一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置及其方法.pdf

本发明公开了一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置，包括电机，所述电机两端电连接有相配合的减速器以及断电保持制动器，所述减速器连接有执行机构，所述断电保持制动器连接有增量式码盘，所述增量式码盘通过转换电路连接有控制器，所述控制器连接有储能元件，所述储能元件连接有系统控制电源；所述断电保持制动器另一端还通过驱动电路连接有功率电源，其中所述控制器中还设有存储器。本发明的有益效果：价格更低，因此可降低单个关节的物料成本；降低了关节机械设计的复杂度；系统断电后不丢失，不需要在每次上电时再进行机械结构的复位，可从当前位置重新启动，因此缩短了系统的初始化时间。

权利要求书
1.  一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置，其特征在于，包括电机（1），所述电机（1）两端电连接有相配合的减速器（2）以及断电保持制动器（3），所述减速器（2）连接有执行机构（4），所述断电保持制动器（2）连接有增量式码盘（5），所述增量式码盘（5）通过转换电路（6）连接有控制器（7），所述控制器（7）连接有储能元件（8），所述储能元件（8）连接有系统控制电源（9）；所述断电保持制动器（2）另一端还通过驱动电路（10）连接有功率电源（11），其中所述控制器（7）中还设有存储器（12）。

2.  根据权利要求1所述的应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置，其特征在于，所述系统控制电源（9）与所述储能元件（8）均通过电压比较器（13）与所述控制器（7）连接。

3.  根据权利要求1所述的应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置，其特征在于，所述电机（1）为直流电机，所述存储器（12）为闪存存储器。

4.  一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据机械结构的实际要求，确定关节的绝对原点位置；
步骤二：未上电时，关节保持在绝对原点位置静止不动，电机在制动器的作用下保持静止；
步骤三：系统上电后，控制器从存储器中获得上次断电前保存的电机位置计数器值，计算出电机上次断电时的位置；
步骤四：在控制器的驱动下，断电保持制动器松开电机转轴，电机从系统上电时位置运转到新的位置，并更新电机位置计数器的值。

5.  根据权利要求4所述的应用增量式编码器进行绝对位置检测的方法，其特征在于，当系统断电时，控制器的外部中断电压比较器与控制器连接端的检测向上跳变的脉冲信号，触发中断程序，将最新的电机位置计数器值保存到存储器中。

6.  根据权利要求4所述的应用增量式编码器进行绝对位置检测的方法，其特征在于，断电保持制动器在系统断电后将电机抱死，电机保持在系统断电时的位置不动。

7.  根据权利要求4所述的步骤三，其特征在于，如果是系统第一次上电，则存储器中的计数器值为0，电机处于绝对原点位置。

说明书一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置及其方法
技术领域
本发明涉及直流电机转动的精确位置控制领域，具体来说，涉及一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置及其方法。
背景技术
光电编码盘根据输出方式不同可分为绝对位置编码器和相对位置编码器。其中，绝对位置编码器输出与电机转动位置唯一对应的编码数据，但其内部结构复杂：采用并行输出的绝对位置编码器需要有大量的数据线，占用体积大；采用串行输出的绝对位置编码器必须有相应的通信协议以规范输出数据的形式，码盘内部电路复杂。上述因素导致绝对位置编码器成本比相对位置编码器的成本高。而相对位置编码器也称为增量式编码器，仅输出和电机转动相应的脉冲数量，内部结构简单，体积较小，成本低廉。但增量式编码器无法记忆绝对位置，还需要借助外部的零位开关或限位开关进行零位标定，在机械系统每次初始化时均需要先进行归零操作。
在需要高精度控制的机器人产品的关键转动部位，如小型机械手的转动关节等，由于受结构限制无法装配零位开关或限位开关，如果采用增量式编码器则无法实现确定关节零位，如采用绝对位置编码器则成本较高且输出复杂。
所以，研制出一种可以降低物料成本以及设计复杂度，同时缩短初始化时间的检测装置，便成为业内人士亟需解决的问题。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置，能够降低物料成本以及设计复杂度，同时也缩短了初始化时间。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置，包括电机，所述电机两端电连接有相配合的减速器以及断电保持制动器，所述减速器连接有执行机构，所述断电保持制动器连接有增量式码盘，所述增量式码盘通过转换电路连接有控制器，所述控制器连接有储能元件，所述储能元件连接有系统控制电源；所述断电保持制动器另一端还通过驱动电路连接有功率电源，其中所述控制器中还设有存储器。
进一步的，所述系统控制电源与所述储能元件均通过电压比较器与所述控制器连接。
进一步的，所述电机为直流电机，所述存储器为闪存存储器。
一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的方法，包括如下步骤：
步骤一：根据机械结构的实际要求，确定关节的绝对原点位置；
步骤二：未上电时，关节保持在绝对原点位置静止不动，电机在制动器的作用下保持静止；
步骤三：系统上电后，控制器从存储器中获得上次断电前保存的电机位置计数器值，计算出电机上次断电时的位置；
步骤四：在控制器的驱动下，断电保持制动器松开电机转轴，电机从系统上电时位置运转到新的位置，并更新电机位置计数器的值。
进一步的，当系统断电时，控制器的外部中断电压比较器与控制器连接端的检测向上跳变的脉冲信号，触发中断程序，将最新的电机位置计数器值保存到存储器中。
进一步的，断电保持制动器在系统断电后将电机抱死，电机保持在系统断电时的位置不动。
进一步的，如果是系统第一次上电，则存储器中的计数器值为0，电机处于绝对原点位置。
本发明的有益效果：由于增量式编码盘比绝对位置编码盘实现简单，价格更低，因此可降低单个关节的物料成本；电机的零位记录在控制器中，在关节上可以不用装配相应的零位开关或限位开关，降低了关节机械设计的复杂度；由于电机当前的绝对位置可保存的控制器的存储器中，系统断电后不丢失，不需要在每次上电时再进行机械结构的复位，可从当前位置重新启动，因此缩短了系统的初始化时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置结构示意图；
图2是根据本发明实施例所述的应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置的电压关系变化以及电压比较器输出电压变化图的对比图。
图中：
1、电机；2、减速器；3、断电保持制动器；4、执行机构；5、增量式码盘；6、转换电路；7、控制器；8、储能元件；9、系统控制电源；10、驱动电路；11、功率电源；12、存储器；13、电压比较器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，根据本发明实施例所述的一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置，包括电机1，所述电机1两端电连接有相配合的减速器2以及断电保持制动器3，所述减速器2连接有执行机构4，所述断电保持制动器2连接有增量式码盘5，所述增量式码盘5通过转换电路6连接有控制器7，所述控制器7连接有储能元件8，所述储能元件8连接有系统控制电源9；所述断电保持制动器2另一端还通过驱动电路10连接有功率电源11，其中所述控制器7中还设有存储器12。
在一个实施例中，所述系统控制电源9与所述储能元件8均通过电压比较器13与所述控制器7连接。
在一个实施例中，所述电机1为直流电机，所述存储器12为闪存存储器。
一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的方法，包括如下步骤：
步骤一：根据机械结构的实际要求，确定关节的绝对原点位置；
步骤二：未上电时，关节保持在绝对原点位置静止不动，电机在制动器的作用下保持静止；
步骤三：系统上电后，控制器从存储器中获得上次断电前保存的电机位置计数器值，计算出电机上次断电时的位置；
步骤四：在控制器的驱动下，断电保持制动器松开电机转轴，电机从系统上电时位置运转到新的位置，并更新电机位置计数器的值。
在一个实施例中，当系统断电时，控制器的外部中断电压比较器与控制器连接端的检测向上跳变的脉冲信号，触发中断程序，将最新的电机位置计数器值保存到存储器中。
在一个实施例中，断电保持制动器在系统断电后将电机抱死，电机保持在系统断电时的位置不动。
在一个实施例中，如果是系统第一次上电，则存储器中的计数器值为0，电机处于绝对原点位置。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
在具体使用时，根据本发明所述的一种应用增量式编码器进行绝对位置检测的装置及其方法，根据机械结构的实际要求，确定关节的绝对原点位置，未上电时，关节保持在绝对原点位置静止不动，此时电机在制动器的作用下保持静止。
系统上电（包括控制系统电源和功率电源），控制器从存储器中获得上次断电前保存的电机位置计数器值，计算出电机上次断电时的位置；如果是系统第一次上电，则存储器中的计数器值为0，电机处于绝对原点位置；
为实现该关节的某动作，在控制器的驱动下，断电保持制动器松开电机转轴，电机从系统上电时位置运转到新的位置，该转动过程通过增量式编码器转换为连续的脉冲个数，和原有的内部的电机位置计数器值叠加（叠加方向由电机转动方向决定），并更新电机位置计数器的值。新的电机位置计数器的值代表了驱动电机最新的转动位置。
当系统断电时，控制器的外部中断电压比较器与控制器连接端的检测向上跳变的脉冲信号，触发中断程序，将最新的电机位置计数器值保存到存储器中；断电保持制动器在系统断电后将电机抱死，电机保持在系统断电时的位置不动。
其中，根据图2所述：
t0至t1：控制系统电源输出正常，E、F两点的电压值相同，电压比较器的输出电压为低电平；
t1至t2：在t1时刻，控制系统电源断电，F点的电压值迅速下降，而储能元件的输出E点的电压值则能保持原来的电压值不变；在t2时刻，F点的电压值下降到原电压值的90%以下，此时电压比较器检测到E点的电压值大于F点的电压值，电压比较器输出高电平，触发控制器MCU执行参数保存动作；
t2至t3：在这段较短的时间内，随着储能元件的电能的释放，E点的电压值缓慢下降，在t3时刻，E点的电压值下降到原电压值的90%以下，此时电压比较器认为E点和F点的电压相同，电压比较器输出低电平；t2至t3间的时间长度由储能元件所存电量值决定；
t3以后：储能元件的电能彻底释放完毕，控制系统断电，电机的制动器动作抱死电机，电机保持停转状态。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，由于增量式编码盘比绝对位置编码盘实现简单，价格更低，因此可降低单个关节的物料成本；电机的零位记录在控制器中，在关节上可以不用装配相应的零位开关或限位开关，降低了关节机械设计的复杂度；由于电机当前的绝对位置可保存的控制器的存储器中，系统断电后不丢失，不需要在每次上电时再进行机械结构的复位，可从当前位置重新启动，因此缩短了系统的初始化时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。