喷水织机主轴位置多路输出集成式磁编码器原理与应用.pdf

2 011拄 第 4期 仪表 技术与传感器 I ns t r ume n t Te chn iqu e a n d S e ns o r 201 1 No 4 喷水 织机 主 轴位 置 多路 输 出集成 式磁 编 码器 原 理与 应 用 黄正 丹 刘 和平 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆4 0 0 0 4 4 摘要 针对喷水织机主轴同步多路输出信号检测的需求 采用磁旋转编码芯片 A S 5 1 4 5和控制芯片 d s P I C 3 0 F 4 0 1 2 设 计 出多路输 出信号 的输 出时刻和 宽度与喷水织机主轴旋转 角度相 关联 的可编程智 能集 成式磁编码 器 可 以独 立地 对每 路信号编程到主轴的任意角度和输出宽度 实现了喷水织机多路信号多角度 实时同步检测功能 智能集成式磁编码器带 C A N通信 功能 可以在线修改 多路信号 的同步角度和宽度 具备 集成化 智能化 高分辨率 高性 能 低成本 可靠 调 试方 便等特点 实验结果表明磁编码器能够在高分辨率检测同时与外界设备进行实时通信 同时实现角度可调 脉宽可调 极 性可调的信号输 出及磁 编码 器故 障检 测 关键词 喷水 织机 磁编码 器 C A N通信 主轴 中图分类 号 T P 2 1 2 9 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 2 1 8 4 1 2 0 1 1 0 4 0 0 1 0 0 4 Pr in ciple a nd App lic a t io n o f I n t e g r a t e d M ult i o u t put M a g n e t i c En co d e r f 0 r W a t e r J e t Lo o m S S p in d le P o s it io n HUANG Z h e n g d a n L I U He p i n g S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f P o w e r T r a n s mi s s io n E q u ip me n t S y s t e m S e cu r it y a n d Ne w T ec h n o lo g y C h o n g q i n g U n i v e r s i t y C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 C h in a A b s t r a ct O n a cco u n t o f t h e r e q u ir e me n t o f w a t e r j e t lo o m p r in ci p a l a x i s S m u lt i s y n c o u t p u t s i g n al d e t e ct i o n t h i s p a p e r d e s ig ne d a n in t e g r a t e d p r o gra mma b le in t e llig e n t ma g n e t ic e nco d e r wh o s e o u t p u t s ig n a l S t ime a n d wid t h wa s in co nn e ct io n wit h t he p ri n cip le a x is r o t a t io n a n g le b y u s in g fl ma g n e t ic r o t a r y e n co d in g ch ip AS 5 1 4 5 a n d micr o co n t r o lle r ch ip d s P I C 3 0 F 4 0 1 2 T h e f u n ct i o n o f d e t e ct i n g m u lt i a n g l e s i g n a l o f w a t e r j e t lo o m S p r in cip a l axis i n r e a l t im e a n d s y n c w a y w a s a cco mp li s h e d T h i s in t e ll i g e n t in t e g r a t e d ma gn e t ic e n co d e r wit h a C AN co mmu n ica t io n s y s t e m ca n ch a n g e t h e a n g le a n d w id t h o f mu lt i s y n c s ign a ls o n lin e S O it g e t s in t e g r a t io n in t e lle ct u a liz a t io n h ig h r e s o lu t io n h ig h p e r f o r ma n ce lo w co s t r e lia b le a n d d e b u g co n v e n ie n t ly Th e e x p e r i me n t r e s u lt s s h o w t h a t t h e h ig h p e r f o rm a n ce ma g n e t i c e n co d e r ca n r e a ch a h i g h r e s o lu t i o n d e t e ct io n a n d p r e c i s io n a s w e l l a s co n m u n i ca t e w i t h o t h e r e x t e r n al e q u i p m e n t b y a r e a l t i me w a y B e s i d e s i t ca n o u t p u t s i g n a l w i t h a d j u s t a b le a n g l e a d j u s t a b le p u ls e w i d t h a d j u t able p o la ri t y a n d m a g n e t i c e n co d e r f a u l t d e t e ct s i g n a1 Ke y w o r d s w a t e r j e t lo o m ma g n e t i c e n co d e r C A N co m m u n i ca t i o n p r i n ci p a l a x i s 0引言 喷水织机上所有的运动都与主轴的转动密切相关 在传统 的控制系统中 喷水织机主轴的转速 转向及其旋转 的相对位 置分别由光电编码器和多路接近开关来 检测 J 易受 尘埃和结 露影响 防水效果差 集成和智能化水平较低 成本高 调试麻 烦 而且喷水织机的发展使得其控制系统对主轴旋转位置的 信息要求越来越多 所需要的接近开关也越来越多 整个系统 的复杂性大大增加 可维 护性 和稳定性 降低 安装装 配调 试 困 难 因此急需集成化 智能化 高分辨率 高性能 低成本 可 靠 调试方便的新型主轴位置检测与输出多路开关信号的传感 器 磁性编码器是 近年 发展起来 的一 种新 型传感 器 J 磁性 编码器不易受尘埃和结露影响 同时其结构简单紧凑 可高速 运转 响应速度高 体积小 成本低 J 文中采用国际上最新的 磁编码器芯片和 D S P芯片构成了一种新型的高度集成的喷水 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 1 9 收修改稿 日期 2 0 1 0 1 1 0 9 织机用主轴位置检测与多路输出的集成式磁编码器 检测喷水 织机主轴位置输出多路角度同步信号 替代了目前系统中使用 的接近开关和光电编码器 使得系统更加紧凑 性能更稳定 成 本成倍降低 同时 新增加了 C A N总线通信功能 使得整个纺 机主控 系统 能够 更 方便 更实 时地 跟集 成 式磁 编码器 进行 通 信 诊断编码器的工作状态 提高控制系统实时性和稳定性 1 A s 5 1 4 5结构和工作原理 A S 5 1 4 5磁旋转编码器 芯片是一款 非接触 式 的完 整系统级 芯片 能够提供增量式输出和绝对式输 出 检测主轴角度和位 置信息时 需在转轴的端部安装一个钮扣形磁铁 A S 5 1 4 5与 磁铁的相对位置如图 1所示 在旋转磁铁时 将产生感应磁 场 磁铁 与磁场 的分 布情况如 图 1 所示 其工作原理是通过芯片内部围绕芯片中心位置分布的线 性霍尔阵列 采用旋转电流霍尔技术 检测出磁铁的磁场强度 分布 在旋转磁场的作用下产生一个相差 9 0 电角度 表征芯片 表面磁场强弱的正余弦电压 电压经放大后进入 乏一 数模转 换 部分 经内置数字信号处理器 D S P 运算后实现 了精确的 第 4期 黄正丹等 喷水织机 主轴位 置多路输 出集成 式磁编码器原理 与应 用 1 8 0 磁感应强度矢量图 垂 直磁 场 分布 By 半径 1 1 n ln l 磁 铁与磁场 分布情 况图 图 1 磁编码器 与磁 珠相对 位置及磁场分布 图 2磁 编 码 器 内 部 工 作 原 理 图 高分辨率绝对值角度信息 从图 1磁感应强度矢量图中 可以看出 设圆周上的磁感应强度为 由于霍尔效应 霍尔传 感器的输出电压与磁感应强度成正比例关系 可以表示为 V h I l 8 B 1 式 中 V h 为霍尔传感器 的输 出电压 V 占为霍 尔灵 敏度 B为磁 感应强 度 T 令 V o 当磁钢按图 1 所示方 向旋转角度 0 后 在理想 情况下从霍尔传感器输出的电压为 V o s in 0 2 V o co s O 3 之所 以要在霍尔传感 器的输 出加 上差分放 大器 是 因为不 可避免存在机械装配误差 8 同时霍尔元件也存在零点漂移 在引入机械误差和零点漂移以后 霍尔元件的输出电压为 1 s i n O 4 V b 1 co s 0 5 和 叠加 V a 一 2 V o co s 0 6 同理可以得 出 一 2 i 0 7 由式 6 和式 7 可知 采用差分结构后 霍尔元件输 出电 压中由于机械装配误差和零点漂移带来的信号误差被有效地 抵 消了 输 出电压 幅值 比差 分前 增大 了 1 倍 从而 使 得编 码器 的精度得以提高 2 系统实现 由于喷水织机主 轴上 的接 近开关 的增 加使 得 系统安 装 和 调试及维护难度加大 那么采用新的集成磁编码器来替代传统 的接 近开 关 就成 了必然 喷水 织 机 中 的纬纱 探 测 储 纬 器 控 制 电卷 电送控制 器等 均可 以采 用磁 编码 器输 出信 号控 制 喷 水织机对磁 编码器的功能需求 如表 1 所 示 表 1 喷水织机功能需求表 模块 功能要求 可编程 多路输 出信 号 C A N通信 EEP R0M 可任意设置输出角度 输出脉宽 输 出 极性 发送和接收外部数据信息 存储数据信息 错误检测信息 初始调 试值 基于对喷水织机功能需求及喷水织机主轴安装位置考虑 需要选择 一款引脚少 空 间 占用 少 并带 有 C A N总线 接 口和 正 交编码 接 口 Q E I 和及 E E P R O M 的控制 芯片 d s P lC 3 O F 4 0 1 2是 一 款低成 本带 Q E I 和 C A N通信 管脚较 少 的 1 6位 D S P控制 芯 片 1 K B E E P R O M 最高 3 0 MI P S的工作速度 J 完全可以满足 此要 求 d s P I C 3 0 F 4 0 1 2微控 制芯 片与 A S 5 1 4 5相接 将 其产 生 的正交编码信号通过 Q E I 模块解码处理后 通过软件编程实现 对喷水织机主轴旋转角度细分成 4 0 9 6份 并可输出多路开关 量信号 编程设置开关量信号的起始角度位置 信号宽度 信号 极性 开关量信号的个数取决于 D S P控制芯片的 I O引脚个 数 这些开关量信号输出供给储纬器 电卷电送控制器 主控器 等 以实现编码器与外部信息交流和协调工作 2 1 硬件设计 硬件框 图如 图 3所示 其 中虚线框 内表示 磁编码 器芯 片和 D S P芯 片 图 3硬 件 整体 框 图 喷水织机 主轴的旋 转使 得 A S 5 1 4 5产 生 正交 的脉 冲信 号 此信号通过微控制器芯片的 Q E I 模块产生计数值 P O S C N T 经 过软件处理 通过 d s P I C 3 0 F 4 0 1 2的中断模 块和定时器模块来精 确检测喷水织机主轴的信息 并通过 I O口输出所需要的可调 脉冲宽度信号 再经过 N P N三极管构成 O C门输出 提高驱动 能力和 电平转换 C A N通信可 以方便快捷地 与喷水织机 的 电卷 电送控制器 的触 摸屏 通信 实 时监 控磁 编码 器 的工作状 况 输 出信号的极性 脉宽 角度等信息量 同时磁编码器芯片的输出 经过一个差分接 口模块接入电卷 电送控制器实现对主轴转速 和位置 的检测 集成 式磁编码器设计外 观如 图 4所示 2 2 软件 设计 系统软件设 计采用 C语言编 写 主要包 括 主程序 C A N 中 1 2 I n s t r u me n t T e ch n i q u e a n d S e n s o r Ap r 2 0 1 1 图 4 磁编码器实物外观 图 断程序 定时器中断程序 2 2 1 主程序 流程 主程序流程图如图 5所示 通 过 Q E I 模 块后 可以通过读 取 P O S C N T寄存器来检查计数的内容 从而也就可以为软件编 程提供实时角度信息 通过设置 I N T中断和定时器 中断来实 现 UO口的准确输出 C A N中断来实现与外部触摸液晶屏的 通信 图 5主程序流程 图 2 2 2 CA N 通 信和 EE P ROM 将 C A N通信应用于喷水织机编码器控制系统中 将极大 程度地改善整个喷水织机 电控 系统的实时性与灵 活性 使 得整 个喷水织机的控制系统性能得到极大提升 通过 C A N使得 磁编码器与触摸屏进行相互通信 将要显示的数据传送到触摸 屏 并可通过触摸屏在线修改相关参数并传送到集成编码器 完全改变传统编码器参数不可修改的情况 从而实现系统的人 机交互功能 同时 通过 E E P R O M 可以让每次停机时的角度 极性 脉宽等信息和初始化信息以及错误检测信息得以保存 很大程度上改善了系统的控制性 能 3 实验结果及分析 3 1 输出端 波形 测试 当旋转编码器主轴时 可以通过示波器观测到正交输出的 脉冲信号 如图6所示 图 6 编码器正交信号输出 e o d e A co d e B 测试三极 管 输 出 波形 软件 设 置此 信 号 的 脉 宽 为 6 9 m s 0 x 4 5 角度为 1 2 0 0 x 5 5 5 极性为0 l 高电平输出 用示波 器连接到 N P N三 极 管 输 出端 当旋转 编码 器 主轴 到 角 度 为 1 2 0 时 产生的输出波形如图7所示 I r I I 一 n L U 删 j 删 C H1 2 V C H3 3 V M lms 图7 N P N三极管输出波形 从示波器测试波形可以看出 采用 O C门方式输出 外接 1 2 V 电压 输出幅值在 l2 V左右 脉宽在 6 9 m s 高电平输出 与软件设置的相符 通过 以上 的实验 可 以看 出所 设计 的编码器 能够 准确 实时 地检测主轴信息 并按外部要求输出脉宽 极性及方向可调脉 冲信号 从而极大地改善喷水织机控制系统由于接近开关等机 械元件对系统控制精度影响 实现高精度 实时控制 3 2 C A N通信调试 采用 1 2 5 K的波特率 1 1 位标准标识码 发送 I d e n t i fie r 1 3 0 0 0 x 5 1 4 回应 I d e n t i f i e r 1 3 0 1 0 x 5 1 5 表2 数据帧格式 表 3 C A N通信命令代码定义 命令代码He x D e c 命令代码He x D e e 写请求0 x 2 3 3 5 写 回应0 x 6 0 9 6 读请求 O x 4 0 6 4 读 回应0 x 4 3 6 7 错误 回应0 x 8 0 1 2 8 错误检测读请求0 x 8 3 1 3 1 调试采用 C A N T O O L S V 6 2 8 6对编码器的 C A N通信情 况进行调试 调试过程为 以写请求和读请求功能调试为例 写 0 x 2 3 读 0 x 4 0 数据帧的最低位 必须满足角度设置 0 3 6 0 0 x 0 0 0 x l0 0 0 极性设置 为 0 1 或 0 0 脉冲宽度设置 0 2 m s 第4期 黄正丹等 喷水织机主轴位置多路输出集成式磁编码器原理与应用 1 3 否则将返 回错误信 息 调试结果为 写请求时 当极性 脉宽 角度设置不正确 将 返回错误信息 0 x 8 0 当设置正确 返 回写信 息成功信息 0 x 6 0 表示数据成功写入 E E P R O M 读请求 时 地址 必须正 确 否则返回错误信息 O x 8 0 若地址正确将返回读信息成功 0 x 4 3 可 以看 到角度 极性 脉宽 的参 数 如 图 8所示 图 8 CA N 通 信 调 试 通 过 C A N功能 的测试 可 以很 好 地实 现磁 编码 器 与外部 的通信 从而改变传统光电编码器参数不可调节的缺点 实现 喷水织机 控制系统的人机交换性 4 结束语 集成编码器通过采用 A S 5 1 4 5芯片与 d s P I C 3 O F 4 0 1 2微控制 器芯片 采用软件编程方式 成功实现了喷水织机主轴 的多个 角度 同步信 号的检测 对 喷水织机储 纬器 电卷 电送单 元 主控 单元输出可调脉宽 极性和角度 的控制脉冲 通过 C A N通信 与 主控单元 的触 摸屏 进行 人 机交 流 达 到外 部信 号 的开 关极 性 导通或闭合的时问和时刻等参数的在线调节 以及可以实 时监测喷水织机磁 编码 器的工作状 况 并存储每 次停机 时候 的 纺机主轴的角度 位置 极性信息 以及故障检测信息 采用软 件编程方式来控制 从而可完全取代传统的光电编码器和接近 开关控制 除了降低系统成本外 还将极大地改善喷水织机电 卷电送系统人机 交互 性 可靠 性 和稳定性 使得 整个 喷水 织机 控制 系统更加趋近 于智能化 参考文献 1 裘愉发 吕波 喷水织机原理与 使用 北京 中国纺织 出版社 2 0 0 8 2 朱伯 申 数字式 传感 器 北京 北 京 理工大学 出版社 1 9 9 6 1 3 5 1 3 8 3 郑鑫 磁编码 器 的智能 化设 学位论 文 广 州 华 南师 范大学 2 O 4 4 A U S T R I A MI C R O S Y E T E MS AS 5 1 4 5 1 2一B i t P r o g r a mm a b le Ma g n e t ic Ro t a r y En co d e r Da t a S h e e t Re v is io n 1 3 Au s t r ia 2 0 0 6 5 N O RS WO R T HY S R P O S T I G F E T F E R MA N H S A 1 4一b i t 8 0 k Hz 一AA D co n v e r t e r mo d e s lin g d e s ig n a n d p e rfo r ma n ce e v a lu a t i o n I E E E J S o 1 S t a C i r c 1 9 8 9 2 4 2 2 5 6 2 6 6 6 李希胜 刘洪毅 李 忠 虎 基 于 F P GA的高精 度磁编 码器设 计 仪 表技 术与传 感器 2 0 0 8 1 2 6 9 7 1 7 吕德刚 李铁才 杨贵杰 高性能磁编码器设计 仪器仪表学报 2 O o 6 2 7 6 1 3 4 7 1 3 5 0 8 Micr o ch ip T e ch n o l o g y I n c MI C R O C HI P d s P I C 3 0 F F a m i l y R e f e r e n ce Ma n u a l At la n t a Mic r o ch ip T e ch n o lo g y I n c 2 0 0 4 9 高孝 纲 现场 总线在纺织机械上的应用 纺织机械 2 0 0 9 6 3 8 41 作者简介 黄正丹 1 9 8 6一 硕士 研究生 研 究方 向为 电机控制 与汽 车 电子 E m a i l h z d 3 0 2 1 6 3 co rn 上接第 3页 操 作 n R F 9 0 5接 收程序 发送 程序 主程 序模 块 组成 3 智能丙酮气敏传感器的软件设计 除了在传统 电路基础上增 加低通滤 波 电路 电压跟 随器 隔 离 电路 自动 换档 等 电路 以改 进 不稳 定 和测 量精 度低 等 缺 点 外 还通过软件方法来充分提高系统的整体性能 根据测量装 置的硬件设计 软件设计包括底层芯片驱动程序 监控程序 中 断处理 或服务 程序 无线收发程序以及实现各种算法的功能 模块 在 设计 中软件在 A D S A R M D e v e lo p e r S u i t e 1 2集成 开 发环境中完成 采用 E a s y J T A G仿 真器 进行 调试 系统 软 件 设计 主要流程如 图 7所示 系统无线传输模块的软件设计主要就是把 n R F 9 0 5收发功 能模块的驱动程序准确而有效地嵌入到传感器的驱动程序中 正确初始化各参数变量 如 全局变量 静态变量 以及各端 口 等 使整体软件编译通过 实现气敏传感器采集的数据的无线 传输 4 结束语 研制了一种基于 n R F 9 0 5的具 有无线传输 功能 的智能丙 酮 气敏传感器 它可以对丙酮及其浓度进行准确的测量 且可测 阻值 范围为 5 1 0 0 MQ 级 电阻测量 精度 可达 到 0 5 该 系统 结构 简 单 集 成 度 高 功 耗 低 同 时 采 用 了 功 能 强 大 的 A R M7内核作为 MC U 系统具有很强 的扩展能力 具有广 阔的 应用前景 广泛适用 于不方便连线 的测