一種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路，屬于電機轉(zhuǎn)速檢測【技術(shù)領(lǐng)域】；包括電機側(cè)碼盤編碼器電光轉(zhuǎn)化單元和控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元，電機側(cè)碼盤編碼器電光轉(zhuǎn)化單元將電信號轉(zhuǎn)成光信號，光纖傳輸給控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元，進行光電轉(zhuǎn)化后，計算出電機的轉(zhuǎn)速和方向；同時和絕對式光電編碼器采用SSI通信模式；產(chǎn)生時鐘信號，接收數(shù)據(jù)信號，計算出電機的位置。優(yōu)點：兼有增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器兩種接口，可根據(jù)情況選用；采用光纖傳輸碼盤信號，避免了高電壓大電流情況下電磁干擾對碼盤傳輸線的影響。
【專利說明】—種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電機轉(zhuǎn)速檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路。

【背景技術(shù)】
[0002]同步電機的轉(zhuǎn)子位置和速度是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)所需獲取的必要信息，其精度和準確度是控制系統(tǒng)品質(zhì)的重要影響因素，因此速度檢測和位置檢測成為高壓同步電機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，隨著光電子學(xué)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，光電編碼器廣泛用于同步電機調(diào)速系統(tǒng)的位置檢測和速度檢測。轉(zhuǎn)速是各類電機運行中的重要物理量，如何準確、快速而又方便地測量電機轉(zhuǎn)速，極為重要。光電編碼器測速法是目前國內(nèi)外常用的轉(zhuǎn)速測量方法，光電編碼器安裝在電機轉(zhuǎn)子端軸上，隨著電機的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動；光電編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號。按照工作原理編碼器可分為增量式編碼器和絕對式編碼器兩類。
[0003]增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再將電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。
[0004]用于同步電機的光電編碼器主要分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器兩種。增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成，碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期；檢測光柵上刻有A、B兩組與碼盤相對應(yīng)的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯開1/4節(jié)距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°電度角。當(dāng)碼盤隨著被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透過縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差90°電度角的近似于正弦波的電信號，電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號處理，可以得到被測軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。增量式光電編碼器的優(yōu)點是:機械平均壽命長，可達到幾萬小時以上；分辨率高；抗干擾能力較強，信號傳輸距離較長，可靠性較高。其缺點是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息。和增量式光電編碼器不同，絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的η-1次方的唯一的2進制編碼(格雷碼)，因此在停電等情況下，采用絕對式編碼器仍然可以準確知道電機的軸位置。
[0005]在變頻調(diào)速高壓電機傳動系統(tǒng)中，由于其高電壓大電流的特性，一般變頻器會產(chǎn)生功率較大的諧波，對周圍其它設(shè)備具有較強的干擾能力，其干擾途徑主要分傳導(dǎo)(即電路耦合)、電磁輻射、感應(yīng)耦合。安裝在電機軸上的光電編碼器和變頻器之間傳統(tǒng)上通過電纜相連，如果不能采取很好的電磁屏蔽措施，碼盤信號將受到干擾，大大降低控制系統(tǒng)的品質(zhì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目是為了解決:安裝有增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器的高壓電機的速度和轉(zhuǎn)子位置檢測的接口以及信號電磁干擾的問題，提供一種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路；包括電機，增量式光電編碼器，絕對式光電編碼器，電機側(cè)碼盤編碼器電光轉(zhuǎn)化單元和控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元。
[0007]電機側(cè)碼盤編碼器電光轉(zhuǎn)化單元包括:增量式光電編碼器接口電路和絕對式光電編碼器接口電路；分別與增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器對應(yīng)連接。其中增量式光電編碼器接口電路包括雙端/單端轉(zhuǎn)化芯片、驅(qū)動芯片和光纖發(fā)射接口芯片；絕對式光電編碼器接口電路包括光纖接收芯片和單端/雙端轉(zhuǎn)化芯片。
[0008]控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元分為增量式光電編碼器接口部分和絕對式光電編碼器接口部分，采用DSP+FPGA組合方式，分別通過光纖對應(yīng)連接增量式光電編碼器接口電路和絕對式光電編碼器接口電路。其中增量式光電編碼器接口部分包括光纖接收芯片和數(shù)字信號處理器(Digital Signal Process，DSP)，絕對式光電編碼器接口部分包括光纖發(fā)射接口芯片和 FPGA (Field — Programmable Gate Array)。
[0009]控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元通過增量式光電編碼器接口電路接收光纖信號進行光電轉(zhuǎn)化后，計算出電機的轉(zhuǎn)速和方向；同時經(jīng)過絕對式光電編碼器接口電路，和絕對式光電編碼器采用SSI通信模式；產(chǎn)生時鐘信號，接收數(shù)據(jù)信號，計算出電機的位置。
[0010]具體過程如下:
[0011]—方面:電機轉(zhuǎn)動時，增量式光電編碼器產(chǎn)生差分電信號A+信號、A-信號、B+信號、B-信號、Z+信號和Z-信號，進入增量式光電編碼器接口電路，經(jīng)過雙端/單端轉(zhuǎn)化芯片轉(zhuǎn)化成單端電信號Ap信號、Bp信號和Zp信號，經(jīng)過驅(qū)動芯片對應(yīng)轉(zhuǎn)化成電信號A信號、B信號和Z信號，分別輸出給光纖發(fā)射接口芯片轉(zhuǎn)化成光信號A信號、B信號和Z信號，發(fā)射給控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元的光纖接收芯片，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，接在數(shù)字信號處理器上，通過編寫混合測速程序得到電機的轉(zhuǎn)速和方向。
[0012]另一方面:控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元采用DSP+FPGA組合方式，其中增量式光電編碼器接口部分屬于數(shù)字信號處理器(Digital Signal Process，DSP)，絕對式光電編碼器接口部分屬于 FPGA (Field — Programmable Gate Array)；
[0013]FPGA產(chǎn)生同步時鐘電信號，接到光纖發(fā)射接口芯片上，將電信號轉(zhuǎn)化成光信號后，發(fā)射給絕對式光電編碼器接口電路，經(jīng)光纖接收芯片轉(zhuǎn)化成CLK電信號，再經(jīng)過單端/雙端轉(zhuǎn)化芯片轉(zhuǎn)化成同步時鐘信號CLK+信號和CLK-信號，經(jīng)絕對式光電編碼器后，產(chǎn)生位置的差分電信號DATA+信號和DATA-信號；經(jīng)過單端/雙端轉(zhuǎn)化芯片成單端電信號DATAp信號；DATAp信號經(jīng)過驅(qū)動芯片轉(zhuǎn)化成電信號DATA信號；DATA信號接到光纖發(fā)射接口芯片芯片，轉(zhuǎn)化成光信號DATA信號，經(jīng)過光纖進入控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元的光纖接收芯片，轉(zhuǎn)化成電信號DATA接在FPGA上，通過數(shù)據(jù)線和地址線傳遞給DSP，得到電機的實時位置信號。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0015]1、一種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路，采用光纖傳輸碼盤信號，避免了高電壓大電流情況下電磁干擾對碼盤傳輸線的影響。
[0016]2、一種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路，兼有增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器兩種接口，可根據(jù)情況選用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路

【具體實施方式】
[0018]下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0019]本發(fā)明由于同步電機的控制需要，同時安裝了增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器兩種編碼器。
[0020]一種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路，如附圖1所示，包括電機，增量式光電編碼器，絕對式光電編碼器，電機側(cè)碼盤編碼器電光轉(zhuǎn)化單元和控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元。
[0021]電機側(cè)碼盤編碼器電光轉(zhuǎn)化單元包括:增量式光電編碼器接口電路和絕對式光電編碼器接口電路；分別與增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器對應(yīng)連接。其中增量式光電編碼器接口電路包括雙端/單端轉(zhuǎn)化芯片、驅(qū)動芯片和光纖發(fā)射接口芯片；絕對式光電編碼器接口電路包括光纖接收芯片和單端/雙端轉(zhuǎn)化芯片。
[0022]控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元分為增量式光電編碼器接口部分和絕對式光電編碼器接口部分，采用DSP+FPGA組合方式，分別通過光纖對應(yīng)連接增量式光電編碼器接口電路和絕對式光電編碼器接口電路。其中增量式光電編碼器接口部分包括光纖接收芯片和數(shù)字信號處理器(Digital Signal Process，DSP)，絕對式光電編碼器接口部分包括光纖發(fā)射接口芯片和 FPGA (Field — Programmable Gate Array)。
[0023]控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元通過增量式光電編碼器接口電路接收光纖信號進行光電轉(zhuǎn)化后，計算出電機的轉(zhuǎn)速和方向；同時經(jīng)過絕對式光電編碼器接口電路，和絕對式光電編碼器采用SSI通信模式；產(chǎn)生時鐘信號，接收數(shù)據(jù)信號，計算出電機的位置。
[0024]具體工作原理如下:
[0025]—方面:電機控制增量式光電編碼器產(chǎn)生差分電信號，輸入給增量式光電編碼器接口電路的雙端/單端轉(zhuǎn)化芯片轉(zhuǎn)化成單端電信號，經(jīng)過驅(qū)動芯片轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號，再通過光纖發(fā)射接口芯片轉(zhuǎn)化成光信號，發(fā)射給控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元，光纖接收芯片將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，接在數(shù)字信號處理器上通過編寫混合測速程序得到電機的轉(zhuǎn)速和方向。
[0026]另一方面:控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元采用DSP+FPGA組合方式，其中DSP采用型號為TMS320F28335的芯片；FPGA采用型號為EP1C6的芯片；
[0027]FPGA根據(jù)SSI通信協(xié)議產(chǎn)生CLK信號，經(jīng)光纖發(fā)射接口芯片轉(zhuǎn)化成電信號，通過絕對式光電編碼器接口電路與絕對式光電編碼器進行通信，絕對式光電編碼器接到時鐘信號后，產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號，輸入給絕對式光電編碼器接口電路轉(zhuǎn)化成光信號，經(jīng)過驅(qū)動芯片轉(zhuǎn)化成電信號接到光纖發(fā)射接口芯片；將電信號轉(zhuǎn)化成光信號，經(jīng)過光纖傳輸進入控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元的光纖接收芯片，轉(zhuǎn)化成電信號接在FPGA上，通過解碼生成電機的位置信號，再通過數(shù)據(jù)線和地址線傳遞給DSP，得到電機的實時位置信號。
[0028]具體過程如下:
[0029]—方面:電機轉(zhuǎn)動時，安裝在電機上的增量式光電編碼器產(chǎn)生差分電信號A+信號、A-信號、B+信號、B-信號、Z+信號和Z-信號，差分電信號進入增量式光電編碼器接口電路，經(jīng)過雙端/單端轉(zhuǎn)化芯片轉(zhuǎn)化成單端電信號Ap信號、Bp信號和Zp信號，所述的雙端/單端轉(zhuǎn)化芯片選取AM26LS32芯片，單端電信號經(jīng)過驅(qū)動芯片對應(yīng)轉(zhuǎn)化成電信號A信號、B信號和Z信號,驅(qū)動芯片選取芯片74245 ;電信號A信號、B信號和Z信號分別輸出給光纖發(fā)射接口芯片轉(zhuǎn)化成光信號A信號、B信號和Z信號，經(jīng)過光纖發(fā)射給控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元；光纖發(fā)射接口芯片優(yōu)選芯片1521。
[0030]控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元的光纖接收芯片接收到光信號A信號、B信號和Z信號后，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，接在數(shù)字信號處理器DSP上。光纖接收芯片優(yōu)選2521芯片。
[0031]另一方面:電機轉(zhuǎn)動時，安裝在電機上的絕對式光電編碼器需要外部輸入時鐘信號CLK+信號和CLK-信號才能產(chǎn)生電機的位置信號DATA+信號和DATA-信號。
[0032]FPGA根據(jù)SSI通信協(xié)議，首先絕對式光電編碼器接口部分采用ALTERA公司的EP1C6芯片產(chǎn)生同步時鐘電信號CLK信號，接到光纖發(fā)射接口芯片1521上，將電信號CLK信號轉(zhuǎn)化成光信號CLK信號，經(jīng)過光纖傳輸后，發(fā)射給絕對式光電編碼器接口電路，經(jīng)光纖接收芯片2521芯片轉(zhuǎn)化成CLK電信號，再經(jīng)過單端/雙端轉(zhuǎn)化芯片轉(zhuǎn)化成同步時鐘信號CLK+信號和CLK-信號，單端/雙端轉(zhuǎn)化芯片選取芯片DS89C21 ;同步時鐘信號CLK+信號和CLK-信號經(jīng)絕對式光電編碼器后，產(chǎn)生位置的差分電信號DATA+信號和DATA-信號；經(jīng)過單端/雙端轉(zhuǎn)化芯片成單端電信號DATAp信號；DATAp信號經(jīng)過驅(qū)動芯片74245轉(zhuǎn)化成電信號DATA信號；DATA信號接到光纖發(fā)射接口芯片1521芯片；轉(zhuǎn)化成光信號DATA信號，經(jīng)過光纖傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元的光纖接收芯片2521芯片，轉(zhuǎn)化成電信號DATA信號接在EP1C6芯片上；EP1C6芯片通過數(shù)據(jù)線和地址線傳遞給TMS320F28335芯片，得到電機的實時位置信號。
[0033]電機側(cè)碼盤編碼器電光轉(zhuǎn)化單元將絕對式光電編碼器、增量式光電編碼器的電信號轉(zhuǎn)化成光信號，通過光纖將信號傳輸給控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元的DSP和FPGA協(xié)同處理，得到電機的轉(zhuǎn)速、方向以及位置信號，解決安裝有增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器的高壓電機的速度和轉(zhuǎn)子位置檢測的接口以及信號電磁干擾的問題。
【權(quán)利要求】
1.一種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路，包括電機，增量式光電編碼器與絕對式光電編碼器，其特征在于:還包括電機側(cè)碼盤編碼器電光轉(zhuǎn)化單元和控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元； 電機側(cè)碼盤編碼器電光轉(zhuǎn)化單元包括:增量式光電編碼器接口電路和絕對式光電編碼器接口電路；分別與增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器對應(yīng)連接；其中增量式光電編碼器接口電路包括雙端/單端轉(zhuǎn)化芯片、驅(qū)動芯片和光纖發(fā)射接口芯片；絕對式光電編碼器接口電路包括光纖接收芯片和單端/雙端轉(zhuǎn)化芯片； 控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元分為增量式光電編碼器接口部分和絕對式光電編碼器接口部分，分別通過光纖對應(yīng)連接增量式光電編碼器接口電路和絕對式光電編碼器接口電路；其中增量式光電編碼器接口部分包括光纖接收芯片和數(shù)字信號處理器(Digital Signal Process，DSP)，絕對式光電編碼器接口部分包括光纖發(fā)射接口芯片和FPGA(Field — Programmable Gate Array)； 增量式光電編碼器接口部分通過增量式光電編碼器接口電路接收光纖信號進行光電轉(zhuǎn)化后，計算出電機的轉(zhuǎn)速和方向；同時絕對式光電編碼器接口部分和絕對式光電編碼器采用SSI通信模式；產(chǎn)生時鐘信號，接收數(shù)據(jù)信號，計算出電機的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的一種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路，其特征在于:所述的電機側(cè)碼盤編碼器電光轉(zhuǎn)化單元和控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元之間的信息傳遞過程如下: 一方面:電機轉(zhuǎn)動時，增量式光電編碼器產(chǎn)生差分電信號A+信號、A-信號、B+信號、B-信號、Z+信號和Z-信號，進入增量式光電編碼器接口電路，經(jīng)過雙端/單端轉(zhuǎn)化芯片轉(zhuǎn)化成單端電信號Ap信號、Bp信號和Zp信號，經(jīng)過驅(qū)動芯片對應(yīng)轉(zhuǎn)化成電信號A信號、B信號和Z信號，分別輸出給3個光纖發(fā)射接口芯片轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的光信號，再發(fā)射給控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元上的3個光纖接收芯片后，將光信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電信號，接在增量式光電編碼器接口部分的數(shù)字信號處理器上，由數(shù)字信號處理器進行處理得到電機的轉(zhuǎn)速和方向； 另一方面:絕對式光電編碼器接口部分產(chǎn)生同步時鐘電信號，接到光纖發(fā)射接口芯片上，將電信號轉(zhuǎn)化成光信號后，發(fā)射給絕對式光電編碼器接口電路，經(jīng)光纖接收芯片轉(zhuǎn)化成CLK電信號，再經(jīng)過單端/雙端轉(zhuǎn)化芯片轉(zhuǎn)化成同步時鐘信號CLK+信號和CLK-信號，經(jīng)絕對式光電編碼器后，產(chǎn)生位置的差分電信號DATA+信號和DATA-信號；經(jīng)過單端/雙端轉(zhuǎn)化芯片成單端電信號DATAp信號；經(jīng)過驅(qū)動芯片轉(zhuǎn)化成電信號接到光纖發(fā)射接口芯片；將電信號轉(zhuǎn)化成光信號，經(jīng)過光纖傳輸發(fā)射進入控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單元上的光纖接收芯片，轉(zhuǎn)化成電信號DATA信號接在絕對式光電編碼器接口部分上，解碼成電機位置信號，通過數(shù)據(jù)線和地址線傳遞給增量式光電編碼器接口部分，得到電機的實時位置信號。
3.如權(quán)利要求1所述的一種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路，其特征在于:所述的電機側(cè)碼盤編碼器電光轉(zhuǎn)化單元和控制系統(tǒng)側(cè)光電轉(zhuǎn)化及位置速度計算單兀之間通過光纖傳輸信號。
4.如權(quán)利要求1所述的一種光纖接口的高壓同步電機速度和位置檢測接口電路，其特征在于:所述的增量式光電編碼器接口電路中的雙端/單端轉(zhuǎn)化芯片采用AM26LS32芯片；絕對式光電編碼器接口電路的單端/雙端轉(zhuǎn)化芯片選取芯片DS89C21 ;增量式光電編碼器接口部分采用TMS320F28335芯片；絕對式光電編碼器接口部分采用EP1C6芯片。
【文檔編號】H02P6/16GK104201944SQ201410497503
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】段巍, 趙曉坦, 李凡, 王成勝, 蘭志明, 楊瓊濤, 唐磊, 趙悅, 李崇堅, 路尚書, 李向欣, 朱春毅, 周亞寧 申請人:北京金自天正智能控制股份有限公司