一種基於增量模式的伺服控制實時位置獲取方法及系統與流程
2023-09-13 04:06:20 1
本發明具體涉及一種基於增量模式的伺服控制實時位置獲取方法及系統。
背景技術：
在高速伺服轉臺系統中，精確獲取轉臺實時位置十分重要。在系統需要較高的高低溫適用性和較好抗震性的要求下，目前主流的光電編碼器有著適用性差、成本較高的缺點。使用旋轉變壓器實時獲取位置需要將解碼後的位置通過串口發送至上位機，這會帶來較大的滯後延時，從而產生較大的誤差。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明提出一種基於增量模式的伺服控制實時位置獲取方法及系統。
實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：
一種基於增量模式的伺服控制實時位置獲取方法，包括以下步驟：
步驟一、旋轉變壓器解碼晶片配合與伺服電機相連的旋轉變壓器獲取伺服轉臺實時位置，並形成增量編碼信號，增量編碼信號為三路單端信號A、B、NM，TTL電平；
步驟二、將該增量編碼信號通過單端-差分晶片轉換為差分信號發送至數位訊號處理系統；
步驟三、伺服轉臺轉動時，數位訊號處理系統等待捕捉到NM信號上升沿開始對A、B兩路信號的任意跳變進行計數，每次碰到NM上升沿則清零計數值，計算伺服轉臺當前的絕對位置，通過串口將偏置值發送到上位機；
步驟四、在調試過程中確定伺服轉臺的相對零位，步驟三中捕捉到NM信號上升沿則表明伺服轉臺到達絕對零位，根據相對零位和絕對零位計算出偏置值，通過串口將偏置值發送到上位機；
步驟五、上位機根據步驟三中得到的伺服轉臺當前絕對位置和步驟四中的偏置值計算出伺服轉臺當前的實時位置。
進一步地，所述步驟三中，計算伺服轉臺的絕對位置具體為：旋轉變壓器解碼晶片所設數據位數為n，增量編碼信號計數為m，則伺服轉臺當前的絕對位置為：[360×(m/2n)]°。
進一步地，所述步驟五中，計算實時位置具體為：假設偏置值為x，則實時位置為：[360×(m/2n)-x]°。
進一步地，所述三路單端信號A、B、NM，其中A與B均為脈衝信號，旋轉變壓器旋轉一圈所產生脈衝數為2n，其中n為旋轉變壓器解碼晶片數據位數，A信號相位領先B信號π/2，NM信號是當旋轉變壓器處於絕對零位的時候產生上升脈衝，NM信號的脈寬為A信號脈寬的一半。
一種基於增量模式的伺服控制實時位置獲取系統，包括伺服控制系統、數位訊號處理系統和上位機；所述伺服控制系統的輸出端分別與數位訊號處理系統和上位機相連；所述數位訊號處理系統的輸出端也與上位機相連。
進一步地，所述伺服控制系統包括：伺服控制板、伺服驅動器、旋轉電機、旋轉變壓器、旋轉變壓器解碼晶片和用於供電的電源；所述伺服控制板上設有通信接口，用於與上位機通信，伺服控制板的輸出端分別與伺服驅動器和旋轉電機相連，伺服驅動器的輸出端也與旋轉電機相連；所述旋轉變壓器的輸入端與旋轉電機相連，其輸出端與旋轉變壓器解碼晶片相連。
進一步地，所述通信接口為RS232串口。
本發明的有益效果：
本發明的一種基於增量模式的伺服控制實時位置獲取方法及系統，該方法利用旋轉變壓器在惡劣條件下能穩定工作的特性，同時利用目前主流旋轉變壓器解碼晶片(簡稱RDC，下同)的增量編碼模式，將伺服轉臺的實時位置轉化為增量編碼信號，發送至數位訊號處理系統，解碼後通過網口發送至上位機。本發明可以在惡劣環境下穩定工作，且能排除直接通過串口發送數據的滯後性。
附圖說明
圖1為本發明一種實施例的方法流程圖；
圖2為本發明一種實施例的伺服控制系統的結構框圖；
圖3為本發明一種實施例的旋轉變壓器解碼晶片所得的增量編碼信號示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。
一種基於增量模式的伺服控制實時位置獲取方法，包括以下步驟：
如圖1所示，步驟一、旋轉變壓器解碼晶片配合與伺服電機相連的旋轉變壓器獲取伺服轉臺實時位置，並形成增量編碼信號，增量編碼信號為三路單端信號A、B、NM，TTL電平；
步驟二、將該增量編碼信號通過單端-差分晶片轉換為差分信號發送至數位訊號處理系統；
步驟三、伺服轉臺轉動時，數位訊號處理系統等待捕捉到NM信號上升沿開始對A、B兩路信號的任意跳變進行計數，每次碰到NM上升沿則清零計數值，計算伺服轉臺當前的絕對位置，通過串口將偏置值發送到上位機；
步驟四、在調試過程中確定伺服轉臺的相對零位(可通過現有技術實現)，步驟三中捕捉到NM信號上升沿則表明伺服轉臺到達絕對零位，根據相對零位和絕對零位計算計算出偏置值，通過串口將偏置值發送到上位機；
步驟五、上位機根據步驟三中得到的伺服轉臺當前絕對位置和步驟四中的偏置值計算出伺服轉臺當前的實時位置。
所述步驟三中，計算伺服轉臺的絕對位置具體為：旋轉變壓器解碼晶片所設數據位數為n，增量編碼信號計數為m，則伺服轉臺當前的絕對位置為：[360×(m/2n)]°。
步驟五中，所述計算伺服轉臺當前的實時位置具體為：假設偏置值為x，則實時位置為：[360×(m/2n)-x]°。
所述三路單端信號A、B、NM，其中A與B均為脈衝信號，旋轉變壓器旋轉一圈所產生脈衝數為2n，其中n為旋轉變壓器解碼晶片數據位數，A信號相位領先B信號π/2，NM信號是當旋轉變壓器處於絕對零位的時候產生上升脈衝，脈寬為A信號脈寬的一半，順時針轉動時，增量編碼信號參見圖3。
一種基於增量模式的伺服控制實時位置獲取系統，其特徵在於：包括伺服控制系統、數位訊號處理系統和上位機；所述伺服控制系統的輸出端分別與數位訊號處理系統和上位機相連；所述數位訊號處理系統的輸出端也與上位機相連。
所述伺服控制系統包括：伺服控制板、伺服驅動器、旋轉電機、旋轉變壓器、旋轉變壓器解碼晶片和用於供電的電源；所述伺服控制板上設有通信接口，用於與上位機通信，接收上位機發送出來的信號；伺服控制板的輸出端分別與伺服驅動器和旋轉電機相連，伺服驅動器的輸出端也與旋轉電機相連，伺服控制板發出驅動器控制信號給伺服驅動器，伺服驅動器發送伺服驅動信號給旋轉電機，且伺服控制板還用於發送抱閘信號給旋轉電機；所述旋轉變壓器的輸入端與旋轉電機相連，其輸出端與旋轉變壓器解碼晶片相連，旋轉變壓器解碼晶片配合與伺服電機相連的旋轉變壓器獲取伺服轉臺實時位置，並形成增量編碼信號，增量編碼信號為三路單端信號A、B、NM，TTL電平。
優選地，所述通信接口為RS232串口。
實施例一
在某XX項目中，由於設備散射角度有限，需要在兩種狀態切換：掃描和跟蹤。掃描狀態即設備處於水平方向360°連續旋轉；跟蹤狀態即根據上位機連續發出的目標位置指示連續運動。這就需要伺服轉臺搭載數位訊號處理器及其他設備在接到指令後首先進行240°/s的高速開環旋轉，然後在接到新的指令後改為最大速度不超過60°/s的閉環旋轉。在整個過程中要求實時反饋轉臺位置，最大誤差不得超過1°，系統工作環境要求考慮車輛振動和-40℃-60℃的環境條件。
該系統中，我們使用匯流環傳遞數位訊號處理器和上位機、數位訊號處理器和伺服控制機箱之間的信號。伺服控制機箱置於系統的底座，包含伺服控制板、伺服驅動器以及供電電源。由於伺服控制系統的工作環境有比較複雜的電磁幹擾，在系統硬體的設計過程中尤其強調線纜屏蔽特性。各信號線均需採用屏蔽線纜，屏蔽線纜和屏蔽層均接地，伺服控制板需裝配在屏蔽盒內。。
伺服控制板使用英飛凌的單片機XE167作為主控制晶片(即數位訊號處理系統)，該晶片具有浮點運算能力和較全面的外設，適用於伺服控制。使用AD2S1210作為RDC解碼晶片(即旋轉變壓器解碼晶片)，該晶片數據精度可在10位、12位、14位、16位四種精度中選擇，可以產生增量編碼，RDC可通過XE167初始化配置。在測角過程中，AD2S1210首先向旋轉變壓器發送激勵信號，旋轉變壓器反饋兩路信號至AD2S1210，AD2S1210根據反饋信號計算出當前角度並通過SPI和增量編碼兩種形式輸出。AD2S1210發出的激勵信號為一組差分正弦信號，反饋信號為兩組差分正弦信號。由於旋轉變壓器的激勵信號要求典型峰-峰值為7V，輸出信號典型峰-峰值為3.14V；而AD2S1210的輸出激勵信號的典型峰-峰值為3.6V，輸入信號要求典型峰-峰值為3.15V。因此需要在AD2S1210信號模擬信號出入端設計基於運放的二階濾波放大電路，用於將激勵信號和反饋信號的峰-峰值調整至適用範圍，同時起到濾除雜波幹擾的作用。
轉臺絕對零位(即絕對零度)和相對零位(相對零度)的偏置值可事先存入EEPROM晶片，在系統初始化的時候單片機(數位訊號處理系統)讀取該偏置值並通過RS232串口發送到數位訊號處理器上位機。數位訊號處理器通過增量編碼模式獲取轉臺的絕對位置值，並通過RS232串口發送到上位機，上位機計算轉臺當前的實時位置，即為絕對位置值減去偏置值。
伺服控制板上包含數字地和模擬地，在布線時在內電層將兩者分開，在電源輸入端使用0歐姆電阻將它們隔離，所有模擬電源與數字電源採用電感隔離。同時伺服驅動器的電源與數字模擬電源之間使用光電耦合器隔離。利用這些處理可減小RDC晶片所受幹擾。
附圖2為伺服控制系統的結構框圖。由於伺服控制板通過RS232串口發送的數據共250bit，根據運算僅控制板組幀發送就至少需要6.5ms，那麼在240°/s條件下反饋誤差就在1.5°以上。因而採用了基於增量模式的伺服控制實時位置獲取方法，由於編碼信號能即時發送到數位訊號處理系統，數位訊號處理系統可快速獲得伺服實時位置，並通過網線快速傳輸至上位機，從而減少串口解碼之後帶來的誤差。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。