新型高精度磁機電絕對式編碼器設計

馬向華， 段駿華

（1.上海應用技術學院電氣與電子工程學院，上海201418；2.上海海事大學物流工程學院，上海201306）

新型高精度磁機電絕對式編碼器設計

馬向華1， 段駿華2

（1.上海應用技術學院電氣與電子工程學院，上海201418；2.上海海事大學物流工程學院，上海201306）

結合磁、機、電等技術設計實現(xiàn)了一種新型的低成本高精度的絕對值編碼器.基于磁電原理設計了高精度的單圈測量模塊，并通過模塊AEAS-84AD獲取多圈模塊，高速微處理器芯片將單圈和多圈數(shù)值通過V位級聯(lián)算法進行組合處理，然后利用微處理器的外部中斷和定時器，有效可靠地實現(xiàn)了位置編碼信號的串行輸出.實際應用證明所設計的磁機電編碼器不僅精度高、可靠穩(wěn)定，而且成本大大降低.

編碼器；光柵式絕對式編碼器；磁機電絕對值編碼器；V位級聯(lián)算法

作為位置檢測傳感器類的一種，編碼器主要用來偵測機械運動的速度、位置、角度和距離等.除了應用在產業(yè)機械外，許多馬達控制如伺服馬達、BLDC伺服馬達均需配備編碼器以供馬達控制器作為換相、速度及位置的檢測，因此，其應用范圍相當廣泛.根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式.根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式可分為增量式、絕對式和混合式編碼器［1］.

旋轉增量值編碼器轉動時輸出脈沖，通過計數(shù)設備計算其位置.當編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設備的內部記憶記住位置，停電后，編碼器不能有任何的移動；來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中不能有干擾而丟失脈沖，否則，計數(shù)設備計算并記憶的零點就會偏移，且此偏移的量只有在錯誤的結果出現(xiàn)后才能知道.解決的方法是增加參考點.編碼器每經過參考點，將參考位置修正進計數(shù)設備的記憶位置，在參考點以前不能保證位置的準確性.在工業(yè)控制中有在每次操作時先找參考點、開機找零等方法.由于工業(yè)控制項目條件的限制，產生了絕對式旋轉編碼器，其因每個角度位置對應唯一的數(shù)字編碼而得名.若系統(tǒng)的運動發(fā)生在電力中斷期間，新的位置在電源恢復以后即能確定.此外，絕對式旋轉編碼器還具有可靠性高、抗干擾能力強等特點，在應用中越來越受到人們的重視.

絕對式旋轉編碼器分為單圈和多圈絕對式旋轉編碼器.單圈絕對式旋轉編碼器只能測量一圈（360°）范圍內的值，在實際應用中如果測量的量程范圍較大，僅單圈絕對式旋轉編碼器無法滿足需要，應使用多圈絕對式旋轉編碼器.多圈絕對式旋轉編碼器由單圈模塊、多圈模塊以及將兩個模塊數(shù)值組合并轉換輸出的高速芯片構成.單圈模塊即為單圈絕對式旋轉編碼器；多圈模塊主要通過多級齒輪的機械耦合來測量圈數(shù)；高速芯片分別讀取兩個模塊的位置信號并處理后輸出.多圈絕對式編碼器的精度取決于單圈模塊的分辨率，測量量程取決于多級齒輪的級數(shù).以Agilent的一款多圈絕對值編碼器［2］為例，它由光柵單圈模塊AEAS-7000［3］和已集成高速芯片的多圈模塊AEAT-86AD構成.光柵式多圈絕對值編碼器存在著很多缺點：①價格昂貴，特別是光柵單圈模塊；②輸出電平單一，大多數(shù)是以422電平信號輸出；③由于采用了光學原理，容易受光線信號的干擾，導致輸出信號的不準確；④機械安裝要求極高，裝配時必須保證單圈模塊零點和多圈模塊零點誤差范圍在1.5°之內，否則輸出信號不準確.因此，本文設計了一種新型的磁機電絕對式旋轉編碼器，它克服了光柵式編碼器成本高、輸出電平單一、光線易干擾、機械“對零”難等缺點，目前已成功應用于工業(yè)控制儀表設備以及工業(yè)門的快速控制.

1 磁機電絕對式編碼器的組成及工作原理

絕對式旋轉編碼器通過用光信號掃描分度盤（分度盤與傳動軸相聯(lián)）上的格雷碼刻度盤以確定被測物的絕對位置值，然后將檢測到的格雷碼數(shù)據(jù)轉換為電信號，以脈沖的形式輸出測量的位移量.磁機電絕對式編碼器由無接觸式旋轉編碼器芯片AS5045、不含內置控制器的多圈模塊AEAS-84AD和低功耗高性能cortex內核的高速芯片stm32f103 VB［4］構成，能夠串行輸出分辨率為12位、量程范圍為4 096圈的絕對位置.

與光柵式絕對式編碼器的實現(xiàn)原理類似，磁電絕對式旋轉編碼器先分別讀取單圈位置和多圈位置，然后通過高速微處理器芯片進行組合處理，最后輸出差分電平信號，實現(xiàn)框圖如圖1所示.

圖1 磁機電絕對式旋轉編碼器的實現(xiàn)框圖Fig.1 The realization of the magnetic-electromechanical absolute encoder block diagram

2 磁機電絕對式編碼器設計

磁機電絕對式旋轉編碼器為一小型的嵌入式系統(tǒng)，測量原理的設計分為硬件和軟件兩部分.

2.1 硬件設計

由圖1可知，磁電絕對式旋轉編碼器的硬件設計主要分為：①單圈編碼器芯片AS5045與芯片stm32f103 VB之間的接口設計；②多圈模塊AEAS-84 AD接口電路設計；③位置信號的串行輸出接口電路設計.

2.1.1 單圈編碼器芯片接口設計

單轉模塊AS5045［5］是一款無接觸式磁旋轉編碼器，用于精確測量整個360°內的角度.此產品是一個片上系統(tǒng)，在單個封裝內整合了霍爾元件、模擬前段和數(shù)字信號處理芯片.測量角度時，只需簡單地配備1個在芯片中心上方旋轉的雙極磁鐵即可.磁鐵可以安裝在IC的上方或下方，如圖2所示.

圖2 AS5045和磁鐵的典型配置方式Fig.2 The typical configuration mode of AS5045 and magnet

這種絕對角度測量方式可即時指示磁鐵的角位置，其分辨率為0.087 9°，即每圈4 096個位置，數(shù)字化數(shù)據(jù)能夠以串行比特流或PWM信號的形式給出.由于采用了無接觸式檢測方式，故在嚴酷的工作環(huán)境下工作時，仍然可以保證測量精度的需求.

在設計單轉模塊芯片AS5045與芯片stm32f103VB的接口電路時，須注意兩方面的問題，即磁鐵與芯片AS5045的間距以及串行信號的輸出.磁鐵與芯片AS5045的間距必須控制在合適的范圍內，否則芯片AS5045無法正常工作.圖3為AS5045與stm32f103VB的硬件連接圖.圖中，MagINCn腳表示磁場增強，低電平有效，表明磁鐵與器件表面的間距減?。籑agDECn腳表示磁場減弱，低電平有效，表明磁鐵與器件表面的間距增大，各接一個發(fā)光二極管，用來指示磁鐵位置是否在合適的范圍內.其次，單圈位置信號的輸出部分是一個標準的SPI協(xié)議，圖中DO腳表示同步串行接口的數(shù)據(jù)輸出，CLK腳表示同步串行接口的時鐘輸入，而CSn腳是片選信號，低電平有效.

圖3 AS5045與stm32f103VE的硬件連接圖Fig.3 The hardware connection diagram of AS5045 with stm32f103VE

2.1.2 多圈模塊AEAS-84AD接口電路設計

AEAS-84AD多轉模塊［6］集光、機、電一體，如圖4所示，由IR-LED電路、光敏晶體管電路和安裝在PCB板中的齒輪組成.模塊內有內置控制器，用來檢測軸旋轉的圈數(shù)，然后將多元化輸出提供給控制器.當采用編碼齒輪技術后，組合模塊的輸出會通過控制器產生位置信息.掉電不需電池，上電位置即刻檢測，因此應用簡單、易實現(xiàn).讀取多圈位置實際上是一次分別讀取各級齒輪對應數(shù)值的過程，選定一個特定齒輪號，然后讀取該齒輪對應的碼字，硬件連接如圖5所示.

2.1.3 位置信號的串行輸出接口電路設計

高速控制芯片在分別讀取單圈模塊和多圈模塊的數(shù)值后，根據(jù)兩者之間的邏輯關系進行組合處理，處理結果須通過一種并行或串行方式的信號輸出.雖然并行方式輸出信號速度快，但是接口管腳數(shù)多，且易受干擾，因此本設計選擇串行的方式.為了使信號具有一定的抗干擾能力和帶載能力，可以在串行輸出信號端增加一些通訊協(xié)議芯片將其轉化為差分串行信號，串行輸出接口電路如圖6所示.

圖4 AEAS-84AD多轉模塊實物圖Fig.4 The entity of multi-turn encoder module AEAS-84AD

圖5 AEAS-84AD與stm32f103Vb的硬件連接圖Fig.5 The hardware connection diagram of AEAS-84AD with stm32f103Vb

圖6 信號的串行輸出接口Fig.6 The serial interface of output signal

2.2 軟件設計

在磁機電式絕對值編碼器硬件電路設計的基礎上實現(xiàn)相應的系統(tǒng)軟件.由圖1可知，該系統(tǒng)的軟件由4部分組成：①單圈位置數(shù)值的獲??；②多圈位置數(shù)值的獲取；③單圈數(shù)值與多圈數(shù)值的邏輯組合處理；④位置信號的輸出實現(xiàn).

2.2.1 單圈位置數(shù)值的獲取

單轉模塊AS5045將測量的單圈位置信號轉化為12位絕對值編碼，然后進行串行輸出，其輸出時序如圖7所示.

圖7 同步串行接口時序圖Fig.7 Synchronous serial interface timing diagram

當CSn為邏輯低電平時，數(shù)據(jù)輸出（DO）將從高阻態(tài)變?yōu)檫壿嫺唠娖剑幼x取操作：

（1）經過最短時間500 ns后，數(shù)據(jù)在CLK的第1個下降沿鎖存至輸出移位寄存器；

（2）每個后續(xù)的CLK上升沿將溢出1位數(shù)據(jù)；

（3）串行字包含18位，前12位是角度信息D［11：0］，后6位包含系統(tǒng)信息，涉及數(shù)據(jù)的有效性，諸如OCF、COF、LIN、奇偶性和磁場狀態(tài)等；

（4）通過CSn處的邏輯“高”脈沖啟動下一次測量，CSn的最小持續(xù)時間為500 ns.

從邏輯時序圖可知，圖7為典型的SPI通信協(xié)議.本設計在單圈位置讀數(shù)時，利用高速控制芯片stm32f103VB的3個GPIO（PA［0..2］）模擬SPI通信協(xié)議.當對單圈模塊開始讀數(shù)時，控制芯片的PA0、PA1置為輸出，分別模擬片選信號和時鐘信號；PA2置為輸入，用于接收數(shù)據(jù).由圖7可知，PA0拉低，PA1循環(huán)地置低、拉高，并且在PA1的上升沿讀取PA2的管腳值，具體如流程圖8所示.其中Flag_bit是串行讀出數(shù)據(jù)位數(shù)計數(shù)器，當小于12時，在時鐘信號的上升沿將串行讀出的每一位數(shù)記錄在data的最低位，然后左移一位，當12位全部讀取后，整體右移一位，即得當前單圈位置值.

2.2.2 多圈位置數(shù)值的獲取

利用多圈模塊AEAS-84 AD讀數(shù)時，需事先設定MTMUX［2：0］可以選定內部的多級齒輪，并通過MTDAT［2：0］讀取齒輪的值.編碼齒輪1到7產生的3位編碼通過MTMUX［2：0］分別輸出到MTDAT［2：0］上.MTMUX［2：0］上的二進制數(shù)值對應著編碼齒輪號碼（1=編碼齒輪1，2=編碼齒輪2等）.

由圖5可知，高速控制芯片stm32f103VB的3個GPIO（PB［0..2］）輸入多圈的齒輪信號，再利用控制芯片的另外3個GPIO（PD［0..2］）接收齒輪的編碼信號，其具體流程見圖9.

圖8 單圈軟件流程圖Fig.8 The software flow chart of lap measuring module

圖9 多圈位置數(shù)值的讀取流程示意圖Fig.9 The flow chart of accessing multi-turn type measuring module location value

2.2.3 單圈數(shù)值與多圈數(shù)值的邏輯組合處理

在分別獲取單圈和多圈位置后，需要將兩個位置進行組合處理，這是磁機電絕對式編碼器設計非常重要的內容.本設計根據(jù)圖10所示的V位級聯(lián)算法，將單圈模塊數(shù)值的最高位碼字和多圈模塊6個編碼齒輪對應的18個編碼進行統(tǒng)一的邏輯處理（每一個齒輪生成3位編碼），處理后產生12位的格雷碼［7-8］，然后將獲得的12位格雷碼轉化為自然二進制碼，該碼字對應的為真正多圈位置的數(shù)值，將這12位自然二進制碼和單圈位置編碼相結合對應于真正的物理位置.

圖10 V位級聯(lián)算法原理圖Fig.10 The schematic diagram of V-bit connection algorithm

2.2.4 位置信號的輸出實現(xiàn)

由于磁電絕對式編碼器通常是控制系統(tǒng)中的一個關鍵傳感器，控制系統(tǒng)經常會隨機地發(fā)送時鐘信號以讀取編碼器的測量值，磁電絕對式編碼器在收到時鐘信號后將位置編碼信號從高位到低位或從低位到高位串行地輸出，控制系統(tǒng)收到編碼信號后便可監(jiān)測到位置、速度等信號的變化.

在位置信號輸出時，必須注意兩方面的問題：①時鐘信號的周期必須有范圍限制，如在［Tmin，Tmax］之內，超過該范圍的時鐘信號都必須放棄數(shù)值信號的輸出；②位置編碼的更新和輸出必須保持同步.如位置編碼在更新過程中，必須禁止位置編碼信號的輸出；同樣地，在位置編碼信號輸出的過程中，也必須將該信號鎖存，不允許更新，由此即不會造成位置編碼信號更新和輸出的沖突.

磁機電絕對式編碼器的控制芯片stm32f103 VB通過中斷技術接收時鐘信號，即把GPIO的外部中斷設置成單邊沿觸發(fā)的方式，在一個時鐘信號周期中，stm32f103VB將響應一次中斷服務程序，在服務程序中再將位置編碼信號移出，具體流程如圖11所示.由于stm32f103VB采用了完全基于硬件的tail-chaining中斷技術，具有非?？斓闹袛囗憫俣?由于時鐘周期有范圍限制，故在中斷服務程序中須打開定時器，若時鐘周期超過該范圍，觸發(fā)定時器溢出中斷服務程序，并通過該程序將位置編碼輸出狀態(tài)復位，以準備下一次的編碼器讀取.

圖11 外部中斷服務程序Fig.11 The external interrupt service program

3 結 語

本文設計的磁機電式絕對值編碼器精度高、可靠穩(wěn)定，最重要的是成本低，只有光柵式絕對值編碼器成本的1／3左右，在目前被外國商家占領的高端編碼器市場中占有一席之地.該磁機電式絕對值編碼器作為許多控制系統(tǒng)的關鍵部分已經成功應用于智能電動執(zhí)行器、工業(yè)門控制等場合，大幅降低了整套控制系統(tǒng)的制造成本，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，取得了很好的經濟效益.

［1］ 王鵬.編碼器的原理特性及應用［J］.重工與起重技術，2011（3）：20-22.

［2］ Avago.Avago Technologies.Integration of AEAS-7000 with AEAT-84 AD：Mechanical design considerations［EB／OL］.US：Avago Technologies Pte.（2006-07-14）［2014-10-20］.www.avagotech.com.

［3］ Avago.Avago Technologies.AEAS-7000 ultra-precision 16 bit gray code absolute encoder module［EB／OL］.US：Avago Technologies Pte.（2012-06-20）［2014-10-20］.www.avagotech.com.

［4］ STMicroelectronics.STM32F103x6 STM32F103x8 STM32F103xB performance line，ARM-based 32-bit MCU with Flash，USB，CAN，7 timers，2 ADC，9 communication interfaces［EB／OL］.US：STMicroelectronics.（2012-06-10）［2014-10-20］.http：／／www.stmicroelectro-nics.com.cn／.

［5］ Austriamicrosystems.AS5045 12 bit programmable magnetic rotary encoder［EB／OL］.US：Austriamicrosystems.（2006-07-03）［2014-10-20］.www.austriamicrosystems.com.

［6］ Avago Technologies.AEAT-84AD 14／12 bit multiturn encoder module［EB／OL］.US：Avago Technologies Pte.（2012-06-11）［2014-10-20］.www.avagotech. com.

［7］ 方杰.基于HIPERFACE協(xié)議的絕對式高分辨率編碼器接口設計和在交流伺服中的應用［J］.機械制造，2014，52（7）：44-46.

［8］ 孫大海，艾華.基于FPGA雙路EnDat2.2編碼器的接口設計［J］.液晶與顯示，2014，29（5）：745-750.

（編輯 俞紅衛(wèi)）

Design of a New Magnetic-Electromechanical Absolute Encoder with High-Accuracy

MA Xianghua1， DUAN Junhua2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China；2.Logistics Engineering College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

A new magnetic-electromechanical absolute encoder was designed with high accuracy and low cost integrating magnetic，mechanical and electric technologies.Lap measuring module was designed based on magneto-electric theory，lap and multi-turn type measuring modules were processed with combination by using V-bit cascade algorithm，and then the effective and reliable realization of serial output of location coding signals was attained by taking advantage of exterior interrupt and timer of microprocessor.The practical application showed that the designed magnetic-electromechanical absolute encoder was effective with high-accuracy，stability and reliability.

encoder；grating absolute value encoder；magnetic-electromechanical absolute encoder；V-bit cascade algorithm

TP 212

A

1671-7333（2015）04-0387-06

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.04.016

2014-11-03

馬向華（1975-），女，副教授，博士，主要研究方向為網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、電氣節(jié)能控制以及混合動力汽車能量管理等. E-mail：xhuam＠sit.edu.cn