南台科技大學碩士論文交流伺服馬達驱動器奥整合式旋轉編碼器之介面設計研究生：陳秉瑜本論文業經審查及口試合格特此證明論文考試委員指導教授所長中華民國九十三年七月六日摘要在現今搭配馬達的编码器，若是絕對式(Multi-turn absolute encoder,MAE)與整合式(Integrated rotary encoder.,IRE)編码器的，常需搭配系統廠商的驅動器来配合使用，往往提高了其使用上的限制及價格。為了克服整合式旋轉編碼器與交流伺服馬達驅動器間之系統封閉性，藉以達到整個伺服控制系統之完全系統化設計而降低成本使產品具有競爭力，本論文提出交流伺服馬達驅動器與整合式旋轉編码器之介面設計，藉以達到整個伺服系統之完全系統化設計而降低成本使產品具有競争力。此介面由一CPLD(plex programmable logic device)来實現，其內部包括曼微斯特編码及循環重複檢查兩方面之通訊協定·利用CPLD的可程式规劃遥輯把整合型編碼器的解碼電路設計出来，解決其單一廠商的限制性。最後透過數位示波器來验証原驅動器與CPLD所接收之數據之一致性。在應用方面透過RE的原理將絕對式編码器需多組傳输線的缺點簡化輸出線路，使輸出線只需一條串列信號輸出即可，减少線路複雜性與斷線的可能。此點在系統整合與維修上都有極大的優勢。且RE技術已和串列式高解析度編隔器之設計與製作結合，提高其附屬價值。最後增加了學術上的研究完整性，讓國內有心朝這方面發展的廠商有自行設計能量，而不再依靠國外進口。Interface Design of AC Servo Motor Drives andIntegrated Rotary EncodersAbstractA servo motor coupled with a multi-turn absolute encoder (MAE)or an integratedrotary encoder (IRE)and its drive are generally sold together.The sale raises theproduct price and forms the closeness of the servo control systems.Sine the interfacebetween the encoder and the drive is not opened.The thesis presents an interface designbetween an AC servo motor drive and an IRE to pletely integrate the whole servocontrol system and reduce cost.A plex programmable logic device (CPLD)is employed to reduce theplexity of the corresponding interface where the munication protocols thatinclude Manchester coding and the cyclic redundancy check (CRC)are analyzed,andremoves the restriction of closeness.The experimental results which are measured by adigital scope are given to show the consistency between outputs from CPLD and thosefrom the mercial product.In application using the origin of IRE simplifies the disadvantage of MAE whichneeds multiple data bus to just one serial signal output and then reduces the electricalplexity and the possibility of disconnection.This point has an important advantagein system bination and maintenance.IRE has bined serial high-resolutionencoders to the design and implementation to increase its additional values.Finally theIRE increases the academic research for panies which want to advance in thisdirection to have design energy by themselves so that they don't need to depend onforeign countries.vi致謝在研究所求學的三年過程中，首先感谢恩師王明賢教授除了傾囊相授專業學門知識和獨立研究的態度、精神和方法以外並適時指導生命真諦，均给予我觀念及方向的釐清有著非常大的助益，在此特别感謝王明賢老師孜孜不倦的教誨，使得研究工作能順利進行，致使本論文得以順利完成。論文口試時，承蒙孫育義老師、及陳遵立老師耐心審閥拙文，匡正疏漏，予以细心指點及寶貴之意見，使本論文能更臻完備，並在親念釐清上收穫良多，在本人就讀研究所期間，日久公司提供很多的協助，不論是技術交流或是硬體設備上，對於本研究有相當的助益，尤其是该公司的許富順經理和廖鸿文工程師，及實驗室成員在論文研究的討論上給予諸多的幫助和指正·本人在此表達感谢之另外，咸謝大阪產業大學平山教授為我實習一事進行聯繁，最後得以順利進入日本三菱電機實習，以及早川副所長、魚谷部長及大場課長…等多位幫助，使得本人在日本實習一年期間能順利進行。在日本期間特别感謝張燕慧小姐、仲森先生及曾曉君小姐一家人對我的嗣懷。豐富了我在日本的生活。最後·感谢多年來不斷给予我支持與關懷的家人·我的母親陳麗卿女士養育栽培之恩，在我遭遇挫折時给我加油打氣，皆是支持我不断向上的原動力。最後·再次威謝所有幫助過我的師長及親朋好友，大家三年來不斷的關懷鼓勵與支持包容，使我能夠全心投入求學和研究中，希望您們能與我共同分享這份喜悦與荣耀。i目摘要----.v英文摘要vii目次表目錄第一章緒論1.1研究動機與目的1.2本文架構232.2.1增量式编码器(Incremental Encoder,E).62.2.2絕對式编码器(Absolute Encoder,ABS)2.2.3整合式编码器(Integrated Rotary Encoder,.RE).11第三章编码理論15163.2曼微斯特码(Manchester Code)163.3循環冗码查核(Cyclic Redundancy Check,CRC)213.22-模運算(Modulo2 Arithmetic).213.2多項式(Polynomials).24第四章解、編碼器設計流程284.1RE解碼電路設計284.1.1同步電路設計294.2RE編碼電路設計3334第五章系統架構與實驗結果3651系統架構36385.3系統應用425.3.1系統架構435.4結論及未來展望4647附錄一產品目錄4952表目錄表1十進位、二進位、格雷码之比較10表2在CCW下RE低位元组串列输出資料20表3在CCW下RE高位元組串列輸出資料21圖目錄圖1.1控制系統架構2圖2.1增编码器的動作原理7圖2.3利用倍頻技術圖2.6格雷码轉换二進位码電路.…12圆2.8RE串列输出格式13圖2.9RE腳位位元組輸出波形(a)低位元(b)高位元16圖3.2曼微斯特符號.17圖3.3在CCW下RE串列输出低位元组波形()小(b)17圖3.4多項式除法25圖3.5检測RE低位元組串列輸出資料有無發生错誤，262829圖4.3(a)常見非同步化設計(b)遥輯閘部分及波形圖30圖4.4同步化設計30圖4.5非同步設計.31圖4.6同步化設計.31圖4.7常見非同步清除的設計32圖4.8(a)非同步Reset之設計(b)同步Reset設計.3233圖4.10CW與CCW定義343536圖5.2硬體架構(IRE系統解码硬體(b)CPLD與8051结合输出硬體電路37圖5.3在CCW下CPLD解码電路所得位元組資料()低位元(b)高位元38圖5.4在CW下IRE串列位元組输出信號(a)低位元(b)高位元.39圖5.5在CW下IRE串列输出低位元組波形39圖5.6在CW下IRE串列输出高位元組波形40圖5.7在CW下CPLD解码電路所得低位元組資料41圖5.8在CW下CPLD解码電路所得高位元組資料42圖59本應用之系統示意圖43圖5.1016倍頻之關像圖44圖5.1122.5度區間的邊界4445圖5.1316倍頻電路之方塊圖45圖5.1416倍頻波形圖.45xi第一章绪論1.1研究動機和目的近年來，由於微電子技術的快速發展，具有高速運算能力的數位信號處理器(digital signal processor,DSP)，已廣泛應用於各種語音處理、影像處理、數位通訊、以及伺服系統。由於DSP的高速計算能力，以往僅能以類比電路實现的控制迴路，也得以數位方式實现，就伺服系統而言，這包含了扭矩迴路、電流迴路，乃至於功率轉换器的脈宽調變控制。圖1為常見的控制系統架構。基本上一個伺服系統的設計率涉到伺服馬達與回授感測元件的選擇、微處理器與關鍵功率元件的選擇、相關軟硬體的設計等，而國內在整個伺服系統設計上皆有能力自製，唯獨回授感测元件上幾乎皆從國外進口。而往往一馬力以下，编碼器之進口價就佔了馬達成本的一半。編码器(Encoder)為一感测元件，用以监祝物體的運動狀態或量测位置。一個標準的編碼器將位置的運動，轉换成為一連串的脈衝訊號，然後再據以轉换成與控制相關的訊號，如轉速，位置，或方向等。而一般的編碼器的硬體型態有二種分别為絕對式(Multi-turn absolute encoder,MAE)與增量式(incrementalencoder,IE)目前國內廠商在非伺服運動控制應用上，仍自製磁式旋轉編碼器(Magicrotary encoder,MRE)来使用，唯解析度不高，但在系統上省了不少成本，增加了競爭力。對於伺服馬達而言，要精準的定位，需要更高效能的編碼器。吾人相支援，所以由於雨者的界面不同，組装機器之型態亦將不同；而絕對式編碼器有些伺服馬達製造商便將兩種編码器整合為一(Integrated rotary encoder，IRE)來克服上迹問题。由於各家馬達製造商视上迹内容為絕對機密，他人不易獲得相