一种增量式编码器的断线位置检测系统和方法技术方案

本发明专利技术提供的增量式编码器断线位置检测系统和方法，通过内置电路判断状态机的状态转换以及AB相计数器的计数值，可以快速、准确地确定发生断线的线路。

A detection system and method for the broken line position of incremental encoder

【技术实现步骤摘要】
一种增量式编码器的断线位置检测系统和方法
本专利技术涉及增量式编码器
，具体涉及增量式编码器的断线位置检测技术。
技术介绍
增量式编码器现在已广泛应用于电气控制系统中，其将位移转换成周期性的电信号，再把电信号转换成计数脉冲，脉冲的个数表示位移的大小。如图1所示，在伺服电机和驱动控制应用中，三通道的增量式编码器输出的脉冲有A相、B相、和Z相。其中，A相和B相为正交脉冲信号，相互延迟1/4周期，Z相为单圈脉冲，每旋转一圈发出一个脉冲。A相和B相信号输入到具有正交计数功能的微控制单元MCU后，可以获得编码器实时的位置和速度。如果其中一路信号与MCU的连接断开，正交计数器的结果将不能正常反映编码器的位置信息，驱动器将无法确定电机的准确位置，从而不能正确地控制伺服电机。因此，在高安全性的电机控制系统中，需要重点考虑断线检测和断线后的位置检测方法。目前，通常通过在MCU外围搭建断线检测电路来检测故障位置，如图2所示，一种故障检测电路，通过对A相和B相信号进行逻辑处理及滤波，最后通过是否有预设的逻辑信号判断是否有断线发生。图3示出另一种常用的检测电路，其对A相和B相信号进行编码，通过计算间隔设置的编码连续出现相同的次数，并与预设值比较，来判定是否有断线发生。这两种电路均搭建在MCU外围，受到器件本身的可靠性和器件之间互联的影响，系统运行的可靠性不足，同时，其需要通过芯片的I/O输入将故障信号反馈给电机控制芯片，响应速度较慢，此外，这类电路的制造成本较高。因此，需要设计一种内置于芯片的断线位置检测电路，既可以提高电路可靠性，又可以使得CPU能够直接响应线路中断，以提高响应速度，同时，还可以降低设计成本。
技术实现思路
为了在增量编码器断线后，快速准确地定位断线线路，本专利技术一方面提供了一种内置的增量式编码器的断线位置检测系统。一种增量式编码器的断线位置检测系统，其中所述增量式编码器分别在A相信号线、B相信号线和Z相信号线中具有A相信号、B相信号和Z相信号，所述增量式编码器的断线位置检测系统包括：AB相计数单元，其被配置为根据A相信号、B相信号和Z相信号的脉冲确定计数值；状态机，其被配置为根据A相信号、B相信号和Z相信号的信号电平以及脉冲边沿从多个状态中确定增量式编码器的状态；以及控制器，其被配置为执行下列动作：根据AB相计数单元的计数值确定Z相信号线是否断线；以及根据增量式编码器的多个状态确定A相信号线和B相信号线是否断线。进一步地，所述增量式编码器的断线位置检测系统还包括输入滤波模块，所述输入滤波模块以断线检测电路工作时钟为基础，对A相信号、B相信号、Z相信号进行滤波，其滤波宽度可调整，最小可过滤一个时钟宽度的毛刺。根据需求，还可以在滤波模块前增加输入前级的片内模拟滤波模块，使得滤波宽度达到纳秒级。进一步地，所述增量式编码器的断线位置检测系统还包括标志输出单元，用于输出A相、B相及Z相的断线标志。进一步地，所述状态机从以下状态中确定增量式编码器的状态：第一状态S0：A相信号的电平为0且B相信号为下降沿，或A相信号为下降沿且B相信号的电平为0；第二状态S1：A相信号为下降沿且B相信号的电平为1，或A相信号的电平为0且B相信号为上升沿；第三状态S2：A相信号为上升沿且B相信号的电平为0，或A相信号的电平为1且B相信号为下降沿；以及第四状态S3：A相信号的电平为1且B相信号为上升沿，或A相信号为上升沿且B相信号的电平为1。进一步地，所述状态机的状态转换方式包括：S0->S2->S3->S1->S0：表示A相信号的相位超前B相信号的相位90°，电机正转；S0->S1->S3->S2->S0：表示A相信号的相位滞后B相信号的相位90°，电机反转；S0->S1->S0->S1：表示A相信号发生断线，且A相信号维持低电平；S2->S3->S2->S3：表示A相信号发生断线，且A相信号维持高电平；S0->S2->S0->S2：表示B相信号发生断线，且B相信号维持低电平；以及S1->S3->S1->S3：表示B相信号发生断线，且B相信号维持高电平。进一步地，所述AB相计数单元在编码器的A相和B相的边沿进行计数。若电机正转，所述AB相计数单元在每个有效边沿计数加一，若电机反转，所述AB相计数单元在每个有效边沿计数减一。当A相和B相有正常输入时，所述AB相计数单元采用双脉冲计数模式，其有效边沿为A相和B相两路信号的边沿；当A相信号发生断线时，所述AB相计数单元采用单脉冲计数模式，其有效边沿为B相信号的边沿；当B相信号发生断线时，所述AB相计数单元采用单脉冲计数模式，其有效边沿为A相信号的边沿。当检测到Z相的上升沿时，所述AB相计数单元复位并重新开始计数。进一步地，所述溢出判断模块根据所述AB相计数单元的当前计数值与阈值的比较结果，来判断Z相是否断线。所述阈值等于正常情况下，电机每正转一圈以后所述AB相计数器的计数值。进一步地，所述增量式编码器的断线位置检测系统还包括内部状态切换计数器，所述内部状态切换计数器从零开始计数，每次出现错误状态切换时，所述内部状态切换计数器数值加1，当A相或B相的输入恢复到正常状态时，所述内部状态切换计数器自动清零。所述状态转换判断模块根据内部状态切换计数器的当前计数值与预设值的比较结果，来判断A相、B相是否断线，并结合状态机的状态来判断是A相还是B相断线，所述预设值为自然数，取值越高，系统敏感度越低。另一方面，本专利技术还提供一种增量式编码器的断线位置检测方法，包括执行溢出检测及执行状态转换检测。所述执行溢出检测包括，通过判断所述AB相计数单元的当前计数值是否超过阈值，确定Z相是否断线，若所述AB相计数单元的当前计数值超过阈值，则说明Z相断线。其中，所述阈值为正常情况下，电机每正转一圈AB相计数器的累积计数值。所述状态转换检测包括：当A相或B相维持同一电平时，所述状态机在错误状态间切换，则启动状态切换计数器；当计数器超过预设值，结合状态机状态，若状态机状态在S0和S1或者S2和S3之间连续转换，则表明A相发生断线，若状态机状态在S0和S2或者S1和S3之间连续转换，则表明B相发生断线。本专利技术提供的增量式编码器的断线位置检测系统内置于芯片中，无需外接电路，有效降低了设计成本。本专利技术提供的增量式编码器的断线位置检测方法，通过判断状态机的状态切换，在增量式编码器发生断线后，判断出断线线路，响应速度快。附图说明为进一步阐明本专利技术的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本专利技术的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本专利技术的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。图1示出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增量式编码器的断线位置检测系统，其中所述增量式编码器分别在A相信号线、B相信号线和Z相信号线中具有A相信号、B相信号和Z相信号，所述增量式编码器的断线位置检测系统包括：/nAB相计数单元，其被配置为根据A相信号、B相信号和Z相信号的脉冲确定计数值；/n状态机，其被配置为根据A相信号和B相信号信号电平以及脉冲边沿从多个状态中确定增量式编码器的状态；/n控制器，其被配置为执行下列动作：/n根据AB相计数单元的计数值确定Z相信号线是否断线；以及/n根据增量式编码器的多个状态确定A相信号线和B相信号线是否断线。/n

【技术特征摘要】
1.一种增量式编码器的断线位置检测系统，其中所述增量式编码器分别在A相信号线、B相信号线和Z相信号线中具有A相信号、B相信号和Z相信号，所述增量式编码器的断线位置检测系统包括：
AB相计数单元，其被配置为根据A相信号、B相信号和Z相信号的脉冲确定计数值；
状态机，其被配置为根据A相信号和B相信号信号电平以及脉冲边沿从多个状态中确定增量式编码器的状态；
控制器，其被配置为执行下列动作：
根据AB相计数单元的计数值确定Z相信号线是否断线；以及
根据增量式编码器的多个状态确定A相信号线和B相信号线是否断线。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括输入滤波模块，其被配置为对A相信号、B相信号和/或Z相信号进行滤波，以减少A相信号、B相信号和/或Z相信号中的毛刺。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述多个状态包括下列状态：
第一状态S0，在所述第一状态下，A相信号的电平为0且B相信号为下降沿，或A相信号为下降沿且B相信号的电平为0；
第二状态S1，在所述第二状态下，A相信号为下降沿且B相信号的电平为1，或A相信号的电平为0且B相信号为上升沿；
第三状态S2，在所述第三状态下，A相信号为上升沿且B相信号的电平为0，或A相信号的电平为1且B相信号为下降沿；以及
第四状态S3，在所述第四状态下，A相信号的电平为1且B相信号为上升沿，或A相信号为上升沿且B相信号的电平为1。


4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中AB相计数单元还被配置为执行下列动作：
当电机正转时，在A相信号和/或B相信号的每个有效边沿将计数值加一；
当电机反转时，在A相信号和/或B相信号的每个有效边沿将计数值减一；以及
在Z相信号的上升沿将计数值复位。


5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，其中所述控制器包括：
溢出判断模块，其被配置为依据所述AB相计数单元的计数值与阈值的比较结果，来判断Z相信号线是否断线；以及
状态转换判断模块，其被配置为依据状态机的错误状态切换模式，来判断A相信号线和B相信号线是否断线。


6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
标志输出单...

【专利技术属性】
技术研发人员：任焱，
申请(专利权)人：华大半导体成都有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51