旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移測(cè)量系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子、定子，以及用于控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。測(cè)量系統(tǒng)包括條形磁柵尺、兩個(gè)磁柵讀頭，以及測(cè)量電路板，磁柵尺設(shè)置在轉(zhuǎn)子的外周上，兩個(gè)磁柵讀頭置于磁柵尺外側(cè)方，且兩個(gè)磁柵讀頭分別通過磁柵讀頭線與測(cè)量電路板相連。測(cè)量電路板與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器電連接，由此通過切換兩個(gè)磁柵讀頭，利用磁柵讀頭與磁柵尺的磁作用對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和位移測(cè)量。本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，且控制電機(jī)定位精度高。
【專利說明】旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)電機(jī)，具體涉及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移測(cè)量技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]在高精度機(jī)床和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)等需要精確控制的旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，需要對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移進(jìn)行精確控制。一般來說，對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位移的精確測(cè)量，需要使用特定尺寸的圓形光柵或者磁柵貼于轉(zhuǎn)子表面，并通過一個(gè)讀頭來讀取磁柵信號(hào)，然后將該信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)該信號(hào)對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行控制。然而，對(duì)于轉(zhuǎn)子直徑0.5米以上的電機(jī)，由于直徑在0.5米以上的大直徑的圓形光柵或磁柵制造和安裝上很困難且成本高，目前市場(chǎng)上尚無大直徑的圓形光柵或磁柵。因此，對(duì)于轉(zhuǎn)子直徑達(dá)到0.5米以上的電機(jī)，可以使用光柵尺或者磁柵尺圍成圓形貼于轉(zhuǎn)子表面。然而，因?yàn)楣鈻懦呋虼艝懦叩膬啥私涌谔幉荒軣o縫銜接而存在一定缺口，造成此處的位移無法測(cè)量或測(cè)量不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速和位移測(cè)量不準(zhǔn)確。因此，使用現(xiàn)有技術(shù)難以準(zhǔn)確測(cè)量大轉(zhuǎn)子直徑電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移，大直徑轉(zhuǎn)子電機(jī)的高精度定位控制成為難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種能夠精確測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移且成本低的雙讀頭測(cè)
量系統(tǒng)。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移測(cè)量系統(tǒng)，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子、定子，以及用于控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:
[0005]所述測(cè)量系統(tǒng)包括條形磁柵尺、兩個(gè)磁柵讀頭，以及測(cè)量電路板；
[0006]所述磁柵尺設(shè)置在轉(zhuǎn)子的外周上，所述兩個(gè)磁柵讀頭置于所述磁柵尺外側(cè)方，且所述兩個(gè)磁柵讀頭分別通過磁柵讀頭線與測(cè)量電路板相連；以及
[0007]所述測(cè)量電路板與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器電連接，由此通過切換兩個(gè)磁柵讀頭，利用磁柵讀頭與磁柵尺的磁作用對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和位移測(cè)量。
[0008]較佳地，所述轉(zhuǎn)子外周上設(shè)有磁柵槽，所述條形磁柵尺貼于所述磁柵槽中，所述磁柵讀頭設(shè)置在電機(jī)機(jī)殼上。
[0009]較佳地，所述兩個(gè)磁柵讀頭置于轉(zhuǎn)子外側(cè)方，與磁柵尺相距不超過2mm。
[0010]較佳地，貼在轉(zhuǎn)子外周上的條形磁柵尺的長度L與所述兩個(gè)磁柵讀頭之間的間隔角度α滿足公式
[0011]23iR>L>23iR-a ji R/ 180+Y
[0012]其中R為電機(jī)轉(zhuǎn)子的半徑，Y大于磁柵讀頭的寬度。
[0013]較佳地，所述的測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)有一個(gè)計(jì)時(shí)可調(diào)的時(shí)鐘，能夠計(jì)出電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，并通過數(shù)碼管顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)和運(yùn)行路程。
[0014]較佳地，所述的測(cè)量系統(tǒng)還包括濾波器，用于對(duì)電機(jī)停止運(yùn)行以及所述兩個(gè)磁柵讀頭不在磁柵尺上方時(shí)讀頭采集到的雜波信號(hào)進(jìn)行濾波。[0015]較佳地，雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)包括分頻模塊、辨向細(xì)分模塊、電機(jī)運(yùn)行方向判斷模塊、讀頭狀態(tài)判斷模塊、切換信號(hào)發(fā)生模塊、電機(jī)單向運(yùn)行切換模塊、雙讀頭切換模塊、讀頭切換位置選擇模塊、雙讀頭數(shù)據(jù)讀取模塊、雙讀頭數(shù)據(jù)辨向細(xì)分模塊、計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、時(shí)鐘模塊、以及數(shù)碼管顯示模塊。
[0016]較佳地，所述測(cè)量電路板的核心采用CPLD芯片，所述兩個(gè)磁柵讀頭的信號(hào)與CPLD芯片之間分別采用兩組三路輸入差分芯片，CPLD芯片中讀頭信號(hào)由系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的辨向檢測(cè)，判斷磁柵讀頭的工作狀態(tài)，生成讀頭切換信號(hào)，自動(dòng)切換讀頭。
[0017]較佳地，CPLD芯片將輸入磁柵信號(hào)存入高速寄存器對(duì)其進(jìn)行保存，然后輸入由兩個(gè)讀頭信號(hào)和寄存器保存的信號(hào)組成Mealy型狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的辨向檢測(cè)，由此判斷兩個(gè)讀頭是否在磁柵尺上，產(chǎn)生電機(jī)單向運(yùn)行時(shí)讀頭切換信號(hào)，并通過兩個(gè)讀頭磁柵信號(hào)的辨向細(xì)分，判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行情況。
[0018]較佳地，測(cè)量系統(tǒng)通過CPLD芯片內(nèi)部的切換信號(hào)判斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)所需要切換的磁柵讀頭，輸出切換的讀頭信號(hào)。
[0019]較佳地，磁柵讀頭采用相同分辨率、相同型號(hào)。
[0020]較佳地，貼于電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁柵尺長度大于電機(jī)轉(zhuǎn)子的半個(gè)周長。
[0021 ] 較佳地，兩個(gè)磁柵讀頭安裝位置相對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑對(duì)稱。
[0022]較佳地，測(cè)量系統(tǒng)的核心芯片為CPLD，利用VHDL及Verilog HDL進(jìn)行系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)。
[0023]較佳地，兩個(gè)讀頭信號(hào)通過Mealy型狀態(tài)機(jī)進(jìn)行辨向檢測(cè)。
[0024]較佳地，信號(hào)濾波是通過Verilog硬件描述語言應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行有效處理。
[0025]較佳地，電機(jī)方向判斷是通過芯片內(nèi)部對(duì)讀頭信號(hào)處理進(jìn)行判斷。
[0026]較佳地，電機(jī)切換信號(hào)是系統(tǒng)芯片內(nèi)部產(chǎn)生。
[0027]較佳地，顯示的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位移可在電機(jī)運(yùn)行或電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，通過按鍵復(fù)位清零。
[0028]較佳地，顯示的電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，可通過按鍵復(fù)位，以及調(diào)整當(dāng)前起始時(shí)間。
[0029]較佳地，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位移和電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，可通過按鍵切換顯示。
[0030]較佳地，兩個(gè)磁柵讀頭的信號(hào)和寄存器保存的信號(hào)組成Mealy型狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的辨向檢測(cè)。信號(hào)倍頻數(shù)選擇為四倍，將四倍頻信號(hào)同樣通過高速寄存器保存，每路信號(hào)存在一個(gè)高速時(shí)鐘的相位延遲，將每路信號(hào)取反后對(duì)應(yīng)與高速寄存的信號(hào)作與運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的微分處理。
[0031]較佳地，測(cè)量系統(tǒng)將方向判斷的輸出兩路信號(hào)作為切換信號(hào)發(fā)生模塊的輸入，兩個(gè)狀態(tài)信號(hào)以及電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)，通過運(yùn)算在芯片內(nèi)部產(chǎn)生兩個(gè)磁柵讀頭的切換信號(hào)。
[0032]較佳地，電機(jī)單方向運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)通過狀態(tài)機(jī)，判斷讀頭的切換模式；電機(jī)逆轉(zhuǎn)，系統(tǒng)判斷電機(jī)正反轉(zhuǎn)，在讀頭判斷完之后，采取相反的讀頭切換模式，待下一個(gè)狀態(tài)，由狀態(tài)機(jī)判斷出需要切換的讀頭，再切換到之前的切換模式。
[0033]較佳地，輸出切換的讀頭信號(hào)通過Mealy型狀態(tài)機(jī)辨向細(xì)分，對(duì)信號(hào)進(jìn)行微分處理。
[0034]較佳地，可通過數(shù)據(jù)處理模塊把磁柵信號(hào)計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，便于用數(shù)碼管顯示。
[0035]較佳地，通過數(shù)碼管顯示出電機(jī)正反轉(zhuǎn)和運(yùn)行距離，LED發(fā)光二極管顯示出實(shí)時(shí)工作的磁柵讀頭。
[0036]較佳地，測(cè)量系統(tǒng)核心芯片和兩個(gè)磁柵讀頭之間加入兩個(gè)DS26C32差分芯片。
[0037]較佳地，測(cè)量系統(tǒng)核心芯片和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間加入一個(gè)DS26C31差分芯片。
[0038]本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用條形磁柵尺，貼于電機(jī)轉(zhuǎn)子圓周超過半個(gè)周長，兩個(gè)磁柵讀頭置于轉(zhuǎn)子外側(cè)。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)讀頭的信號(hào)經(jīng)過辨向細(xì)分、濾波、電機(jī)方向判斷等功能模塊后確定磁柵讀頭的工作狀態(tài)，生成讀頭切換信號(hào)，可自動(dòng)切換讀頭；通過雙讀頭的切換對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速與位移進(jìn)行測(cè)量；可直接通過系統(tǒng)顯示電路顯示出所切換工作的讀頭、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位移、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。
[0039]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)的有益效果是:1)結(jié)構(gòu)簡單；2)系統(tǒng)基于磁柵傳感器，價(jià)格低廉，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)；3)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)讀頭均可以切換，進(jìn)行測(cè)量；4)控制電機(jī)定位精度高；5)可直接通過系統(tǒng)顯示出電機(jī)和讀頭的工作狀態(tài)及電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1是根據(jù)本發(fā)明的雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的在旋轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)雙讀頭位移及磁柵尺有效區(qū)域示意圖；
[0041]圖2是旋轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)雙讀頭位置及磁柵尺有效區(qū)域示意圖；
[0042]圖3是兩讀頭之一在電機(jī)機(jī)殼上安裝示意圖；
[0043]圖4是另一讀頭在電機(jī)機(jī)殼上安裝示意圖；
[0044]圖5是安裝了磁柵尺和讀頭的電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)視圖；
[0045]圖6是核心系統(tǒng)芯片的控制流程圖；
[0046]圖7是基于CPLD的雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)圖；
[0047]圖8是雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)處理示意圖；以及
[0048]圖9是雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)電路板功能示意圖。
[0049]附圖標(biāo)記說明:
[0050]I讀頭，2讀頭信號(hào)線，3讀頭，4讀頭信號(hào)線，
[0051]5條形磁柵尺,6電機(jī)定子，7電機(jī)軸承，8電機(jī)轉(zhuǎn)子，9電機(jī)機(jī)殼，
[0052]10電機(jī)正轉(zhuǎn)，11磁柵尺AB段，12電機(jī)反轉(zhuǎn)，13磁柵尺⑶段，
[0053]14機(jī)殼上讀頭線孔，15讀頭槽，16讀頭槽，
[0054]17磁柵尺槽，18機(jī)殼上讀頭線孔，19讀頭信號(hào)，
[0055]20讀頭信號(hào)，21系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，22顯示系統(tǒng)控制信號(hào)，
[0056]23計(jì)時(shí)時(shí)鐘控制信號(hào)，24數(shù)碼管顯示輸出信號(hào)，
[0057]25讀頭切換顯示信號(hào)，26讀頭切換輸出信號(hào)，
[0058]27讀頭辨向細(xì)分模塊，28讀頭辨向細(xì)分模塊，29分頻模塊，
[0059]30讀頭切換位置選擇模塊，31電機(jī)運(yùn)行方向判斷模塊，
[0060]32電機(jī)單向運(yùn)行切換模塊，33讀頭狀態(tài)判斷模塊，
[0061]34雙讀頭數(shù)據(jù)讀取模塊，35雙讀頭數(shù)據(jù)辨向細(xì)分模塊，[0062]36切換信號(hào)發(fā)生模塊，37計(jì)數(shù)模塊，38雙讀頭切換模塊，
[0063]39數(shù)據(jù)處理模塊，40時(shí)鐘模塊，41數(shù)碼管顯示模塊，
[0064]42EPM1270T144C5 型 CPLD，43DS26C32 差分芯片 I，
[0065]44DS26C32差分芯片II，4?S26C31差分芯片，46讀頭信號(hào)插頭，
[0066]47讀頭信號(hào)插頭，48系統(tǒng)輸出信號(hào)插頭,49系統(tǒng)輸出信號(hào)插頭，
[0067]50數(shù)碼管顯示電路，51LED發(fā)光二極管顯示電路，52按鍵控制電路。
【具體實(shí)施方式】
[0068]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，以便更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)理解的是，附圖所示的實(shí)施例并不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，而只是為了說明本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)精神。
[0069]本發(fā)明的雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)用于對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移進(jìn)行精確測(cè)量，從而精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1和圖2為本發(fā)明的雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中的雙讀頭在磁柵尺上位置及電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)磁柵尺有效區(qū)域示意圖。如圖1和2所示，磁柵讀頭I和磁柵讀頭3置于電機(jī)轉(zhuǎn)子8外周側(cè)方，且兩個(gè)磁柵讀頭關(guān)于轉(zhuǎn)子5直徑對(duì)稱，即它們之間相間隔180度。讀頭I和讀頭3分別通過磁柵讀頭線2和磁柵讀頭線4與雙度頭測(cè)量系統(tǒng)的電路板或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(未圖示)電連接。假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的半徑為R，則轉(zhuǎn)子8周長為2 jiR。貼在旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子外周上的條形磁柵尺5的長度L應(yīng)大于電機(jī)轉(zhuǎn)子8的半個(gè)周長加一個(gè)磁柵讀頭的寬度，即滿足以下公式
[0070]L > π R+X 公式(I)
[0071]其中X大于讀頭I和讀頭3的寬度。這樣能保證任何時(shí)候兩個(gè)讀頭中最少有一個(gè)在磁柵尺5上。
[0072]需要指出的是，兩個(gè)磁柵讀頭也可以不關(guān)于轉(zhuǎn)子5的直徑對(duì)稱，它們之間的間隔可以為諸如30度、60度、或90度等任意小于180度的角度α，即O < α ≤180。此時(shí)，磁柵的長度L只需要滿足以下公式
[0073]2 π R > L > 2 π R-α ji R/180+Y 公式(II)
[0074]其中Y大于磁柵讀頭I和磁柵讀頭3的寬度，就可保證任何時(shí)候兩個(gè)磁柵讀頭中最少有一個(gè)在磁柵尺5上。
[0075]當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)10時(shí)，A點(diǎn)為讀頭1、讀頭3的切換起始點(diǎn)，B點(diǎn)為終止點(diǎn)，AB為磁柵尺有效段11，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的脈沖讀數(shù)路程為A到B弧線距離的2倍。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)12時(shí)，C點(diǎn)為讀頭1、讀頭3的切換起始點(diǎn)，D點(diǎn)為終止點(diǎn)，CD為磁柵尺有效段13，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的脈沖讀數(shù)路程為C到D弧線距離的2倍。 [0076]較佳地，兩個(gè)磁柵讀頭采用相同分辨率、相同型號(hào)。
[0077]圖3和圖4分別是磁柵讀頭I和3在電機(jī)機(jī)殼9上安裝示意圖，為清楚起見，僅示出機(jī)殼的一部分。如圖3所不,在機(jī)殼9靠近電機(jī)轉(zhuǎn)子8的位置上有一個(gè)凹槽15,此凹槽15用于安裝磁柵讀頭1，將讀頭I固定在讀頭凹槽15中(諸如通過粘接或螺紋連接等)，讀頭I與磁柵尺5相距不超過2_，讀頭線2從線孔14引出。如圖4所示，在機(jī)殼9靠近電機(jī)轉(zhuǎn)子8的位置上有一個(gè)凹槽16，此凹槽16用于安裝磁柵讀頭3，將讀頭3固定在讀頭凹槽16中(諸如通過粘接或螺紋連接等)，讀頭3與磁柵尺5相距不超過2_，讀頭線4從線孔18引出。凹槽15和凹槽16的位置關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑對(duì)稱。
[0078]圖5是電機(jī)轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖。如圖5所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子上沿周向設(shè)有磁柵槽17。條形磁柵尺5貼于電機(jī)轉(zhuǎn)子8的磁柵槽17中，磁柵尺5的長度僅需滿足上述的公式(I)即可，而不需要貼滿電機(jī)轉(zhuǎn)子8的整個(gè)圓周。讀頭I (和讀頭3，未圖示)設(shè)置在磁柵尺5上方，并通過磁柵讀頭線2連接到測(cè)量系統(tǒng)的電路板(如圖9所示)。磁柵讀頭線2 (以及磁柵讀頭線4)較佳地由帶有屏蔽護(hù)套的信號(hào)線構(gòu)成。
[0079]另外，也可以不設(shè)置磁柵槽，而直接通過膠水等粘接劑將磁柵尺粘貼在轉(zhuǎn)子的外周上。
[0080]本發(fā)明的雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)中，除了上述的磁柵尺和磁柵讀頭之外，還包括相應(yīng)的信號(hào)處理單元，該信號(hào)處理單元具有相應(yīng)的電路和芯片，可實(shí)現(xiàn)磁柵的辨向細(xì)分、信號(hào)濾波、讀頭切換、位移數(shù)顯等功能。
[0081]圖6是本發(fā)明的雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)芯片CPLD (ComplexProgrammable LogicDevice;復(fù)雜可編程邏輯器件)的控制流程圖。如圖6所示，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)芯片CPLD42將輸入磁柵信號(hào)存入高速寄存器對(duì)其進(jìn)行保存，然后將輸入兩個(gè)讀頭信號(hào)(兩個(gè)讀頭的信號(hào)由磁柵尺與磁柵讀頭之間的磁作用產(chǎn)生)和寄存器保存的信號(hào)組成Mealy (米利)型狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的辨向檢測(cè)。由此判斷兩個(gè)讀頭是否在磁柵尺上，產(chǎn)生電機(jī)單向運(yùn)行時(shí)讀頭切換信號(hào)。同時(shí)通過兩個(gè)讀頭磁柵信號(hào)的辨向細(xì)分，判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行情況。由電機(jī)單向運(yùn)行的切換信號(hào)和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的狀況生成雙讀頭的切換脈沖信號(hào)，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)能夠?qū)崟r(shí)切換讀頭工作。同時(shí)對(duì)切換的讀頭信號(hào)進(jìn)行辨向細(xì)分，通過數(shù)碼顯示系統(tǒng)顯示出電機(jī)正反轉(zhuǎn)，和運(yùn)行距離，LED (發(fā)光二級(jí)管)顯示系統(tǒng)顯示出實(shí)時(shí)工作的讀頭。系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)時(shí)可調(diào)的時(shí)鐘，能夠計(jì)出電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，通過按鍵切換實(shí)現(xiàn)時(shí)間與電機(jī)運(yùn)行路程間切換顯示。
[0082]具體來說，磁柵讀頭I和磁柵讀頭3的信號(hào)與CPLD 35之間分別采用兩組三路輸入差分芯片43、44。CPLD 42中讀頭信號(hào)19與讀頭信號(hào)20由狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的辨向檢測(cè)，判斷磁柵讀頭的工作狀態(tài)，生成讀頭切換信號(hào)26，可自動(dòng)切換讀頭，芯片42和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間采用一組三路輸出差分芯片45。通過雙讀頭的切換對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位移進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)可由數(shù)碼管50顯示出電機(jī)正反轉(zhuǎn)，和運(yùn)行距離，LED發(fā)光二極管51顯示出實(shí)時(shí)工作的讀頭25，電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。
[0083]圖7是用于實(shí)現(xiàn)圖6的控制流程的基于CPLD芯片的雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)圖。雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用EPM1270T144C5型CPLD芯片42實(shí)現(xiàn)磁柵的辨向細(xì)分、信號(hào)濾波、讀頭切換等功能的集成，構(gòu)成嵌入式雙讀頭切換系統(tǒng)。采用硬件設(shè)計(jì)軟件化的開發(fā)方式，利用 VHDL (Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language ;高速集成電路硬件描述語言)以及 Verilog HDL (Verilog Hardware DescriptionLanguage ；Verilog硬件描述語言)兩種硬件描述語言進(jìn)行系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)。其中信號(hào)濾波由濾波器實(shí)現(xiàn)，以對(duì)電機(jī)停止運(yùn)行以及磁柵讀頭不在磁柵尺上時(shí)讀頭采集到的雜波信號(hào)進(jìn)行軟件濾波
[0084]如圖7所示，雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)包括分頻模塊29、辨向細(xì)分模塊27、28、電機(jī)運(yùn)行方向判斷模塊31、讀頭狀態(tài)判斷模塊33、切換信號(hào)發(fā)生模塊36、電機(jī)單向運(yùn)行切換模塊32、雙讀頭切換模塊38、讀頭切換位置選擇模塊30、雙讀頭數(shù)據(jù)讀取模塊34、雙讀頭數(shù)據(jù)辨向細(xì)分模塊35、計(jì)數(shù)模塊37、數(shù)據(jù)處理模塊39、時(shí)鐘模塊40、以及數(shù)碼管顯示模塊41。
[0085]圖7中，系統(tǒng)的分頻模塊29將系統(tǒng)時(shí)鐘頻率分頻成四種不同類型時(shí)鐘。一是磁柵信號(hào)檢測(cè)時(shí)鐘，以保證磁柵信號(hào)的可靠檢測(cè)；二是數(shù)據(jù)信息處理時(shí)鐘，協(xié)調(diào)和各模塊電路的輸出延遲；三是檢測(cè)讀頭的濾波時(shí)鐘；四是讀頭切換位置調(diào)整時(shí)鐘，通過時(shí)鐘延時(shí)調(diào)整讀頭的切換位置。這四種不同時(shí)鐘，連接其他模塊，為其提供工作時(shí)鐘。雙讀頭輸入的兩組A、B磁柵信號(hào)經(jīng)由辨向細(xì)分模塊27、28，分別辨別出電機(jī)運(yùn)行的正向和反向，形成兩路信號(hào)。兩路信號(hào)由電機(jī)運(yùn)行方向判斷模塊31得出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及讀頭是否在磁柵上的信號(hào)。由兩個(gè)讀頭是否在磁柵上的信號(hào)輸入到讀頭狀態(tài)判斷模塊33判斷出雙讀頭同時(shí)在磁柵尺上和不同時(shí)在磁柵尺上的兩種狀態(tài)。通過兩種狀態(tài)信號(hào)作為切換信號(hào)發(fā)生模塊36的輸入，得出電機(jī)單向運(yùn)行時(shí)的讀頭切換選擇信號(hào)。由電機(jī)運(yùn)行方向判斷模塊31得出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)信號(hào)作為電機(jī)單向運(yùn)行切換模塊32的輸入，能夠在電機(jī)單向運(yùn)行突然反轉(zhuǎn)時(shí)，即時(shí)調(diào)整所要切換的讀頭，模塊輸出讀頭切換調(diào)整信號(hào)。經(jīng)由電機(jī)單向運(yùn)行切換模塊32輸出的讀頭切換調(diào)整信號(hào)和切換信號(hào)發(fā)生模塊36輸出的電機(jī)單向運(yùn)行時(shí)的讀頭切換選擇信號(hào)，產(chǎn)生讀頭切換選擇信號(hào)，實(shí)時(shí)切換磁柵讀頭。讀頭切換選擇信號(hào)通過讀頭切換位置選擇模塊30調(diào)整在電機(jī)運(yùn)行時(shí)讀頭切換的位置。調(diào)整后的讀頭切換信號(hào)及磁柵讀頭采集到的兩組A、B、R磁柵信號(hào)由雙讀頭數(shù)據(jù)讀取模塊34在電機(jī)運(yùn)行時(shí)形成一組A、B、R磁柵信號(hào)，反饋到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。生成的一組A、B、R磁柵信號(hào)經(jīng)由雙讀頭數(shù)據(jù)辨向細(xì)分模塊35，對(duì)其辨向細(xì)分，辨別出一路細(xì)分信號(hào)及電機(jī)運(yùn)行方向信號(hào)。此細(xì)分信號(hào)和電機(jī)運(yùn)行方向信號(hào)通過計(jì)數(shù)模塊37計(jì)數(shù)判斷電機(jī)運(yùn)行距離。將計(jì)數(shù)模塊37輸出的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理模塊39處理，將二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，方便于數(shù)碼管顯示。按鍵控制信號(hào)及系統(tǒng)時(shí)鐘作為時(shí)鐘模塊40的輸入，可調(diào)整電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間。數(shù)據(jù)處理模塊39輸出的十進(jìn)制數(shù)據(jù)及時(shí)鐘模塊40輸出的電機(jī)運(yùn)行時(shí)間調(diào)整信號(hào)作為數(shù)碼管顯示模塊41的輸入，數(shù)碼管顯示模塊41輸出數(shù)碼管的位選和段選，因此可通過數(shù)碼管顯示出系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間及電機(jī)運(yùn)行路程。
[0086]圖8是根據(jù)本發(fā)明的雙讀頭控制系統(tǒng)信號(hào)處理示意圖。如圖8所示，CPLD 42的輸入信號(hào)若直接米用讀頭信號(hào)插頭46的輸入信號(hào)A1+、A1-、B1+、B1-、R1+、R1-和讀頭信號(hào)插頭47的輸入信號(hào)A2+、A2-、B2+、B2-、R2+、R2-,高低電平信號(hào)會(huì)出現(xiàn)共模干擾,信號(hào)不穩(wěn)。因此在CPLD 42和兩個(gè)輸入讀頭信號(hào)插頭46、47之間加入兩個(gè)DS26C 32差分芯片43、44，在芯片輸出端口和系統(tǒng)輸出信號(hào)插頭48也接入DS26D 31差分芯片45，達(dá)到了抗共模干擾的目的。
[0087]圖9是本發(fā)明的雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量電路板(PCB板)功能示意圖。如圖9所示，雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)的PCB板中集成了 CPLD核心芯片42，數(shù)碼管顯示50，LED發(fā)光二極管顯示51，按鍵控制52，信號(hào)差分43、44、45，信號(hào)收發(fā)46、47、48等功能電路。測(cè)量電路板與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器電連接。
[0088]本發(fā)明應(yīng)用條形磁柵尺，采用雙磁柵讀頭切換的方式檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位移，能夠高精度控制電機(jī)。條形磁柵尺貼于電機(jī)轉(zhuǎn)子，且不需要貼滿轉(zhuǎn)子的整周。兩個(gè)磁柵讀頭置于轉(zhuǎn)子外側(cè)，位于磁柵尺上方，與磁柵尺相距不超過2mm，且與轉(zhuǎn)子直徑對(duì)稱。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)讀頭的信號(hào)由CPLD芯片辨向細(xì)分、濾波、電機(jī)方向判斷后確定磁柵讀頭的工作狀態(tài)，生成讀頭切換信號(hào)，可自動(dòng)切換讀頭。通過雙讀頭的切換對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位移進(jìn)行測(cè)量，可直接通過系統(tǒng)顯示電路顯示出所切換工作的讀頭、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位移、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。
[0089]本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位移測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，控制電機(jī)定位精度高，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要價(jià)值。
[0090]以上已詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但應(yīng)理解到，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改。這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移測(cè)量系統(tǒng)，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子、定子，以及用于控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于: 所述測(cè)量系統(tǒng)包括條形磁柵尺、兩個(gè)磁柵讀頭，以及測(cè)量電路板； 所述磁柵尺設(shè)置在轉(zhuǎn)子的外周上，所述兩個(gè)磁柵讀頭置于所述磁柵尺外側(cè)方，且所述兩個(gè)磁柵讀頭分別通過磁柵讀頭線與測(cè)量電路板相連；以及 所述測(cè)量電路板與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器電連接，由此通過切換兩個(gè)磁柵讀頭，利用磁柵讀頭與磁柵尺的磁作用對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和位移測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述轉(zhuǎn)子外周上設(shè)有磁柵槽，所述條形磁柵尺貼于所述磁柵槽中，所述磁柵讀頭設(shè)置在電機(jī)機(jī)殼上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述兩個(gè)磁柵讀頭置于轉(zhuǎn)子外側(cè)方，與磁柵尺相距不超過2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:貼在轉(zhuǎn)子外周上的條形磁柵尺的長度L與所述兩個(gè)磁柵讀頭之間的間隔角度α滿足公式 23iR>L>23iR-a ji R/ 180+Y 其中R為電機(jī)轉(zhuǎn)子的半徑，Y大于磁柵讀頭的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)有一個(gè)計(jì)時(shí)可調(diào)的時(shí)鐘，能夠計(jì)出電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，并通過數(shù)碼管顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)和運(yùn)行路程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的測(cè)量系統(tǒng)還包括濾波器，用于對(duì)電機(jī)停止運(yùn)行以及所述兩個(gè)磁柵讀頭不在磁柵尺上方時(shí)讀頭采集到的雜波信號(hào)進(jìn)行濾波。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:雙讀頭測(cè)量系統(tǒng)包括分頻模塊、辨向細(xì)分模塊、電機(jī)運(yùn)行方向判斷模塊、讀頭狀態(tài)判斷模塊、切換信號(hào)發(fā)生模塊、電機(jī)單向運(yùn)行切換模塊、雙讀頭切換模塊、讀頭切換位置選擇模塊、雙讀頭數(shù)據(jù)讀取模塊、雙讀頭數(shù)據(jù)辨向細(xì)分模塊、計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、時(shí)鐘模塊、以及數(shù)碼管顯示模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述測(cè)量電路板的核心采用CPLD芯片，所述兩個(gè)磁柵讀頭的信號(hào)與CPLD芯片之間分別采用兩組三路輸入差分芯片，CPLD芯片中讀頭信號(hào)由系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的辨向檢測(cè)，判斷磁柵讀頭的工作狀態(tài)，生成讀頭切換信號(hào)，自動(dòng)切換讀頭。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:CPLD芯片將輸入磁柵信號(hào)存入高速寄存器對(duì)其進(jìn)行保存，然后輸入由兩個(gè)讀頭信號(hào)和寄存器保存的信號(hào)組成Mealy型狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的辨向檢測(cè)，由此判斷兩個(gè)讀頭是否在磁柵尺上，產(chǎn)生電機(jī)單向運(yùn)行時(shí)讀頭切換信號(hào)，并通過兩個(gè)讀頭磁柵信號(hào)的辨向細(xì)分，判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行情況。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:測(cè)量系統(tǒng)通過CPLD芯片內(nèi)部的切換信號(hào)判斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)所需要切換的磁柵讀頭，輸出切換的讀頭信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H02K11/00GK103872851SQ201210536692
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月12日
【發(fā)明者】張馳, 喬海, 廖有用, 舒鑫東, 周杰, 劉強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所