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简朴快速的丈量位置变革

简朴快速的丈量位置变革

加工机器位置体系、精细丈量仪器以及搬运机器人需求快速的记载位置数据,也需求快速的辨认出任何变革。

高分辨率编码器和光栅尺经由过程一个编码器接口反应位置数据给控制中心。挑选的这个接口必需满意掌握单位对工夫的要求。关于设计者,具有太多的编码器接口可供挑选,如许就使得挑选编码器接口的使命和完成这个使命一样的庞大。

除了那些浩瀚的专有数字接口,也有一些开放的尺度接口,比方,SSI和BiSS接口用于绝度位置读取。但是,假如方向上的或一个十分高的位置分辨率变革需求一个快速的捕捉,串行数据接口的吞吐才能是有限的。

作为另一个挑选,有许多传统的开放编码器接口可供传输位置数据,比方利用正弦/余弦旌旗灯号大概增量A/B旌旗灯号传输位置数据都很好。

上面的文章形貌这方面的需求、替换挑选以及可行的解决方案。

 

                                          目次

1.挑选编码器接口

2.利用当前值快速掌握

3.仅仅计数是不敷的!

4.构建一个快速编码器接口

5.择要

 

  1. 挑选编码器接口

在利用控制器大概PLC的线性/扭转编码器的体系中挪用一个接口模块(如图1)。许多控制器厂商供给必然范畴的专有大概开源接口。

 

模仿接口

模仿接口是传统的非专有接口,传输位置信息利用模仿旌旗灯号。在领受方,既能够利用正弦/余弦值供插补细分器细分,也能够利用电流大概电压旌旗灯号(比方,0-20mA 或 0-10V)肯定绝对位置。后者长短常通用的接口,用于简朴的位置编码器。在安全应用领域,模仿差分正弦/余弦旌旗灯号收发器是优先挑选的,差分旌旗灯号的毛病第一时间能够被检测到,因而合适这类使用。

图1:控制器或PLC的编码器接口

 

数字绝对值接口

最快的传输数字绝对位置数据的办法是经由过程一个并行接口。这个接口凡是由TTL驱动器担任。但是,并行接口线缆的本钱十分高,由于这个缘故原由这种方法不是出格受欢迎。其他办法愈来愈盛行了,包罗利用尺度的非专有现场总线用于串行传输,比方,CANopen、以太网以及开源的SSI/BiSS接口。

 

数字增量接口

另一个传统串行编码器接口利用两个相移90°的A和B旌旗灯号供给增量传输位置变革数据,就是尽人皆知的正交旌旗灯号。另外,一个Z脉冲旌旗灯号供给零位旌旗灯号用于零位探测。关于增量接口,一个方向上的改动由A到B旌旗灯号的相移大概B到A旌旗灯号的相移变革暗示。

图2所示的是一个接近zero位置的标的目的改动时序图。这里给出的是一个扭转运动标的目的改动时的分辨率,是一个角度,滞后1.4°。如图所示,A,B增量旌旗灯号相移许可探测标的目的用于向下和向上的计数。

在这个例子里,一个轮回内,A/B旌旗灯号供给360°的边缘(H至L大概L至H)。标的目的鉴别器必需评价这些边缘的相位差以及激活向上/向下计数器。这例子是编码器其时的绝对位置信息。

图2:增量编码器接口和A,B,Z旌旗灯号时序图

 

  增量编码器接口的优越性在于低成本和对线缆的低要求。典范的设置包罗TTL驱动器输出、集电极开路输出以及线驱动器输出。TTL驱动器和集电极开路器是更低成本的解决方案,线驱动器供给很多良好的机能。这些初级机能包罗差分驱动器的抗干扰性、可驱动长距离线缆运转、高效的功率耗损以及快速串行传输机能的提高。差分对传输器得益于利用公用的RS422驱动器,供给更好的适应性。

标的目的的改动也能够被快速的探测,速度由简朴的丈量两个Z零位脉冲之间的沿间隔来肯定。但是,一个绝对位置仅在一个Z零位脉冲抵达以后有用。关于扭转运动,绝对位置在最少一个轮回以后得到。为此,线性丈量体系需求一个参考大概肇端序列优先于通例运转。

 

  1. 利用当前值快速掌握

高精度使用和高速运动发生十分高的时钟频次,这不得不由接口模块来处置。思索这类高速度和位置掌握,可实现的掌握轮回依赖于固件的算法和硬件的延时工夫。

举例说明,图3图解了一个机电控制系统的构成。除了固件的执行时间以外,以下的硬件执行时间也要出格留意思索出来:

1.    编码器延时:插补细分器的处置工夫和A/B旌旗灯号的输出耗时。
2.    编码器和掌握单位/PLC之间的传输工夫。
3.    掌握单位/PLC的编码器接口模块读出工夫

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图3:一个机电掌握回路的按时组成部分

编码器提早

  编码器提早(TLZ)依赖于模仿放大器的带宽,其内部的插补细分处置、分辨率以及其利用的编码器接口。

 

插补细分器提早

假如模仿编码器旌旗灯号正弦/余弦插补细分是一个基于MCU/DSP体系,提早周期能够超越200us或更多。出格要留意的是当利用较高频次和分辨率,尤其是协同多轴掌握和冗余体系。在这种情况下,提早能够招致位置数据大概不是当前的大概不同步。为驱逐这个应战,一个基于超快闪速(flash)插补细分器能够担任此使命(比方,iC-NV)。iC-NV是并行内部处置,可获得延时少于1us的插补细分器。

 

编码器接口提早

当接纳串行编码器接口时,凡是只饰演偏重要脚色的是数据传输工夫。关于串行传输,MCU/DSP从编码器接口模块的位置数据读出工夫Tread,取决于数据位宽和团体速度。比方,SSI在10MHz运转,32位宽,传输工夫为3.2us。

关于增量接口,提早凡是能够疏忽,给出及时性位置运动编码器旌旗灯号边缘。但是,标的目的的改动将增长一些数目的提早,取决于增量旌旗灯号的迟滞(见图2)。

 

处置提早

一旦位置数据通过编码器接口被读取,软件算法处置工夫(TS/W)增长了体系提早。这将在差别体系之间因为体系自己的处置工夫而大为差别,取决于利用的MCU大概DSP的构架和处置才能。

 

机电提早

在位置数据被读取和处置以后,终极的提早属于机电驱动器本身的一部分。激活机电(Tdriver)和随后的反应时间(Tmotor)必需被加到全部的体系提早。

所有的这些延时工夫加到体系提早,这个提早会间接影响全部掌握周期的持续时间。反过来,这也影响生产率和全部机械机电控制系统的精度。

 

3)仅计数是不敷的!

机电的速度和编码器的分辨率肯定被处置的脉冲的反复率。但是,当挑选一个编码器的时分必需一并思索其他身分。

 

编码器挑选例子

以一个高速使用为例,磁编码器体系,比方iC-MH在分辨率为10位时许可机电速度高达480,000 RPM。这些器件也一样供给相干的机电换向旌旗灯号UVW。

典范的机电速度凡是在500到15,000RMP范畴之内。但是,凡是要求的分辨率为12位大概以上。在这种情况下,一个速度为120,000RPM和12位位置分辨率的编码器能够由iC-MH完成。

iC-MH是一个单芯片绝对值编码器器件,供给多种编码器接口。包罗两个串行SSI/BiSS传输接口和一个增量接口。聚焦这个尺度增量旌旗灯号,A/B旌旗灯号的沿反复率达8MHz。这许可一个大于125ns的最小沿间隔间隔在两个A/B旌旗灯号沿之间(见图4a:多种电子插补细分器/编码器特性)。

图4a::多种电子插补细分器/编码器特性

 

位宽和速度

图4b给出了每扭转编码器的脉冲数,取决于速度。在一个15位分辨率以及10,000RPM反复率时险些到达5.5MHz。尺度编码器仅在低速时能得到像如许的分辨率。跟着标的目的改动,最小沿间隔非常重要并且必需被思索出来。

图4b:脉冲速率取决于速度和分辨率

直线机电例子

假如利用直线机电,凡是需求的速度为几米每秒。关于无芯直线机电,以至可以获得超越7m/s的速度。

关于光栅尺或磁栅尺,其供给一个周期距离20um的正弦/余弦旌旗灯号。若由接纳一个分辨率因数为16的插补细分器细分,比方,接纳iC-NQC,可到达1.3us的分辨率。在直线速度为2m/s时,脉冲反复率为1.6MHz。

除了脉冲反复率和A/B旌旗灯号的最小沿距离以外,在开辟时期也要服从上面的这几方面:

 

  • 多轴位置在tX时辰同步存储

  • 简朴的速度丈量

  • 在A/B旌旗灯号传输时期检测平衡/偏差

  • 可编程计数器的长度要考虑到差别的丈量精度

  • 单端和差分两种办法评价A,B和Z旌旗灯号

 

4)构建一个快速增量接口

增量编码器能够用多种差别的办法毗连,关于十分迟缓的运动,利用MCU的固件和一个中止来评价旌旗灯号沿便可。

假如利用一个内部标的目的鉴别器,大概利用一个集成到MCU内部的标的目的鉴别器,数KHz频次的A/B旌旗灯号或许由MCU的内部定时器/计数器能胜任此扫描使命。关于产业控制器/机电控制系统,FPGA也常常用来构建编码器的接口。取决于此处理器的构架,有些这方面的一些体系有范围以及不能处置高频次的编码器。但是,接纳新开辟的嵌入式控制器和公用的编码器处理器能够协助设计者处理此范例的设想应战。

iC-MD是一个此范例的编码器处置器件,如图5所示,此器件供给一个完整的增量编码器接口和集成的差分RS422线接收器。iC-MD也能够毗连到一个SPI接口大概一个SSI/BiSS接口。

iC-MD集成的标的目的鉴别器激活可编程长度的同步向上/向下计数器。此许可高达3个通道,每一个通道可设置高达16位,大概设置为两个24位计数器,大概设置为一个32位计数器,大概设置为一个48位计数器。

在两个zero脉冲之间,一个24位参考计数器计数A/B旌旗灯号的沿数量。同时利用两个24位寄存器,其用来评价编码长度参考标识表记标帜。累加的参考计数器值也能够用控制器大概当地MCU/DSP来计较速度大概加速度。

一个速率为40MHz的编码器,最大计数频次要充足撑持一个小于25ns的沿距离。第一个24位计数器的位置能够存储以及可经由过程一个内部变乱从打仗式探针引脚(TP)读出,大概经由过程iC-MD的SPI/BiSS接口读出。

在一个多轴控制器使用中,这个功用有助于在tX时辰同步存储所有的位置信息, 以及次第读出传布延时工夫。

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图5:3通道增量编码器接口带差分RS422接收器

 

A/B相位逻辑也被iC-MD监控,而且陈述给MCU/DSP其他毛病,比方过压,经由过程一个毛病输出(NERR)。报警,比方计数器向上溢出大概向下溢出,由iC-MD的输出NWARN切换到低电平来标记。

这些输出端子是双向的而且也由iC-MD作为一个内部动静来存储以及它的形态能够经由过程SPI/BiSS接口读出。两个施行器输出(ACT0/1)可由软件和MCU/DSP作为旌旗灯号输出(比方,用于LED形态唆使)大概作为开关。

当考虑到许多编码器接口设想数不尽的应战时,设计者面临的是更多的应战。若接纳编码器处理器,比方iC-MD,许多功用能够从一个曾经存在的MCU/DSP平台得到。假如如许,这将会削减体系的承担以及提高许多机能和适应性来到达整体体系设想的要求。

 

5)提要

  在将来的几年里,需求更短的机械消费速度和更节能的产物,并且为驱动体系开辟快速位置传感器也将成为一个次要的应战。

有针对性的集成电路,如本文的这个例子,将有助于以本钱效益的方法处理这些要求。将来的编码器iC研发对准的是时钟速率高达100MHz,以便更高的精度能够被快速和可靠的丈量。

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上传工夫:2013-07-16
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