專利名稱：旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及旋轉(zhuǎn)電機(jī)，具體涉及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
在高精度機(jī)床和數(shù)控轉(zhuǎn)臺等需要精確控制的旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，需要對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移進(jìn)行精確控制。一般來說，對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位移的精確測量，需要使用特定尺寸的圓形光柵或者磁柵貼于轉(zhuǎn)子表面，并通過一個讀頭來讀取磁柵信號，然后將該信號傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)該信號對旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行控制。然而，對于轉(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，目前市場上尚無大直徑的圓形光柵或磁柵。因此，對于轉(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量或測量不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速和位移測量不準(zhǔn)確。因此，使用現(xiàn)有技術(shù)難以準(zhǔn)確測量大轉(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。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠精確測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移且成本低的雙讀頭測量系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移測量系統(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)動器，其特征在于:所述測量系統(tǒng)包括條形磁柵尺、兩個磁柵讀頭，以及測量電路板；所述磁柵尺設(shè)置在轉(zhuǎn)子的外周上，所述兩個磁柵讀頭置于所述磁柵尺外側(cè)方，且所述兩個磁柵讀頭分別通過磁柵讀頭線與測量電路板相連；以及所述測量電路板與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動器電連接，由此通過切換兩個磁柵讀頭，利用磁柵讀頭與磁柵尺的磁作用對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和位移測量。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。較佳地，所述兩個磁柵讀頭置于轉(zhuǎn)子外側(cè)方，與磁柵尺相距不超過2mm。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。較佳地，所述的測量系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計有一個計時可調(diào)的時鐘，能夠計出電機(jī)運(yùn)行時間，并通過數(shù)碼管顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)和運(yùn)行路程。較佳地，所述的測量系統(tǒng)還包括濾波器，用于對電機(jī)停止運(yùn)行以及所述兩個磁柵讀頭不在磁柵尺上方時讀頭采集到的雜波信號進(jìn)行濾波。[0015]較佳地，雙讀頭測量系統(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、計數(shù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、時鐘模塊、以及數(shù)碼管顯示模塊。較佳地，所述測量電路板的核心采用CPLD芯片，所述兩個磁柵讀頭的信號與CPLD芯片之間分別采用兩組三路輸入差分芯片，CPLD芯片中讀頭信號由系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的辨向檢測，判斷磁柵讀頭的工作狀態(tài)，生成讀頭切換信號，自動切換讀頭。較佳地，CPLD芯片將輸入磁柵信號存入高速寄存器對其進(jìn)行保存，然后輸入由兩個讀頭信號和寄存器保存的信號組成Mealy型狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的辨向檢測，由此判斷兩個讀頭是否在磁柵尺上，產(chǎn)生電機(jī)單向運(yùn)行時讀頭切換信號，并通過兩個讀頭磁柵信號的辨向細(xì)分，判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行情況。較佳地，測量系統(tǒng)通過CPLD芯片內(nèi)部的切換信號判斷系統(tǒng)實(shí)時所需要切換的磁柵讀頭，輸出切換的讀頭信號。較佳地，磁柵讀頭采用相同分辨率、相同型號。較佳地，貼于電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁柵尺長度大于電機(jī)轉(zhuǎn)子的半個周長。 較佳地，兩個磁柵讀頭安裝位置相對電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑對稱。較佳地，測量系統(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。較佳地，兩個讀頭信號通過Mealy型狀態(tài)機(jī)進(jìn)行辨向檢測。較佳地，信號濾波是通過Verilog硬件描述語言應(yīng)用系統(tǒng)時鐘信號進(jìn)行有效處理。較佳地，電機(jī)方向判斷是通過芯片內(nèi)部對讀頭信號處理進(jìn)行判斷。較佳地，電機(jī)切換信號是系統(tǒng)芯片內(nèi)部產(chǎn)生。較佳地，顯示的電機(jī)轉(zhuǎn)動的位移可在電機(jī)運(yùn)行或電機(jī)停止運(yùn)行時，通過按鍵復(fù)位清零。較佳地，顯示的電機(jī)運(yùn)行時間，可通過按鍵復(fù)位，以及調(diào)整當(dāng)前起始時間。較佳地，電機(jī)轉(zhuǎn)動的位移和電機(jī)運(yùn)行時間，可通過按鍵切換顯示。較佳地，兩個磁柵讀頭的信號和寄存器保存的信號組成Mealy型狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的辨向檢測。信號倍頻數(shù)選擇為四倍，將四倍頻信號同樣通過高速寄存器保存，每路信號存在一個高速時鐘的相位延遲，將每路信號取反后對應(yīng)與高速寄存的信號作與運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)信號的微分處理。較佳地，測量系統(tǒng)將方向判斷的輸出兩路信號作為切換信號發(fā)生模塊的輸入，兩個狀態(tài)信號以及電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號，通過運(yùn)算在芯片內(nèi)部產(chǎn)生兩個磁柵讀頭的切換信號。較佳地，電機(jī)單方向運(yùn)行時，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。較佳地，輸出切換的讀頭信號通過Mealy型狀態(tài)機(jī)辨向細(xì)分，對信號進(jìn)行微分處理。較佳地，可通過數(shù)據(jù)處理模塊把磁柵信號計數(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。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)時工作的磁柵讀頭。較佳地，測量系統(tǒng)核心芯片和兩個磁柵讀頭之間加入兩個DS26C32差分芯片。較佳地，測量系統(tǒng)核心芯片和電機(jī)驅(qū)動器之間加入一個DS26C31差分芯片。本實(shí)用新型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的雙讀頭測量系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用條形磁柵尺，貼于電機(jī)轉(zhuǎn)子圓周超過半個周長，兩個磁柵讀頭置于轉(zhuǎn)子外側(cè)。電機(jī)運(yùn)行時，兩個讀頭的信號經(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，可自動切換讀頭；通過雙讀頭的切換對電機(jī)轉(zhuǎn)速與位移進(jìn)行測量；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)動的位移、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電機(jī)運(yùn)行時間。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)雙讀頭測量系統(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)時讀頭均可以切換，進(jìn)行測量；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)行時間。

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的雙讀頭測量系統(tǒng)的一個實(shí)施例的在旋轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時雙讀頭位移及磁柵尺有效區(qū)域示意圖；圖2是旋轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時雙讀頭位置及磁柵尺有效區(qū)域示意圖；圖3是兩讀頭之一在電機(jī)機(jī)殼上安裝示意圖；圖4是另一讀頭在電機(jī)機(jī)殼上安裝示意圖；圖5是安裝了磁柵尺和讀頭的電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)視圖；圖6是核心系統(tǒng)芯片的控制流程圖；圖7是基于CPLD的雙讀頭測量系統(tǒng)模塊化設(shè)計圖；圖8是雙讀頭測量系統(tǒng)信號處理示意圖；以及圖9是雙讀頭測量系統(tǒng)電路板功能示意圖。附圖標(biāo)記說明:I讀頭，2讀頭信號線，3讀頭，4讀頭信號線，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，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，14機(jī)殼上讀頭線孔，15讀頭槽，16讀頭槽，17磁柵尺槽，18機(jī)殼上讀頭線孔，19讀頭信號，20讀頭信號，21系統(tǒng)時鐘信號，22顯示系統(tǒng)控制信號，23計時時鐘控制信號，24數(shù)碼管顯示輸出信號，25讀頭切換顯示信號，26讀頭切換輸出信號，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，30讀頭切換位置選擇模塊，31電機(jī)運(yùn)行方向判斷模塊，32電機(jī)單向運(yùn)行切換模塊，33讀頭狀態(tài)判斷模塊，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切換信號發(fā)生模塊，37計數(shù)模塊，38雙讀頭切換模塊，39數(shù)據(jù)處理模塊，40時鐘模塊，41數(shù)碼管顯示模塊，42EPM1270T144C5 型 CPLD，43DS26C32 差分芯片 I，44DS26C32差分芯片II，4 S26C31差分芯片，46讀頭信號插頭，47讀頭信號插頭，48系統(tǒng)輸出信號插頭,49系統(tǒng)輸出信號插頭，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
以下將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，以便更清楚理解本實(shí)用新型的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)理解的是，附圖所示的實(shí)施例并不是對本實(shí)用新型范圍的限制，而只是為了說明本實(shí)用新型技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)精神。本實(shí)用新型的雙讀頭測量系統(tǒng)用于對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移進(jìn)行精確測量，從而精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。圖1和圖2為本實(shí)用新型的雙讀頭測量系統(tǒng)的一個實(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，且兩個磁柵讀頭關(guān)于轉(zhuǎn)子5直徑對稱，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與雙度頭測量系統(tǒng)的電路板或電機(jī)驅(qū)動器(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 π R。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的半個周長加一個磁柵讀頭的寬度，即滿足以下公式L > 31 R+X 公式(I)其中X大于讀頭I和讀頭3的寬度。這樣能保證任何時候兩個讀頭中最少有一個在磁柵尺5上。需要指出的是，兩個磁柵讀頭也可以不關(guān)于轉(zhuǎn)子5的直徑對稱，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彡180。此時，磁柵的長度L只需要滿足以下公式2 R > L > 2 R-α Ji R/180+Y 公式(II)其中Y大于磁柵讀頭I和磁柵讀頭3的寬度，就可保證任何時候兩個磁柵讀頭中最少有一個在磁柵尺5上。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)10時，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，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。較佳地，兩個磁柵讀頭采用相同分辨率、相同型號。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)子直徑對稱。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)套的信號線構(gòu)成。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。本實(shí)用新型的雙讀頭測量系統(tǒng)中，除了上述的磁柵尺和磁柵讀頭之外，還包括相應(yīng)的信號處理單元，該信號處理單元具有相應(yīng)的電路和芯片，可實(shí)現(xiàn)磁柵的辨向細(xì)分、信號濾波、讀頭切換、位移數(shù)顯等功能。圖6是本實(shí)用新型的雙讀頭測量系統(tǒng)的系統(tǒng)芯片CPLD(Complex ProgrammableLogic Device;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，系統(tǒng)芯片CPLD42將輸入磁柵信號存入高速寄存器對其進(jìn)行保存，然后將輸入兩個讀頭信號(兩個讀頭的信號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。由此判斷兩個讀頭是否在磁柵尺上，產(chǎn)生電機(jī)單向運(yùn)行時讀頭切換信號。同時通過兩個讀頭磁柵信號的辨向細(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)行的切換信號和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的狀況生成雙讀頭的切換脈沖信號，在電機(jī)運(yùn)行時能夠?qū)崟r切換讀頭工作。同時對切換的讀頭信號進(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)光二級管)顯示系統(tǒng)顯示出實(shí)時工作的讀頭。系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計一個計時可調(diào)的時鐘，能夠計出電機(jī)運(yùn)行時間，通過按鍵切換實(shí)現(xiàn)時間與電機(jī)運(yùn)行路程間切換顯示。具體來說，磁柵讀頭I和磁柵讀頭3的信號與CPLD35之間分別采用兩組三路輸入差分芯片43、44。CPLD42中讀頭信號19與讀頭信號20由狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的辨向檢測，判斷磁柵讀頭的工作狀態(tài)，生成讀頭切換信號26，可自動切換讀頭，芯片42和電機(jī)驅(qū)動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電機(jī)轉(zhuǎn)速和位移進(jìn)行測量。同時可由數(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)時工作的讀頭25，電機(jī)運(yùn)行時間。圖7是用于實(shí)現(xiàn)圖6的控制流程的基于CPLD芯片的雙讀頭測量系統(tǒng)模塊化設(shè)計圖。雙讀頭測量系統(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 Description Language ；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。其中信號濾波由濾波器實(shí)現(xiàn)，以對電機(jī)停止運(yùn)行以及磁柵讀頭不在磁柵尺上時讀頭采集到的雜波信號進(jìn)行軟件濾波如圖7所示，雙讀頭測量系統(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、計數(shù)模塊37、數(shù)據(jù)處理模塊39、時鐘模塊40、以及數(shù)碼管顯示模塊41。圖7中，系統(tǒng)的分頻模塊29將系統(tǒng)時鐘頻率分頻成四種不同類型時鐘。一是磁柵信號檢測時鐘，以保證磁柵信號的可靠檢測；二是數(shù)據(jù)信息處理時鐘，協(xié)調(diào)和各模塊電路的輸出延遲；三是檢測讀頭的濾波時鐘；四是讀頭切換位置調(diào)整時鐘，通過時鐘延時調(diào)整讀頭的切換位置。這四種不同時鐘，連接其他模塊，為其提供工作時鐘。雙讀頭輸入的兩組A、B磁柵信號經(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。兩路信號由電機(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。由兩個讀頭是否在磁柵上的信號輸入到讀頭狀態(tài)判斷模塊33判斷出雙讀頭同時在磁柵尺上和不同時在磁柵尺上的兩種狀態(tài)。通過兩種狀態(tài)信號作為切換信號發(fā)生模塊36的輸入，得出電機(jī)單向運(yùn)行時的讀頭切換選擇信號。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，即時調(diào)整所要切換的讀頭，模塊輸出讀頭切換調(diào)整信號。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)整信號和切換信號發(fā)生模塊36輸出的電機(jī)單向運(yùn)行時的讀頭切換選擇信號，產(chǎn)生讀頭切換選擇信號，實(shí)時切換磁柵讀頭。讀頭切換選擇信號通過讀頭切換位置選擇模塊30調(diào)整在電機(jī)運(yùn)行時讀頭切換的位置。調(diào)整后的讀頭切換信號及磁柵讀頭采集到的兩組A、B、R磁柵信號由雙讀頭數(shù)據(jù)讀取模塊34在電機(jī)運(yùn)行時形成一組A、B、R磁柵信號，反饋到電機(jī)驅(qū)動器中。生成的一組A、B、R磁柵信號經(jīng)由雙讀頭數(shù)據(jù)辨向細(xì)分模塊35，對其辨向細(xì)分，辨別出一路細(xì)分信號及電機(jī)運(yùn)行方向信號。此細(xì)分信號和電機(jī)運(yùn)行方向信號通過計數(shù)模塊37計數(shù)判斷電機(jī)運(yùn)行距離。將計數(shù)模塊37輸出的計數(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。按鍵控制信號及系統(tǒng)時鐘作為時鐘模塊40的輸入，可調(diào)整電機(jī)運(yùn)行的時間。數(shù)據(jù)處理模塊39輸出的十進(jìn)制數(shù)據(jù)及時鐘模塊40輸出的電機(jī)運(yùn)行時間調(diào)整信號作為數(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)行時間及電機(jī)運(yùn)行路程。圖8是根據(jù)本實(shí)用新型的雙讀頭控制系統(tǒng)信號處理示意圖。如圖8所示，CPLD42的輸入信號若直接采用讀頭信號插頭46的輸入信號A1+、A1-、B1+、B1-、R1+、R1-和讀頭信號插頭47的輸入信號A2+、A2-、B2+、B2-、R2+、R2-,高低電平信號會出現(xiàn)共模干擾,信號不穩(wěn)。因此在CPLD42和兩個輸入讀頭信號插頭46、47之間加入兩個DS26C32差分芯片43、44，在芯片輸出端口和系統(tǒng)輸出信號插頭48也接入DS26D31差分芯片45，達(dá)到了抗共模干擾的目的。圖9是本實(shí)用新型的雙讀頭測量系統(tǒng)的測量電路板(PCB板)功能示意圖。如圖9所示，雙讀頭測量系統(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，信號差分43、44、45，信號收發(fā)46、47、48等功能電路。測量電路板與電機(jī)的驅(qū)動器電連接。本實(shí)用新型應(yīng)用條形磁柵尺，采用雙磁柵讀頭切換的方式檢測電機(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)子直徑對稱。電機(jī)運(yùn)行時，兩個讀頭的信號由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，可自動切換讀頭。通過雙讀頭的切換對電機(jī)轉(zhuǎn)速和位移進(jìn)行測量，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)動的位移、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電機(jī)運(yùn)行時間。本實(shí)用新型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位移測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，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)用前景和重要價值。以上已詳細(xì)描述了本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，但應(yīng)理解到，在閱讀了本實(shí)用新型的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本實(shí)用新型作各種改動或修改。這些等價形式同樣落于本申請所附權(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)動器，其特征在于: 所述測量系統(tǒng)包括條形磁柵尺、兩個磁柵讀頭，以及測量電路板； 所述磁柵尺設(shè)置在轉(zhuǎn)子的外周上，所述兩個磁柵讀頭置于所述磁柵尺外側(cè)方，且所述兩個磁柵讀頭分別通過磁柵讀頭線與測量電路板相連；以及 所述測量電路板與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動器電連接，由此通過切換兩個磁柵讀頭，利用磁柵讀頭與磁柵尺的磁作用對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和位移測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(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所述的測量系統(tǒng)，其特征在于:所述兩個磁柵讀頭置于轉(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所述的測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的測量系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計有一個計時可調(diào)的時鐘，能夠計出電機(jī)運(yùn)行時間，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所述的測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的測量系統(tǒng)還包括濾波器，用于對電機(jī)停止運(yùn)行以及所述兩個磁柵讀頭不在磁柵尺上方時讀頭采集到的雜波信號進(jìn)行濾波。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于:雙讀頭測量系統(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、計數(shù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、時鐘模塊、以及數(shù)碼管顯示模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于:所述測量電路板的核心采用CPLD芯片，所述兩個磁柵讀頭的信號與CPLD芯片之間分別采用兩組三路輸入差分芯片，CPLD芯片中讀頭信號由系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的辨向檢測，判斷磁柵讀頭的工作狀態(tài)，生成讀頭切換信號，自動切換讀頭。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量系統(tǒng)，其特征在于:CPLD芯片將輸入磁柵信號存入高速寄存器對其進(jìn)行保存，然后輸入由兩個讀頭信號和寄存器保存的信號組成Mealy型狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的辨向檢測，由此判斷兩個讀頭是否在磁柵尺上，產(chǎn)生電機(jī)單向運(yùn)行時讀頭切換信號，并通過兩個讀頭磁柵信號的辨向細(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所述的測量系統(tǒng)，其特征在于:測量系統(tǒng)通過CPLD芯片內(nèi)部的切換信號判斷系統(tǒng)實(shí)時所需要切換的磁柵讀頭，輸出切換的讀頭信號。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移測量系統(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)動器。測量系統(tǒng)包括條形磁柵尺、兩個磁柵讀頭，以及測量電路板，磁柵尺設(shè)置在轉(zhuǎn)子的外周上，兩個磁柵讀頭置于磁柵尺外側(cè)方，且兩個磁柵讀頭分別通過磁柵讀頭線與測量電路板相連。測量電路板與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動器電連接，由此通過切換兩個磁柵讀頭，利用磁柵讀頭與磁柵尺的磁作用對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和位移測量。本實(shí)用新型的測量系統(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。
文檔編號H02K11/00GK202940701SQ20122068488
公開日2013年5月15日 申請日期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) 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所