（检测技术与自动化装置专业论文）高分辨率、智能化磁性旋转编码器研究与应用.pdf

桂林3 - 学院硕士学位论文 摘要 巨型罐体在焊接过程中，由于其形状的特殊性和焊缝的不规则性，必须驱动罐体旋转并 与焊枪的移动紧密协调一致，才能保证焊接的质量。因此，作为罐体运动的驱动装置，焊接 滚轮架的控制显得十分重要。它需要快速地完成罐体从一种运动状态到另一种运动状态的转 换，因而对检测该装置状态的传感器有了更高的要求。且前市场上大多数测速传感器均不符 合这种特殊要求。对此本课题组提出了对具有g m r ( g i a n tm a g n e t or e s i s t i v e ，巨磁阻) 拾 取信号的磁性旋转编码器输出信号进行细分的思路，设计出高分辨率的智能型电路，并将该 电路集成到编码器中，从而实现磁性旋转编码器的智能化和小型化。通过研究，本文取得了 以下成果： 1 、研制出适用于焊接滚轮架测控的高分辨率、智能化磁性旋转编码器，即巨磁传感器及 巨磁传感器测速机构，申请了发明专利( 申请号：2 0 0 7 1 0 0 4 8 4 6 7 3 ) 和实用新型( 申请号： 2 0 0 7 2 0 0 7 8 5 3 4 1 ) 。 2 、本文根据项目的具体技术要求，充分利用c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ， 复杂可编程逻辑器件) 数字资源丰富、工作频率高的特点，开发出专用微处理器，并与锁相 环4 0 4 6 构建出智能信号相位细分电路。从而大大减少了分立元器件数目，实现了电路微型化。 3 、软件设计方面，使用了v h d l ( v e r y h i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，超高速集成电路硬件描述语言) 和有限状态机相结合的设计方法， 这种设计方法可以充分发挥高速运算和控制方面的优势，提高系统的整体实时性和可靠性。 实验及理论分析结果表明：本智能传感器性能优良，实时性高，系统稳定。当旋转速度 为0 5 转分时，输出的脉冲数达1 6 0 0 万个脉冲圈，误差小于0 3 ；高速时( 5 0 0 0 转分) ， 输出的脉冲数达1 6 0 0 0 个脉冲圈，优于系统设计要求。 关键词：高分辨率，智能传感器，巨磁阻，c p l d ，有限状态机 桂林3 - 学院硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h ew e l d i n go fg i a n ts t e e lc o n t a i n e r ，b e c a u s eo fi t ss p e c i a ls h a p ea n d i r r e g u l a rw e l d i n gl i n e ，t h er o t a t i o no ft h ec o n t a i n e rm u s tb ec l o s e l yc o o r d i n a t e d w i t ht h em o v e m e n to ft h e w e l d i n g t o r c hi no r d e rt o g u a r a n t e ew e l d i n g q u a l i t y t h e r e f o r e ，a st h ed e v i c eo fd r i v i n gt h ec o n t a i n e r ，w e l d i n gt u r n i n gr o l l s sc o n t r o li se s p e c i a l l yi m p o r t a n t i ts h o u l db ea b l et om a k et h ec o n t a i n e ra c c o m p l i s h t h ec h a n g eo fo n er u n n i n gs t a t et oa n o t h e rr a p i d l y ，w h i c hr e s u l t si nh i g hq u a l i t y o ft h es e n s o rf o rd e t e c t i n gt h es t a t eo fs u c hd e v i c e b u ts e n s o r sc u r r e n t l yo nt h e m a r k e td on o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h o s es p e c i a lr e q u i r e m e n t s o u rr e s e a r c ht e a m p u tf o r w a r dt h ei d e ao fs u b d i v i d i n gt h eo u t p u ts i g n a lo fm a g n e t i cr o t a r ye n c o d e rw h i c h h a ss e l e c t e ds i g n a l so fg m r ，a n dh a sd e s i g n e do u ti n t e l l i g e n tc i r c u i to fh i g h r e s o l u t i o n m o r e o v e r ，t h ec i r c u i th a sb e e ni n t e g r a t e di n t ot h ee n c o d e rw h i c hr e a l i z e s t h em i n i a t u r i z a t i o na n d i n t e l l i g e n t i z a t i o nt h r o u g ho u rr e s e a r c h ， s e v e r a l c o n s t r u c t i v er e s u l t sh a v eb e e ng o ta sf o l l o w s ： 1 t h em a g n e t i cr o t a r ye n c o d e rw i t hh i g nr e s o l u t i o na i m i n ga tm e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gt h ew e l d i n gt u r n i n gr o l l sh a sb e e nd e s i g n e d ，a n da l s ot h ei n v e n t o r 7 s a n d t h eu t i l i t ym o d e l sp a t e n th a sb e e na p p l l e df o r ( p a t e n ta p p l i c a t i o n n o 2 0 0 7 1 0 0 4 8 4 6 7 3a n dn o 2 0 0 7 2 0 0 7 8 5 3 4 1 ) 2 a c c o r d i n gt os p e c i f i ct e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，t h ep a p e r m a k e s f u l lu s eo fh i g h f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sb e l o n g i n gt oc p l d w h i c hi sa s oa b u n d a n t i nr e s o u r c e s t h es p e c i a lm i c r o p r o c e s s o rh a sb e e nd e s i g n e do u ta n dd e v e l o p e di n t ot h e i n t e l l i g e n ts i g n a l s u b d i v i d i n gc i r c u i tw i t hp l l 4 0 4 6 t h e r e b yt h ea m o u n to fd i s c r e t e c o m p o n e n t sr e d u c e sa n dt h em i n i a t u r i z a t i o no fc i r c u i ti sr e a l i z e d 3 i nt h ea r e ao fs o f t w a r ed e s i g n ，t h ec o m b i n a t i o no fv h d ll a n g u a g ea n df i n i t e s t a t em a c h i n ei sa d o p t e d t h ea d v a n t a g eo fh i g h s p e e dc o m p u t i n ga n dc o n t r o lh a sb e e n t a k e ns o a st oi m p r o v er e a l t i m ec a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m t h ee x p e r i e n t a t i d na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w s ：t h ei n t e l l i g e n ts e n s o ri s e x c e l l e n ti nc a p a b i l i t y w h e nt h er o t a t i o nr a t ei so f0 5r p m ，t h eo u t p u tp u l s er e a c h e s 1 6m i l l i o np u l s e sp e rc i r c l e ：t h eo n l ye r r o ri sl e s st h a n0 3 w h i l et h er a t ei s u pt o5 0 0 0r p m , t h ep u l s eo u t p u ti s1 6 0 0 0p u l s e sp e rc i r c l e ，w h i c hi sb e t t e rt h a n t h ep r e d e t e r m i n e dg o a l so ft h es y s t e md e s i g n k e y w o r d s ：h i g hr e s o l u t i o n ，i n t e l l i g e n ts e n s o r ，g m r ，c p l d ，f s m 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在朱名日教授指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的 完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：兰耋垒 签字日期：垃厶：2 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交 学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前 提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ：三茎笙 指导教师签字： 垒左! 签字日期：之竺乒韭 桂林工学院硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 随着焊接技术的快速发展，焊接工业的自动化、智能化的呼声日益增高。电子技术、计算 机技术、数控和机器人技术及传感器技术被广泛应用于焊接工业中，以保证焊接质量，降低生 产成本，提高生产效率，改善劳动条件。其中焊接机器人在焊接工业的自动化、智能化中扮演 了重要角色。而焊接机器人性能的优劣很大程度上取决于所采用的传感器的技术水平。因此传 感器在焊接工业中的关键技术之一。 焊接机器人一般由以下几部分组成：机器人操作机、焊接变位机械、控制器、焊接系统( 专 用焊接电源、焊枪或焊钳等) 、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等“1 。 焊接变位机械是通过改变焊件、焊机( 或焊钳) 、焊点的位置，为操作机提供有利的施焊条 件，从而完成机械化、自动化焊接各种机械的设备。焊接变位机披分为三大类：焊件变位机械、 焊机变位机械( 即焊接操作机) 、焊工变位机械( 即焊工升降台) 。1 。 能够根据工艺需要，灵活改变焊件空间位向或位置，为操作创造有利施焊条件的机械统称 为焊件变位机械。针对本课题研究对象为巨型铁质罐体，采用焊接滚轮架来改变待焊罐体的空 间位置，增强焊枪( 即机器人操作机) 的可达性。 焊接滚轮架是借助主动滚轮与工件之间的摩擦力带动筒形工件旋转的焊件变位机械装置。 广泛应用于锅炉、压力容器行业中简体的装配与焊接。 由于加工工件在进行切割时，很难保证其切口达到焊接理想中的“v ”型，因此两个焊接工 件连接形成的焊缝必定是不规则的。这对焊接机器人提出了更高的要求，另外为了减少机器人 操作机的工作量，将由焊接滚轮架分担部分任务。在对非“v ”型焊缝( 即任意型焊缝) 进行施 焊时，由于焊缝的宽度不一样，焊接滚轮架根据机器人操作机识别焊缝的实际情况进行相应地 动作：焊缝宽时，焊接滚轮架旋转速度快；反之亦然。因此，焊接滚轮架需要一个合适的传感 器对其旋转的速度进行实时检测，同时该传感器必须满足滚轮架的工作环境要求一- n 处充斥 着飞溅、粉尘、腐蚀性气体，机械震动等恶劣环境。在测速方面，市面上很多旋转传感器都能 满足要求，但是在低速工作时，其输出的信号量很少，会导致电机控制器不能很好的控制电机 旋转。为此，本论文研制了高分辨率、智能化磁性旋转编码器，在技术上和适应环境要求上都 能满足了焊接滚轮架的技术要求。 1 1 1 旋转传感器的现状 为了检测或控制旋转的物理量( 如转速、角度、位置等) ，必须使用旋转传感器。 目前广泛使用的旋转传感器主要有“： 桂林工学院硕士学位论文 l 、圆光栅：圆光栅是角度测量的主要器件之，对于高准确度、高分辨力的角度测量来说， 产生能够细分的原始信号是十分重要的。利用圆光栅莫尔条纹现象产生的正弦波信号中各次谐 波的成分很小。圆光栅测角技术已有广泛的应用，如光栅刻度机、光栅编码器、光栅度盘检查 仪和光栅分度头等。 2 、旋转变压器：对环境要求较低，有标准系列，性能稳定，但对磁干扰敏感，准确度不高， 一般为角分数量级，同时还有线性范围小、解码复杂等缺点； 3 、感应同步器：准确度高，易于数字化，能动态测量，结构简单，对环境要求较低，但电 路较复杂； 4 、磁栅系统：结构简单，易于数字化，录磁方便，成本低，但需要磁屏蔽； 5 、光电旋转编码器：准确度高，易于数字化，能动态测量，但对环境要求较高，目前使用 的编码器中光电编码器约占9 0 ； 6 、磁性旋转编码器：结构简单，安装方便，成本低功耗低，使用寿命长，准确度高，易于 数字化等。 1 1 2 几种主流旋转编码器的优缺点分析 1 1 2 1 增量位置编码器 增量位置编码器脚由位置待定元件驱动的直尺或低惯性圆盘组成，直尺或圆盘包含了对位置 待定元件加以区分的特性的两类区域或区段，而且这些区域还以重复的图案进行排列( 如图 1 1 ) 。当位置的增量增加等于节距的二倍时，由固定头或固定计数器对该特性进行检测能给出 确定的输出变化。 图1 1 增量位置编码器示意图 这种检测方法简便而经济，但也有其缺点。1 、在断电或在刚一通电之后便丢失位置信息， 同时也处于强干扰之下。2 、为了获得与计算机输入一一输出外围设备兼容的数字输出，需要使 用双向计数器。3 、要检测移动方向，必需添加辅助部件。 1 1 2 2 绝对位置编码器 绝对位置编码器“1 相对于内部参考能给出与可动单元、标尺或圆盘的每个可分辨位置相对应 2 桂林工学院硕士学位论文 的唯一数字输出。可动单元由具有明显特性并用二进制值0 或l 表示区域构成。但是，与增量 编码器不同，它们的编码带排列可以使计算读写系统直接得到每个位置相对应的编码数( 图 1 2 ) 。每个编码带对应于一个输出位，最靠近转动轴的编码带对应于最高有效位。 ) 图1 2 绝对位置编码器 绝对位置编码器在中断和电磁干扰方面具有固定的误差值，并且不会累积差错。由此形成 的反馈系统在启动、断电或程序执行期间都不需要自动引导步骤。所付出的代价是计算读写系 统比增量编码器更加复杂。这是因为绝对编码器需要与编码带同样多的计数单元，它们还必须 完全对准，否则，在从一个位置变化到邻近位置时，输出代码可能被混淆，所得到的代码可能 与实际位置的代码完全不同。 1 1 2 3 光电旋转编码器 光电旋转编码器。1 采用不透明区和透明区、反射区和非反射区以及干涉条纹。无论在哪种情 况下，固定计数头都包括一个光源和一个光电探测器。图1 3 为一种光电编码器的结构示意图。 发光二极管作为光源，该光源通过透镜变成平行光，平行光透过光栅盘后，由探测部分对光信 号进行检测，就可以得到所需要信息。 透镜 比 翌i 毡* * 一 气 光电二极管 一 苞 眵 言道 z 凑 _ 在 轸 言道 - 主要处理电路 s 发射部分 光栅盘探测部分 图1 3 光电编码器示意图 3 桂林工学院硕士学位论文 光电旋转编码器是非接触式编码器，仍然存在一些明显的缺点：1 、对射式光电传感器容易 会被码盘上的遮光线和空隔触发；2 、容易受灰尘和污物颗粒的影响；3 、容易受温度影响，会 阻塞码盘；4 、红外l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，发光二极管) 的使用寿命有限。 1 1 2 4 磁性旋转编码器 磁性旋转编码器9 m 1 的结构示意图1 4 ，从图中可以看出，磁性旋转编码器主要由磁鼓、磁 阻传感器及信号处理电路三部分组成。磁鼓通过在圆形铝鼓的外缘涂敷一层磁性材料层( 通常为 铁氧体材料) 制备而成，制成的磁鼓需要经过磁化才能使用；磁阻传感器通过磁电阻效应感应磁 鼓旋转时产生的空间漏磁场，磁电阻效应是磁旋转编码器得以工作的物理机理，信号处理电路 将得到的模拟电压信号进行处理，变换成计算机可以识别的数字量输出。磁性旋转编码器的工 作原理为：被磁化的磁鼓旋转时，在空间产生周期性变化的磁场，在一定的间距上，这个磁场 的y 方向分量在每个磁极的正上方位置，它的值为零；在相邻磁极的正中位置，它的值为最大。 探头 图1 4 磁性旋转编码器结构图 磁鼓旋转时磁阻元件由于具有磁电阻效应，它的阻值会随着磁场的变化而发生变化，桥式 电路的输出也就随之发生周期性的变化，桥式电路的输出信号和磁鼓的旋转是紧密相联，磁鼓 每旋转一个磁化长度，磁场变化半周，信号输出则变化一个周期，因此磁鼓上磁极对的数量和 输出信号的周期数在旋转一周时是相等的。通过测定输出信号的周期数或周期时间就可以知道 磁鼓的位置和旋转速度等物理量，从而实现磁性旋转编码器的测量和计数功能。 磁性旋转编码器的优点：1 、由于所用的磁敏电阻高频特性好，所以响应速度快( 达 5 0 0 k 一7 0 0 k h z ) ；2 、耐环境性能好，不怕油、灰尘，可在气温变化激烈的地方使用，可靠性高； 3 、由于不用发光二极管，所以使用寿命长，耗电少；4 、基本部件少，结构简单，适于大规模 生产，价格便宜；5 、耐振动性、抗冲击性好。 综上所述：在分析几种主流旋转编码器的优缺点的基础上，结合本课题的实际情况，本文 选用磁性旋转编码器作为焊接滚轮架的实时检测传感器。 1 1 3 磁性旋转编码器国内外发展趋势 磁性旋转编码器是近几年发展起来的一种新型电磁敏感元件，它是随着光电旋转编码器的 4 桂林工学院硕士学位论文 发展而发展起来的。虽然磁性旋转编码器具有上述优点，但它也有不足的地方：比起光电旋转 编码器，分辨力不高；在同等大小的尺寸条件下，光电旋转编码器的分辨力要比磁性旋转编码 器高。这是因为激光光栅可以做的很细( 比如2 u r n ) ，而磁性旋转编码器的磁栅则不能。主要是 因为如果磁栅做得与光栅一样大小时，磁场的感应强度会变缛很弱，在非接触状态下磁敏感器 很难检测出这样微弱的信号。所以磁性旋转编码器的码盘的直径一定要做得很大才能达到要求， 这样做无疑中增加了生产成本，也达不到市场对传感器小型化的要求。 以往的磁性旋转编码器多为小型、分辨力低、价格低的产品，随着分辨力提高，编码器的 成本和价格也随之剧增。当前国内外对于磁性旋转编码器的研究也主要集中在提高编码器的分 辨力上。采用新材料、新工艺等新技术，在等同的直径下，更大地细分码盘，制作出更细的磁 栅。但是由于各方面的条件限制，磁性旋转编码器的发展仍然较为缓慢。从工程角度看低分辨 力磁性旋转编码器仍大有用武之地，关键则在于在不改变其分辨力的基础上如何大幅度的提高 编码器的分辨率。在编码器中加上外围电路对其信号进行处理，可以运用硬件细分或者软件细 分，简单地提高分辨率。 中国科学院上海冶金研究所、华中科技大学、北京科技大学等单位在这一领域做了大量的 研究工作。国外以日本的研究占有绝对的优势，一些公司先后研制出1 0 0 1 0 2 4 p r 的增量型磁 性旋转编码器，6 4 0 0 0 p r 的带温度补偿回路和电路细分的正弦波磁性旋转编码器，以及1 0 0 万 p r 的高分辨率磁性旋转编码器“”。日本不仅在磁性旋转编码器上占有优势，在光电旋转编码器 同样也占有优势，以尼康公司2 h r 3 2 4 0 0 轴角编码器为代表。它每旋一周可输出1 2 9 6 万个脉冲， 可谓是日本最高的分辨率。它是将3 2 4 0 0 对线的光栅盘用该公司独自开发的相位调制细分方式， 进行4 0 0 细分的结果“”。 随着高性能计算机测控系统的发展，传统传感器越来越难以满足要求，特别是当系统发展 到基于现场总线的分布式测量和控制系统，对传感器提出数字化、智能化的要求后，传统传感 器己不再能与系统相适应n “。 磁性旋转编码器和控制微型计算机一体化，有利于简化控制系统结构、减少元件数和占空 体积，这是编码器应用和控制系统发展的方向。日本希柯技术研究所已制成这种使用磁性旋转 编码器的体化超声波伺服电动机，并已投入批量生产。有关专家预测，尽管目前约占9 0 的编 码器均为光电旋转编码器，随着小型化、高分辨率、高可靠性呼声的日益增高，磁性旋转编码 器的应用市场将进一步扩大“3 】 “1 。 1 1 4 前人在磁性编码器研究领域中的工作成果简述 1 北京科技大学的张明波，提出采用单片机5 1 系列芯片，通过1 2 位 o 同时采集正弦信号 和余弦信号，再进行软件细分1 0 0 0 份，提高磁性旋转编码器的分辨率。但是，他所使用的采样 保持器a d 5 8 2 捕捉时间为2 5 u s ，而a o 转换是a d 5 7 4 ，其转换时间为2 5 u s ，同时加上程序在 5 1 系列芯片的运行时间，这就会大大的影响编码器的实时性。 2 华中科技大学的廖红伟，提出选用逻辑元件做成4 倍频的磁性旋转编码器，实现了编码器 5 桂林工学院硕士学位论文 的实时性，但其分辨率不高。 3 雅马哈公司研制开发的y r e 一2 0 0 系列磁性旋转编码器，其分辨率高达6 1 4 4 0 0p r ( 由1 5 0 ) 和1 0 4 8 5 7 6 p r ( 巾2 2 0 ) 。 4 本课题组研制的磁性旋转编码器，该编码器未采取细分措施时，其分辨率为1 6 0 0 p r 。 1 2 课题来源 本课题来源于广西壮族自治区科学技术厅委托的科技攻关课题磁性编码器电路制备技 术研究( 桂科攻0 2 2 8 0 2 0 3 ) 和特种罐体焊接机人工智能多维控制系统研究( 桂科攻0 4 2 8 0 0 7 9 ) 。 1 3 课题的设计要求 1 当跟编码器连动的电机旋转1 转分时，误差不大于0 5 ，分辨率达1 5 0 0 万p r ( 8 6 4 l o 。3 秒) ； 2 当电机旋转1 0 0 0 转分时，误差不大于0 5 ，分辨率达1 5 0 0 0 0 p r ( 8 6 4 秒) ： 3 当电机旋转5 0 0 0 转分时，误差不大于0 5 ，分辨率达1 5 0 0 0p r ( 8 6 4 秒) ； 4 正反转指示； 5 根据转速的快慢，智能化地变换分辨率，以满足控制系统宽调速要求。 6 提高磁性编码器输出信号的分辨率，更能稳定地控制执行电机运转。 1 4 论文结构 本论文共由六章组成，具体安排如下： 第1 章，首先介绍本课题的研究背景及研究的重要意义，其中对几种主流旋转编码器进行 比较分析，确定本论文的研究对象一一磁性旋转编码器；再给出本智能传感器的设计要求；最 后对论文的结构安排做了必要的说明。 ，| 第2 章，首先对课题的技术指标进行系统地分析；然后分别对实现高分辨率和智能化的方 法进行比较，接下来确定高分辨率、智能化磁性旋转编码器的设计方案；最后对构成智能化编 码器内核的c p l d 以及锁相环技术进行简单的论述。 第3 章，介绍系统硬件的设计方案，选择e p m 7 1 6 0 s t c i o o i o 和m c 7 4 h c 4 0 4 6 a 作为本系统的 核心器件，并简单分析了该方案的优点；然后详细阐述各个模块硬件的设计思路、实现及调试 方法；最后针对本传感器的工作环境恶劣的特点，进行了抗干扰设计。 第4 章，软件系统设计。首先介绍编程语言和编程工具，对算法状态机进行论述；然后采 用v h d l 语言实现本系统的各个任务，核心模块采用由有限状态机实现的内部指令来控制磁性旋 转编码器智能化的实现；最后对系统进行了硬件和软件的综合优化。 6 桂林工学院硕士学位论文 = ! ! = ：! ! = = = = = = = ! = = = = = = ! ! = _ ? ! = ，= = ! ! ! l = = = ! _ = = = = = = ! 。= = ! ： 第5 章，实验数据及应用。根据模拟操作和实际操作相结合的原则，设计了测试该平台性 能的实验环境和实验步骤，分别验证4 0 4 6 外围参数和的细分算法正确性。对实验数据进行误差 分析，有效减小误差。实验数据表明，该平台检测性能优于设计指标，验证了该磁性旋转编码 器设计的合理性和正确性。最后简要论述其在焊接滚轮架中的应用。 第6 章，总结全文的工作，并提出了对下一阶段工作的展望。 7 桂林工学院硕士学位论文 第2 章高分辨 2 1 技术指标分析 率、智能化磁性旋转编码器的设计需求分析 根据项目的设计要求，经过综合分析得出以下几点： l 、由于编码器是被用于焊接滚轮架中，而焊接滚轮架的工作环境十分恶劣，到处充斥着飞 溅、粉尘，腐蚀性气体，同时机械震动也会影响编码器的使用，因此磁性旋转编码器是最优的 选择。 2 、焊接滚轮架是配合机器人操作机焊枪使用的，这样做可以增强焊枪的可达性。另外，在 对不规则焊缝进行施焊时，焊缝宽，则焊接滚轮架旋转速度必须加快，跟上焊枪运动；反之亦 然。因此需要旋转编码器在低速旋转时，必须输出更多的脉冲数来满足电机控制器对控制量的 需求，以便更加稳定地控制焊接滚轮架的电机旋转。但是目前的磁性旋转编码器的分辨率不高， 不能完全满足系统要求，必须对其输出信号进行相位细分，提高磁性旋转编码器的分辨率。 3 、由于系统需要在宽范围的速度间进行适当变速，以达到电机的无极调速，因此编码器必 须能智能地改变分辨率。 2 2 高分辨率性能的实现方法比较 通过对信号相位的细分，可以实现高分辨率。信号相位的细分一般分为硬件方法和利用微 机实现的软件细分方法两大类。采用硬件细分方法时，系统的响应速度快，但是细分数一般不 可能很高；利用微机实现的软件细分可以实现较高的分辨率，但系统的实时性较差。 2 2 1 硬件细分方法 硬件细分方法包括直接细分、电桥细分与电阻链细分、相位调制细分和锁相细分。 1 、直接细分：又称四倍频细分。其基本原理是通过传感器获得两路相位依次相差9 0 。的正 弦信号，利用四个过零比较器( 或微分电路) 即可得到四个相位依次相差4 5 。的脉冲信号。直 接细分法对于传感器无附加的要求，电路也不复杂，但实现的细分数不可能很高。 2 、电桥细分与电阻链细分：电桥细分的原理图如图2 1 所示，图中c ，c 和u 。对应于正弦信 号和余弦信号。r ，凡为负载电阻。当电桥处于平衡时，可得公式 s i n 口一r 1 一面一面 公式( 2 1 ) 选取不同的r 1 r 2 值，就可以得到不同的0 值，获得要求的细分。电桥细分需要从输入信 号中消耗一定的功率，细分数越大，消耗的功率也越大。因而细分数就会受到相应的限制，另 外电桥细分对细分信号的波形、幅值和正交性都有严格的要求，否则会带来测量结果的误差。 8 桂林工学院硕士学位论文 图2 1 电桥细分原理图 电阻链细分的电路原理图如图2 2 所示。 图2 。2 电阻链细分电路原理图 由图2 2 可以看出，当u o 。输出电压为零时，有下式成立 s i n 0 一r t + r 2 + + 心一1 一c o s g 一瓦了瓦= -公式( 2 2 ) 由公式( 2 2 ) 可以看出电阻链细分本质上也是电桥细分，因为电阻链细分是一个分压的关 系，所以从传感器中取得的功率较小，但由于电阻阻值的调整比较困难，因此细分数也不可能 做得很高。 3 、相位调制细分：其基本原理是按照三角函数中两角和的公式来模拟实现的。 s i n ( o t c o s 臼+ c o s ( o t s i n p = s i n ( t o t + p )公式( 2 3 ) 从加法器中得到s i i l ( 耐+ 印信号与基准信号s i n w t 进行相位比较，就可以得到反映位移的相 位角0 ，用代表该0 角的方波的前后沿控制时钟脉冲的通过。通过的时钟脉冲即为计数脉冲。 这种方法可以获得较高的细分数，通常为2 0 0 1 0 0 0 。但相位调制细分法对运动的匀速性要求较 高。该方法要求调制信号的频率远远高于传感器输出信号的频率。否则，在动态测量时，容易 引入误差。并且该方法对电路中的滤波器设计有一定的要求。 4 、锁相细分法：锁相细分法的原理是将分频器的输出信号与传感器的输出信号通过鉴相器 处理后，控制压控振荡器输出信号的频率，压控振荡器的输出即为所需的倍频信号。由于压控 振荡器输出信号的频率为传感器信号频率的n 倍，因此必须通过一个n 倍的分频器分频后才能 送入鉴相器。 锁相细分法可以达到较高的细分数，但当细分数较大时，采用硬件细分方法系统的硬件电 桂林工学院硕士学位论文 路就会变得比较复杂。 2 2 2 利用微机实现的软件细分技术 随着微机技术的发展，利用微型计算机通过数字计算进行细分的方法开始出现。利用微机 实现的软件细分的技术从原理上可以分为以下两类“”： i 、时钟脉冲细分技术：其利用微机的时钟脉冲作为细分的依据。其原理如图2 3 所示。 l u j l u j 山山l u j l u j l u j l u j l u j l u j l u j l u j l u j l u j l u j l u j 叫u 图2 3 时钟脉冲细分方法原理图 此方法是将位移信号的细分转化为计时的方法，在信号的位移区间内填入微机时钟脉冲信 号，根据所填的时钟脉冲数目就可以确定出要求的位移x 。由于微机时钟脉冲 频率一般很高，所以可以实现较高的分辨率。并且时钟脉冲细分技术可通过改变时钟频率或分 频数很方便地改变分辨率，大大简化了硬件电路，避免了硬件电路中各种干扰带来的影响，保 证测量结果的稳定和可靠。然而由于速度误差和信号相位误差的存在，时钟脉冲细分技术的应 用范围受到相应的限制。 2 、量化细分技术：量化细分原理如图2 4 所示。 9 0 。信号 0 。信号 、 ， - ， ， 、厂 、 ，。 ，、，、 p ， 、 ， 、 ， ， 、 、 ， 。 o1 02 0 3 0 4 05 06 0 7 0 图2 4 量化细分原理图 通过传感器输出两路正交的正弦信号，首先将一路信号经放大整形后得到方波信号，计算 机对方波信号的脉冲沿进行计数。同时将两路正弦信号进行a d 转换，根据两路信号的正负和 大小，将一个信号周期细分八个相位区间，再根据两路信号的绝对值查表确定细分数。将两路 正弦信号的过零点及它们绝对值相等的点为分界点，将信号的一个周期分为8 个各占4 5 0 相位角 的区域，并将八个区域的基数根据细分数的要求选取合适的值。在每个4 5 0 的区域内，根据两路 信号绝对值的商插表得到进一步的细分数。将区域基数与区域内细分值合并便可得到总细分数。 1 0 桂林3 - 学院硕士学位论文 量化细分的倍频数可根据a d 的位数设定。 2 2 3 实现高分辨率陛能方案的确定 分析硬件细分和利用微机实现的软件细分各自的优点，本课题最后采用软硬件相结合的细 分技术。该技术是在硬件细分方法的基础上，引入微型计算机以简化电路结构，并提高系统的 数据处理能力。在采用微机后，电路结构可以大大简化，而且还可以增强数据处理功能，如用 软件代替速度判别电路。硬件细分由锁相环4 0 4 6 完成。 2 3 智能化性能的实现方法比较 2 3 1 芯片选型 针对系统的设计要求和应用环境的实际情况，要选择合适的微处理器来实现智能控制以及 智能化的细分。以下就几种设计方案进行比较，选择最优的方案。 1 5 l 单片机 以单片机5 1 系列芯片“”作为处理主件，通过a d 芯片同时采集正弦信号和余弦信号，再进 行软件细分。这是通过软件细分来提高磁性编码器的分辨率。软件可以在不增加外围元件的情 况下，完成细分过程。这依赖于处理器的运算速度以及所采用的a d 芯片的捕捉时间和转换时 间。这将大大的影响编码器的实时性。 2 a 跚( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 系列芯片 使用a r m 系列芯片“”，在程序运行处理上，时间大大的减少了，提高了时效性。例如a r m 9 系列微处理器的主频最高可达3 0 0 m i p s ( m i l l i ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ，兆指令每秒) 。但 从另一方面来说，因a r m 系列芯片的生产商都是把其做成通用的芯片，集成片内外围电路，如 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 接口、i i s 集成音频接口、l c d 控制器、键盘接 口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协处理器等。这样一来，芯片的体积大，从而电路板必然也很大，就 不能实现小型化了；同时集成了那么多不属于本系统要求范围内的多余电路，也造成了资源浪 费。 3 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，数字信号处理) 系列芯片 d s p 芯片“”，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片的内部采用 程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水操作，提供特殊的d s p 指 令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。像t i ( 德州仪器) 公司生产的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列产品，是针对电机控制方面的芯片，提供了两路正交编码脉冲输入端口，这为本系统设计 要求的实现提供了比较好的选择。但是d s p 具有相对多余的控制端口、体积大、价格高等原因， 不适合本系统的设计要求。 4 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) 1 1 桂林工学院硕士学位论文 = ! = = ! ! = = = ! = = = ! ! = = = = = = ! = = = ! = ! = ! = = = = ! = = = ! ! = = = = = = = = = = f p g a 既集成了a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t s ，专用集成电路) “” 的大规模、高集成度、高可靠性、体积小、价格低等优点，又克服a s i c 设计周期长、投资大、 灵活性差等缺点，逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选。f p g a 逻辑单元是小单元，其输 入变量数通常只有几个，因而采用查表结构，即p r o m 形式，每个单元只有一个或两个触发器。 但是它是基于s r a m 的器件，即在工作前需要从芯片外部加载配置数据，才能正常工作。此外， 由于它是通过s r a m 来配置数据，那么数据建立的时间就不能确定，引脚到引脚的延时时间也就 不固定了，这对于实时性要求很高的编码器来说，不是很好的选择。 5 c p l d c p l d 是从p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ，可编程逻辑器件) 。”发展过来的，和f p g a 同属于可编程器件，可支持在线编写程序。因c p l d 采用e p r o m ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l er o m ， 可编程擦除存储器) 、e e r o m ( e l e c t r i c a le r a s a b l er o m ，电气擦写存储器) 和f l a s h 工艺，故 可以反复编程。它们一经编程，片内逻辑就被固定了，如果数据改变就要进行重新擦写。另外 c p l d 的传输速度高，引脚到引脚的传输时间基本在l o n s 以下。由于c p l d 产生的延时是固定的， 不需要外部芯片加载数据，完全符合本论文的设计要求。 2 3 2 实现智能化性能方案确定 比较上述方案的优缺点，最后选用采用c p l d 来实现磁性旋转编码器的智能化。f p g a 也可以 实现智能化的要求，但因其延时是不固定，会影响实时性的。另外，f p g a 是基于s r a m 的器件， 需要外接芯片存储配置数据，这样就增加了p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，印制电路板) 板的 面积，如果应用于生产中，必将增加额外的成本预算。而c p l d 在掉电后，下载的逻辑功能即可 固定，不需要外接芯片存储数据；同时引脚至引脚间的信号延时与逻辑设计无关，实时性较高， 比f r 3 a 更易于实现智能化。 2 4 高分辨率、智能化磁性旋转编码器的方案确定 2 , 4 1 智能传感器简述 智能传感器是传感器技术的发展方向，是利用微计算机技术使传感器智能化。智能化传感 器是将被测量信号转换为电信号，记忆并存储所需数据，然后对这些数据进行解析和作统计处 理，再变换成需要的数据形式输出，得到有用的信息。智能传感器除了具有普通传感器的功能 外，还具有一些独特的功能：自身能消除异常值和例外值；具有数据处理功能；能自动校正和 自动补偿；具有内存、算法语言，并能随外界条件而变更的功能；具有记忆能力；能与其他传 感器相连接并能适应环境条件变化，具有判断功能。 智能传感器由传感器、微处理器、存储器和输入输出接口等组成，其典型框图如图2 5 所 示。”1 1 2 桂林工学院硕士学位论文 被 测 量 图2 5智能传感器框图 智能传感器系统与传统传感器相比，具有如下一些特点：” 1 ) 高精度和高性能价格比 智能传感器系统由于采用计算机管理及数据处理，因而可采用多种方案来保证它的高精度， 如：通过自动校零去除零点；与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；自动判定采 样数据的有效性以消除偶然误差的影响等等，从而在保证高精度的前提下，降低对元器件的要 求，提高性能价格比。 2 ) 高可靠性与高稳定性 智能传感器系统能实时自动进行系统的故障自检，确定故障类型及部位，并作出异常情况 的应急处理，避免因传感器系统本身故障而引起整个测控系统出错，大大提高可靠性。它还能 通过数据处理来自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起的系统特性漂移，而其数字信 号处理方式又有效地削弱了元器件特性漂移对信号的影响，提高了系统的稳定性。 3 ) 高信噪比与高分辨率 智能传感器系统能通过软件对传感元件采集到的数据进行多种高效处理，可以去除输入信 号中夹杂的噪声，将有用信号提取出来，还可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，保证在 多参数影响的情况下对目标参量测量的分辨力，获得高的信噪比和高的分辨力。 4 ) 强适应能力 智能传感器系统依靠自身具备的智能功能及系统组态能力，可以灵活地适应多种不同的应 用场合与使用要求。它能自动对信息采集、信息处理模式及通讯速率等进行优化，在量程改变、 量纲改变、要求的输出信号形式改变等情况下。仅通过简单的系统组态即可实现，无需修改硬 件，增强了系统的适应能力。 由此可见，智能传感器系统较之传统传感器有了质的飞跃，它代表了传感器的发展方向， 是传感技术克服自身局限向前发展的必然趋势。 2 4 2 高分辨率、智能化磁性旋转编码器组成 根据技术指标的分析结果，以及明确了细分方案和实现智能化功能的芯片后，研制成了高分 辨率、智能化磁性旋转编码器，其主要由以下几个模块组成： 1 、磁性编码器的磁鼓模块。 2 、磁性编码器的g m r 磁头模块。 1 3 桂林3 - 学院硕士学位论文 3 、完成信号细分的智能化微处