专利名称：基于fpga的伺服电机实时转速检测模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种转速检测模块，尤其涉及一种用于伺服系统的伺服电机实时转速检测模块。
背景技术：
伺服系统(servomechanism)是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。在现代高精度伺服控制系统如数控机床、引线键合机上，通常采用增量式光电编码器作为位置传感器。光电编码器是一种集光学、机械、电子为一体的数字化角度传感器，它一般安装在机械设备的旋转轴上或者通过联轴器与旋转轴连接，通过光电转换，将旋转轴的角度位移量实时转换为数字化编码脉冲，并 传输给计算机或其它与编码器相连接的数字控制设备，为机电系统的闭环控制提供位置反馈信息。不仅如此，在数字控制系统中，将旋转轴位置信息与时间信息结合，还可以对伺服电机的转速进行精确检测，为速度闭环控制系统提供速度反馈。在实际应用中，由于成本原因，往往只能采用低精度的编码器作为反馈器件。同时，微分或差分运算将不可避免地将位置信息中包含的噪声放大，导致计算出的速度、加速度严重偏离真实值。光电编码器在制造过程中引起的各种误差，如刻线不均、偏心等，会在实际应用时，导致控制系统读取的位置信息以及相应记录的时间信息产生偏差，进而严重影响速度、加速度测量的精度。另一方面，控制系统在进行闭环运算时，需要获得的是电机或旋转轴实时的位置、速度、加速度信息。然而在编码器实际工作时，电机或旋转轴转速的变化会引起输出的脉冲频率的相应变化，而由数字系统的采样周期通常是固定的，再加上编码器输出与数字系统的采样不会同步，系统获得的位置信息就可能会有一定滞后，而通过微分或差分运算，得到的也将是电机或旋转轴过往某一时刻的转速。这一测量上的滞后，也会对控制系统的性能产生不利的影响。常用的转速检测方法，诸如M法、T法、M/T法直接采用了编码器反馈的位置信息与控制系统获得的时间信息进行差分运算。对于线数少、误差大的低精度编码器，这些方法有的精度差，有的在不同转速条件下测量效果相差很大，有的测量延时现象严重，都难以满足高精度伺服控制系统的要求，故而需要设计合适的转速检测手段，以减小测量误差，提高伺服系统的转速检测的实时响应性能。因此，本领域的技术人员致力于开发一种伺服电机的实时转速检测模块，在伺服系统中实时获得伺服电机的当前转速。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种伺服电机的实时转速检测模块，通过对伺服电机的转角和时间进行多项式拟合，实时计算获得伺服电机的转速。为实现上述目的，本发明提供了一种伺服电机的实时转速检测模块，其特征在于，包括信号预处理单元，其与光电编码器相连以接收所述光电编码器发出的信号，并输出对应于所述光电编码器发出的所述信号的伺服电机的转角和时间；数据拟合单元，其接收所述信号预处理单元输出的所述转角和所述时间，并对所述转角关于所述时间进行多项式拟合以获得所述伺服电机的转速。进一步地，所述信号预处理单元和所述数据拟合单元皆由FPGA芯片构造。进一步地，所述多项式拟合采用n阶多项式
y = f (t) = pntn+pn_!tn_1+L+p!t+P0 ； (I)其中，y是所述转角，t是所述时间，pQ、Pp…、Pn是所述n阶多项式的参数。这样，对于所述光电编码器发出的m个所述信号，通过式(I)可以得到m个方程Pnt in+Pn-l t !^1 +L+p! t! +Po = J1Pnt^+Pn—itf+L+pA+p。= y2。(2)LLLLPnt^+Pn-lt/^+L+Pit^Po = ym定义矩阵
权利要求
1.ー种伺服电机的实时转速检测模块，其特征在于，包括 信号预处理単元，其与光电编码器相连以接收所述光电编码器发出的信号，并输出对应于所述光电编码器发出的所述信号的伺服电机的转角和时间； 数据拟合単元，其接收所述信号预处理单元输出的所述转角和所述时间，并对所述转角关于所述时间进行多项式拟合以获得所述伺服电机的转速。
2.如权利要求I所述的伺服电机的实时转速检测模块，其中所述信号预处理単元和所述数据拟合单元皆在FPGA芯片上构造。
3.如权利要求I或2所述的伺服电机的实时转速检测模块，其中所述多项式拟合采用n阶多项式y = f (t) = Pn^Plrii^+L+Pit+p。;其中，y是所述转角，t是所述时间，p0、Pi>…、Pn是所述n阶多项式的參数。
4.如权利要求3所述的伺服电机的实时转速检测模块，其中所述数据拟合单元采用最小ニ乘法获得所述n阶多项式的所述參数。
5.如权利要求4所述的伺服电机的实时转速检测模块，其中所述光电编码器是增量式光电编码器。
6.如权利要求5所述的伺服电机的实时转速检测模块，其中所述信号预处理单元对来自所述光电编码器的所述信号进行预处理，所述预处理包括对所述信号滤波和倍频。
7.如权利要求6所述的伺服电机的实时转速检测模块，其中所述光电编码器输出的所述信号是差分信号，所述信号预处理単元通过差分信号转换芯片连接到所述光电编码器，所述差分信号转换芯片把所述光电编码器输出的所述差分信号转换成单端信号以输入所述信号预处理単元。
8.如权利要求7所述的伺服电机的实时转速检测模块，其中所述数据拟合单元进行所述多项式拟合时，采用动态拟合点选取方法，所述动态拟合点选取方法为 1).如果所述信号预处理単元在一个伺服周期内接收到所述光电编码器发出的信号，则把所述伺服周期内距离所述伺服周期的中断时刻最近的信号作为新拟合点，把对应于所述信号的所述伺服电机的转角和时间作为所述新拟合点的数据； 2).所述数据拟合单元确认所述新拟合点后，将其与之前的m-1个拟合点的所述数据进行所述多项式拟合，获得所述n阶多项式的所述參数，计算所述伺服电机在所述中断时刻的转速，所述m与所述n的关系为m > n+1 ； 3).如果所述信号预处理単元在所述伺服电机的一个伺服周期内未接收到所述光电编码器发出的信号，则采用所述数据拟合单元对所述伺服周期的上一个伺服周期进行所述多项式拟合得到的所述n阶多项式的所述參数，计算所述伺服电机在所述中断时刻的转速。
9.如权利要求8所述的伺服电机的实时转速检测模块，其中所述n= 2，所述m= 7。
全文摘要
本发明公开了一种伺服电机的实时转速检测模块，包括信号预处理单元和数据拟合单元，信号预处理单元与光电编码器相连以接收光电编码器发出的信号，并输出伺服电机对应于光电编码器发出的信号的转角和时间，数据拟合单元接收信号预处理单元输出的转角和时间，并对转角关于时间进行多项式拟合以获得伺服电机的转速。本发明的伺服电机的实时转速检测模块应用最小二乘法的多项式拟合方法代替传统的差分方法，解决了传统方法中测量精度与测量实时性之间的不可调和的矛盾，实现了在伺服系统中实时地、高精度地获得伺服电机的当前转速。
文档编号G01P3/481GK102759633SQ201210232589
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者丁汉, 刘佳, 吴建华, 熊振华, 王恕 申请人:上海交通大学