省线式编码器串行总线接口的设计与实现_毕业设计(编辑修改稿)

省线式编码器串行总线接口的设计与实现_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

主要有旋转变压器，感应同步器、光电编码器、磁性编码器等元件。 ④ 电流反馈单元 电机电流直接反应出控制性能的好坏。 系统的信号处理部分一般都是低压电路，所以要求电流传感器具有很强的隔离性。 另外要求电流传感器具有高精度、灵敏度及良好静态及动态特性。 常采用是霍尔电流传感器，其利用霍尔效应制成检查电流 装置，能够测量各种波形的交直流电流，且输出电位是与系统相隔离。 伺服驱动系统的发展趋势 伴随着伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。 可以预见，随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服驱动系统、直线伺服驱动系统已经告诉电主轴等将成为数控机床行业的热点，并成为伺服系统的发展方向。 ① 全数字伺服驱动系统 所谓全数字伺服驱动系统是指将伺服驱动系统中的控制信息用数字量来处理。 随着数字信号微处理器速度的大幅度提 高，伺服驱动系统的信息处理课完全用软件来完成，这就是当前所说的“数字伺服”。 伺服驱动系统全数字化主要包括伺服驱动系统内部控制的数字化，伺服驱动系统到数控装置接口的数字化和测量单元的数字化 [4]。 伺服驱动系统所有的控制运算都是有内部的数字信号处理器（ DSP）完成的。 DSP 是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。 伺服驱动系统内部的三环控制在内部高速 DSP 的控制下，能充分实现伺服环路高响应、高性能、高可靠性和高速实时控制的要求。 采用现场总线的数字化控制接口是全数字伺服驱动装置实现高速、高精控制的 必要条件。 全数字伺服驱动系统可以采用以下新技术，通过计算机软件实现最优控制，达到同时满足高速度和高精度的要求。 ⑴ 前馈控制：引入前馈控制，实际上构成重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 7 了具有反馈和前馈复合控制的系统结构； ⑵ 预测控制：它通过预测机床伺服驱动系统的传递函数来调节输入控制量，以产生复合要求的输出； ⑶ 学习控制或重复控制：这种控制方法适合于周期性重复操作控制指令情况的加工，可以获得高速、高精度的效果。 [5][6] 本论文主要内容 本论文围 绕了全数字交流伺服系统，在吸收和借鉴国内外研究成果的基础上，深入研究省线式编码器接口技术，结合 Altera FPGA 芯片，设计了省式编码器串行总线接口系统的硬件和软件，实现了对编码器的通断电控制和对电机初始角度信息和电机增量位置信息的正确读取，并完成了对读取信息的处理以级按照编码器串行总线 协议输出的功能。 全文安排如下： 第一章绪论阐明了本课题研究背景和意义，并对数控系统、交流伺服驱动系统的组成和发展趋势做了介绍。 第二章论述了详细介绍了光电编码器原理以及省线式编码器的特点和作用。 最后介绍了码 盘接口技术和德国海德汉 Endat 协议。 第三章介绍了省线式编码器串行总线接口装置的硬件设计，介绍了该装置设计的主要思路和硬件总体结构，详细论述了几个主要模块的原理。 第四章介绍了省线式编码器串行总线接口装置的软件设计，主要是各个模块的设计思路和部分代码，以及仿真结果。 第五章对省线式编码器串行总线接口装置进行了实验测试和验证，给出了相关的测试结果。 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 编码器及其接口技术 8 2 编码器及其接口技术 位置检测装置有检测元件（传感器）和信号处理装置组成，用于检测运动部件的直线线位移或角位移并将其转变为电信 号，在反馈到位置控制调节器，以实现闭环或半闭环控制，使机床运动部件能跟随数控装置的运动指令信号精确移动。 闭环和半闭环进给伺服系统的控制精度依赖于位置检测装置。 数控机床对位置检测装置的主要要求有：可靠性高、抗干扰能力强；检测精度高、静态和动态响应速度快；使用、维护方便，适应数控机床的运行环境，成本底等。 表 位置检测装置的分类 [6] 类型 数字式 模拟式 增量式 绝对式 增量式 绝对式 回转型 增量式脉冲编码器 圆光栅 绝对式脉冲编码器 旋转编码器 圆感应同步器 圆磁尺 多极旋转变压器 三速 圆感应同步器 直线型 计量光栅 激光干涉仪 多通道透射光栅 直线感应编码器 光栅尺 三速直线感应同步器 绝对式磁栅尺 数控机床的位置检测装置类型很多如表 ，按检测信号的类型可分为数字式和模拟式两种；按检测量的基准可分为增量式和绝对式两种；按测量值的性质可分为直接测量式和间接测量式。 对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，应采用不同的检测方式。 光电编码器 目前常用位置传感器主要有旋转变压器，感应同步器、光电编码器、磁性编码器等元件。 旋转变压器，感应同步器是基于电磁感应原理的模 拟式位置传感器 它们的优点是可靠性和精度都比较好。 光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点，直接输出数字式电脉冲信号。 和光电编码器一样，磁性编码器也是由位移量变换成数字式脉冲信号的传感器，近年来发展相当迅速，已有磁敏电阻式、励磁磁环式、霍尔元件式等多种类型。 和光电编码器相比磁性编码器的突出优点是：适应环境能力强、不怕灰尘、油污和水雾，结构简单，坚固耐用，响应速度快，寿命长；不足之处是很难做出高分辨率的产品。 光电编码器重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 编码器及其接口技术 9 是现 代数字式伺服系统主要采用的位置传感器，本课题采用位置传感器是光电编码器。 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器 , 主要用于速度或位置（角度）的检测。 光电编码器由光栅码盘、检测光栅、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成 [7]。 一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。 按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。 由于直线式运动可以借助机械连接转变为旋转式运动，反之亦然。 因此，只有 在那些结构形式和运动方式都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。 旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用，在本文中主要针对旋转式光电编码器。 增量式光电编码器 增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图。 码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有 A、 B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间 的光线。 它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开 1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差 90度电度角。 图 图 增量式光电编码器输出信号波形 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 编码器及其接口技术 10 当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差 90176。 电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。 增量式光电编码器输出信号波形如图 所示。 增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。 它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。 一般来说，增量式光电编码器输出 A、 B 两相互差 90176。 电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。 同时还有用作参考零位的 Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。 标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。 增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几 万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。 其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息 [8]。 绝对式光电编码器 绝对式光电编码器的基本原理及组成部件与增量式光电编码器基本相同，也是由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图 所示。 与增量式光电编码器不同的是，绝对式光电编码器用不同的数码来分别指示每个不同的增量位置，它是一种直接输出数字量的传感器。 在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系 ，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元图 绝对式光电编码器组成 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 编码器及其接口技术 11 件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。 这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。 显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。 绝对式光电编码器是利用自然二进制、循环二进制（格雷码）、二 十进制等方式进行光电转换的。 绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于圆盘上透光 、不透光的线条图形，绝对光电编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。 它的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失；编码器的精度取决于位数；但是绝对式光电编码器体积、重量都较大，并且造价昂贵。 省线式编码器 省线式编码器是增量式光电编码器中的一种。 一般伺服电机的增量式编码器共有六路信号线（ U、 V、 W、 A、 B、 Z）， U、 V、 W 是互差 120 度的电机换相信号，它们各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致。 为了达到矢量控制的目的，使交流伺服电机定子绕组 产生的电磁场始终正交于转子永磁场，获得最佳的出力效果，因此伺服电机上电时需要读取电机的相位信息 U、 V、 W，用于确定伺服电机磁性，在读取了 U、 V、 W 信号后，可使用 A、 B、 Z 信号对伺服电机进行控制。 所以，所谓省线式编码器就是在上电时输出 U、 V、 W 信号后，经过一定的时间再切换输出 A、 B、 Z 信号（信号线复合使用）。 采用省线式输出方式，使编码器的信号输出线减少一半，方便了用户的接线 ，这样可以简化结构、节约成本。 本设计使用的是华大新型电机科技公司的 80STM01330LF1B 伺服电机中的省线式编码器。 编码器 信号的细分技术 随着数控机床对角度和长度进行高精度检测的需要，人们对光电编码器的分辨率和精度，提出了越来越高的要求。 目前国内所用的光栅的角节距大多在 20″以上，而测角系统的分辨率往往要求达到 0． 1″甚至 0． O1″。 因而单纯靠机械制造上刻划更细的光栅来提高光电轴角编码器的分辨率是很难在实现的。 主要的原因有：第一，受到加工工艺的限制，光栅栅距不可能无限制的缩小。 第二，受到光源波长所规定的物理限制。 因此，必须采用莫尔条纹细分技术来提高光栅系统的精度和分辨率 [9]。 莫尔条纹的细分方法分为光学细分、机械细分和电子学 细分三大类。 其中电子学细分方法具有读数快，易于实现测量和数据处理过程的自动化，并能用于动态测量等优点，因而得到了广泛的应用。 电子细分方法又可分为鉴幅细分和鉴相细分两种。 鉴幅细分又分为矢量运算细分、倍频关系细分、串联移相电阻链细分重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 编码器及其接口技术 12 和幅度分割细分等。 鉴相细分是通过信号的相位差来模拟光栅系统的位移，然后对信号的相位差进行细分的 编码器接口技术 编码器与电机或控制系统的信号传输可以采用并行或串行两种方式。 信号采用并行传输方式时，每位数据需要一根数据线。 因此，并行传输仅适用于短距离传输和特殊要求的场 合。 采用串行传输时，所有的数据信息通过编码方式、利用一根数据线实现数据传送。 串行传输方式数据线少、成本低、传输距离远、数据安全可靠，适用于远距离和高精密传输的场合。 串行传输又分为单工通信、半双工通信和全双工通信，以及同步串行通信和异步串行通信。 增量式编码器的数据传输多以并行传输为主，而绝对式编码器的数据输出多以同步串行传输方式为主。 高档数控机床要求位置检测装置具有很高的检测精度和分辨率，并实现绝对式位置检测。 绝对式编码器利用大规模现场课编程门阵列（ FPGA）作为协议解释及通信控制电路，通过改变通信的核心模 块程序，。