交流伺服系统中的高精度编码器串行通讯接口装置

摘要

交流伺服系统中的高精度编码器串行通讯接口装置，它涉及一种交流伺服系统中控制芯片与位置编码器的通讯接口，以解决现有高精度编码器的串行输出方式存在的传输延迟较大、对串行通信的速度和可靠性要求较高和芯片价格昂贵的问题。绝对式位置编码器的输出端与缓冲电路的输入端相连接，缓冲电路的输出端与匹配电路的输入端相连接，匹配电路的输出端与接口芯片的输入端相连接，接口芯片的TXD输出端与伺服控制芯片的RXD输入端相连接，接口芯片的RXD输入端与伺服控制芯片的TXD输出端相连接，接口芯片的读写控制输入端与伺服控制芯片的读写控制输出端相连接。本发明在硬件接口上省掉辅助通讯芯片，使伺服控制芯片与位置编码器之间直接进行串行通讯。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交流伺服系统中控制芯片与位置编码器的通讯接口，特别涉及一种高精度编码器串行通讯接口。

背景技术

在交流永磁伺服系统中，需要检测转子的位置信息作为矢量控制的依据和位置闭环控制的反馈，而对于高精度伺服系统来说，位置反馈环节的检测精度直接影响了伺服系统的性能。常用的位置检测装置都采用光电编码器或旋转变压器。旋转变压器由于结构简单，具有成本低、可靠性好、防护等级高的优点，但是其编解码复杂，对电磁干扰敏感也限制了它的发展，现在正逐渐被光电编码器所取代，但是在一些工况比较恶劣的场合，如混合动力车、钢铁与水利行也还是有着广泛的应用。与旋转变压器相比，光电编码器具有精度高、惯量小、稳定性好的优点，但是由于本身属于高精密设备，故可靠性没有旋转变压器好，对工作环境也有一定要求。

光电编码器分为增量式和绝对式两种。增量式光电编码器通过轴的旋转产生一系列的脉冲信号，所产生的脉冲信号由一定时间内的旋转角度及运动速度决定，脉冲信号再经过计数器计数，实现对转子位置的检测，但是增量式编码器只能确定转子的相对位置，因而在上电复位的时候需要重新确定参考位置。对于绝对式编码器，可以提供转子的绝对位置信息，因此重新上电的时候就无须确定参考位置，而且抗干扰能力和数据可靠性方面也优于增量式编码器。由于并行输出会占用太多的数据线资源，一般只在低分辨率的码盘中使用，对于高精度的编码器一般采用的是串行输出的方式。但是由于采用串行输出方式，会导致较大的传输延迟，这就对串行通信的速度和可靠性有比较高的要求。对于绝对式编码器的应用，生产厂商通常提供专用的处理芯片，也有以DSP+FPGA等辅助芯片的方式实现对串行数据的接收，辅助芯片的核心目的是将串行数据锁存并转换为并行数据再与控制芯片进行通讯，但是芯片的价格却十分昂贵。

发明内容

本发明为解决现有高精度编码器的串行输出方式存在的传输延迟较大、对串行通信的速度和可靠性要求较高以及芯片价格昂贵的问题，提供一种交流伺服系统中的高精度编码器串行通讯接口装置。本发明由绝对式位置编码器、缓冲电路、匹配电路、RS485接口芯片和伺服控制DSP芯片组成，绝对式位置编码器的串行输出端与缓冲电路的串行输入端相连接，缓冲电路的串行输出端与匹配电路的串行输入端相连接，匹配电路的串行输出端与RS485接口芯片的串行输入端相连接，RS485接口芯片的TXD输出端与伺服控制DSP芯片的RXD输入端相连接，RS485接口芯片的RXD输入端与伺服控制DSP芯片的TXD输出端相连接，RS485接口芯片的读写控制输入端与伺服控制DSP芯片的读写控制输出端相连接。

有益效果：本发明在硬件接口上省掉辅助通讯芯片，使伺服控制芯片与位置编码器之间直接进行串行通讯，降低了系统体积与成本，为交流伺服系统位置信息的获取提供一种更为灵活简便的通讯形式。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1，本实施方式由绝对式位置编码器1、缓冲电路2、匹配电路3、RS485接口芯片4和伺服控制DSP芯片5组成，绝对式位置编码器1的串行输出端与缓冲电路2的串行输入端相连接，缓冲电路2的串行输出端与匹配电路3的串行输入端相连接，匹配电路3的串行输出端与RS485接口芯片4的串行输入端相连接，RS485接口芯片4的TXD输出端与伺服控制DSP芯片5的RXD输入端相连接，RS485接口芯片4的RXD输入端与伺服控制DSP芯片5的TXD输出端相连接，RS485接口芯片4的读写控制输入端与伺服控制DSP芯片5的读写控制输出端相连接。

本实施方式的伺服控制DSP芯片5可采用TI公司生产的TMS320F280x型微处理器，利用DSP的SCI(Serial Communication Interface)接口与码盘进行通信，中间经过RS485接口芯片4实现差分式输入输出转换。TMS320F280x的SCI接口是通用异步串行接口，具有硬件校验、数据帧校验能力，可以工作在全双工、半双工等多种模式下，通信波特率可以通过程序设定，具有16级发送和接收FIFO，这样完全可以一次完整接收码盘发送的数据。由于绝对式位置编码器1返回的位置信息在电机驱动控制中有着极其重要的作用，在硬件设备中需要考虑高速通信的可靠性；为了避免不必要的中断嵌套，软件上主要采取顺序执行的方式，每100μs仅产生一个定时中断用于电机驱动控制；由于绝对式位置编码器1的通信以RS485方式进行，这样就要求伺服控制DSP芯片5通过一个单独的I/O口进行RS485的读写控制；由于伺服控制DSP芯片5与绝对式位置编码器1通信的时间每次都是固定的，发送请求需要4μs，接收数据需要44μs，这之间还有3μs的时间延迟，而RS485读写控制信号在发送时为写状态，等待完全发送完毕之后要变为读状态；通过SCI的16级FIFO可以一次接收11位码盘信息，之后再解码处理。

每次接收绝对式位置编码器1的数据需要时间大约44μs，但是软件需要每100μs对电机执行一次控制，因而软件编程上不可以一直这样等待数据接收，解决的方法是每次结束电机控制之后发送一次码盘读取请求，利用TMS320F280x的16级FIFO缓存，通过硬件一次接收所有绝对式位置编码器1的数据并储存，在下一个控制周期的开始阶段，通过软件处理储存的数据并转换为所需的位置信息。这样不但可以避免软件上的长时间延时，还可以在对电机进行解耦控制之前得到准确的位置信息，处理得到的转子位置信息将延迟时间T，可以近似认为T满足51μs＜T＜(100-程序执行时间)μs。因而对于额定转速为3000rpm的电机，最大的角度滞后必定小于3000rpm×100μs＝1.8°，实际中完全可以满足电机解耦控制的需要。

具体实施方式二：参见图1，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述缓冲电路2由第一电容C1、第二电容C2、防雷管TVS1和共模扼流圈M1组成，防雷管TVS1并联在绝对式位置编码器1的SD+信号输出端和SD-信号输出端之间，第一电容C1并联在所述绝对式位置编码器1的SD+信号输出端和电源地之间，第二电容C2并联在所述绝对式位置编码器1的SD-信号输出端和电源地之间，共模扼流圈M1中的两个线圈分别串联在所述绝对式位置编码器1的SD+信号输出端、SD-信号输出端与匹配电路3的两个输入端之间。由于采用的RS485通信速率为2.5Mbps，加入共模扼流线圈M1能够增加通信的可靠性。

具体实施方式三：参见图1，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述匹配电路3由第一匹配电阻R1、第二匹配电阻R2和第三匹配电阻R3组成，第一匹配电阻R1并联在RS485接口芯片4的正输入端和电源Vcc之间，第二匹配电阻R2并联在RS485接口芯片4的正输入端和RS485接口芯片4的负输入端之间，所述第二匹配电阻R2的两端还分别与缓冲电路2的两个串行输出端连接，第三匹配电阻R3并联在RS485接口芯片4的负输入端和电源地之间。第二匹配电阻R2的阻值为120Ω，第一匹配电阻R1与第三匹配电阻R3的阻值都为1KΩ，能够减少信号反射。