpram。cpu2和phy共享内存dpram，由cpu1控制该内存的读写，该dpram位于cpu2片内。
所述传输装置还可设置温度传感器信号模数转换模块，进给电机定子线圈内的温度传感器信号输入给cpu1的a/d转换器，经过计算的温度数值加载进报文规定的字段里，传递给电机驱动器。主轴电机定子线圈内的kty、ptc温度传感器信号输入给cpu1的a/d转换器，经过计算的温度数值加载进报文规定的字段里，传递给电机驱动器。此时，“待传输信号一、待传输信号二、模数转换后的温度传感器信号”为所述数据流的一个周期内容。
带安全功能时，功能安全编码器信号传输原理：电机转子的机械角λs′和速度n'的计算：在cpu1内，编码器信号asinα、bcosα经由加法器、减法器、45°移项、0.707倍调幅、反向，生成asin'(α+45°)、-bcos'(α+45°)，(符号'，仅代表这是安全信号)，asin'(α+45°)、-bcos'(α+45°)与asinα、bcosα相比具有45°相移和反向。再经过多路复选器muxa、muxb和muxc，以及两个采样保持放大器s&h，12位a/d转换器，asin'(α+45°)、-bcos'(α+45°)瞬时值信号被读取。
asin'(α+45°)、-bcos'(α+45°)经由cpu2、然后通过总线传送给驱动器，再通过总线传送给控制器主站。在主站内，有算法利用这些安全信号计算出安全信号的电子角α，并叠加到粗位置值二上。由此计算出安全信号的机械角λs′。算法把控制器计算的转子位置值λs′和驱动器里的转子位置值λs进行对比。与此类似，对n'和n也要进行对比：
需要说明的是：编码器输入信号asinα、bcosα的a和b只代表a相信号和b相信号，不代表信号的幅值。
本发明较佳实施例的编码器信号数字化安全传输装置在应用时，其传输方法包括以下步骤。
1、将编码器输入信号asinα、bcosα、r分别转换成方波信号；其中，a、b分别表示三相交流电中的a相信号、b相信号，α表示一个信号周期内的电气角，r表示编码器每圈经历一次的绝对位置参考点。
在cpu1内，编码器信号asinα、bcosα经由多路复选器muxa、muxb和muxc，以及两个采样保持放大器s&h，12位a/d转换器，asinα、bcosα瞬时值信号被读取。
2、将转换成方波信号的编码器输入信号asinα、bcosα、r处理成待传输信号一。
所述待传输信号一的处理步骤包括：对编码器输入信号asinα、bcosα进行4倍频；记载编码器输入信号r并形成编码器每圈经历一次的绝对位置轨迹一；根据绝对位置轨迹一对4倍频后的编码器输入信号asinα、bcosα计算出粗位置值一，并根据所述粗位置值一衍生出速度值一，所述粗位置值一、所述速度值一依次形成代码一；在所述代码一的最低位设置校验码形成所述待传输信号一，所述待传输信号一的一个周期内容为：粗位置值一、速度值一、状态值一。
所述待传输信号一的处理步骤还可包括：对所述粗位置值一插值细分形成精细位置值。
3、将转换成方波信号的编码器输入信号asinα、bcosα、r处理成待传输信号二。
所述待传输信号二的处理步骤包括：对编码器输入信号asinα、bcosα进行4倍频；记载编码器输入信号r并形成编码器每圈经历一次的绝对位置轨迹二；根据绝对位置轨迹一对4倍频后的编码器输入信号asinα、bcosα计算出粗位置值二，并根据所述粗位置值二衍生出速度值二，所述粗位置值二、所述速度值二依次形成代码二；在所述代码二的最低位设置校验码形成所述待传输信号二，所述待传输信号二的一个周期内容为：粗位置值二、速度值二、状态值二。
4、判判断两个待传输信号是否相同，如相同则将两个通道中的位置信息叠加到标准报文字段中输出，形成的数据流通过现场总线传递给伺服电机驱动器。
其中，所述编码器信号数字化传输方法还包括：模数转换测量电机温度得到的温度传感器信号，“待传输信号一、待传输信号二、模数转换后的温度传感器信号”为所述数据流的一个周期内容。
对每种编码器的信号处理的过程可不尽相同。本实施例电路的输入信号是编码器信号+温度传感器信号，输出信号是数字化的编码器信号+温度传感器信号。输入信号是模拟量性质的，输出信号是数字量性质的。输出信号通过总线或实时以太网接口，以报文的方式高速串行输出。根据报文格式的不同，输出信号(即所述数据流的一个周期内容)可以是：
位置值1+状态值1+位置值2+状态值2；
位置值1+精细位置值1+状态值1+位置值2+状态值2；
位置值1+状态值1+位置值2+状态值2+安全信号位置值1；
位置值1+精细位置值1+状态值1+位置值2+状态值2+安全信号位置值1；
位置值1+状态值1+位置值2+状态值2+温度；
位置值1+精细位置值1+状态值1+位置值2+状态值2+温度；
位置值1+状态值1+位置值2+状态值2+安全信号位置值1+温度；
位置值1+精细位置值1+状态值1+位置值2+状态值2+安全信号位置值1+温度。
位置值1即上文的粗位置值一，状态值1即上文的状态值一，精细位置值1即上文的精细位置值，位置值2即上文的粗位置值二，状态值2即上文的状态值二。安全信号位置值1、温度可分别作为附加信号，如上文的模数转换后的温度传感器信号。
其中，“位置值1+状态值1+位置值2+状态值2+温度”的数据流，如图5所示；“位置值1+精细位置值1+状态值1+位置值2+状态值2+温度”的数据流，如图6所示；“位置值1+状态值1+位置值2+状态值2+安全信号位置值1+温度；”的数据流，如图7所示；“位置值1+精细位置值1+状态值1+位置值2+状态值2+安全信号位置值1+温度”的数据流，如图8所示。
图9是全系列编码器信号数字化安全传输装置的一种硬件电路示意图，用于说明本发明所描述的装置及方法可以处理全系列编码器信号。虚线框1用于处理旋转变压器信号输入；虚线框2用于处理a+b+r增量编码器信号输入；虚线框3用于处理a+b+c+d+r增量编码器信号输入；虚线框4用于处理温度传感器信号输入；虚线框5用于endat、ssi、ttl编码器信号输入。
图10所示，是a+b+r编码器信号数字化安全传输装置的一种硬件电路示意图，是本发明较佳实施例的编码器信号数字化安全传输装置，在具体实现时可采用两个cpu来实现，具体地，可采用cpu1为adsp21990芯片，cpu2为fpga芯片。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。