CN101729071A

CN101729071A - 高速正余弦细分装置

Info

Publication number: CN101729071A
Application number: CN200910188342A
Authority: CN
Inventors: 隋继平; 张赞秋; 于德海
Original assignee: Dalian Guangyang Science and Technology Engineering Co Ltd
Current assignee: Dalian Kede Numerical Control Co Ltd
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: CN101729071B

Abstract

本发明公开了一种高速正余弦细分装置，其特征在于通过正余弦数据采样和计算模块，整周期计算模块，查表模块，求和模块，输出模式选择模块，脉冲模式输出模块，绝对值输出模块将正余弦信号进行多倍插值细分，已达到低精度正余弦输出的编码器高精度输出的目的。该装置具有细分精度高，通过单芯片系统更是使其响应时间快，可达到同国外同精度产品的响应速度。另外，由于其结构简单、便于生产，而且成本低廉适于在所有使用正余弦信号输出的位置测量、角度测量、运动控制领域，如数控机床、高精度的测量仪器等领域广泛推广。

Description

高速正余弦细分装置

技术领域

本发明涉及一种编码器输出信号处理系统，尤其涉及一种能将正余弦信号进行多倍插值细分的装置。

背景技术

编码器是数控系统测量系统的核心功能部件，其发展也由原始的方波增量到正余弦增量到绝对值输出，分辨率也越来越高，精度也越来越好。早期的数控或测量系统中采用方波式输出编码器，但是随着工业的发展，对工件和测绘的精度的需求不断提高，原有的编码器已经不能满足要求，主要包含以下问题：

1、方波输出没有过度相位，即方波输出由一种状态到另外一冲状态时没有中间态，因此对于固定线数的编码器来说分辨率就确定了。

2、方波输出式的编码器当需要较高的分辨率时，必须提高码盘的物理刻线数量，但是当刻线数量增加时，必须增加码盘的直径，同时制作工艺难度大大增加。

3、在方波输出的编码器中当转速提高时，由于内部单色光的干涉现象更加明显，同时输出方波的频率增高，频谱丰富，对接收端的要求增高。因此方波输出的编码器能实现的最大转速较低。这种情况在高分辨率的编码器中更加的明显。

4、方波输出传输距离较近，最优大概30米，过长极易由于方波传输中高频部分的缺失造成误计数和不计数。

近几年新兴的产品正余弦输出的编码器以其精度好，后续处理简单快捷，数值直观易用在数控领域被广泛应用，正余弦输出的编码器是高分辨率高精度低成本的平衡产品，有很多优势：

1、输出波形包含相对的相位信息，因此可以利用特定插值法实现分辨率大大提高，而不需要提高物理刻线。

2、正余弦输出的编码器输出频谱比较纯净，频谱特异成分少，因此较方波输出和绝对值输出编码器更加适合远距离的传输，衰减小，距离远。

3、在相同的数学分辨率下，物理刻线比方波式输出的编码器少很多，可以提供更高的转速。

因此正余弦输出的编码器一出现就是高端高精的代名词。但是由于技术难度大，只被世界的几个大公司掌握，尤其高精度编码器的价格更是惊人的高，往往一些厂商已应用其低精度的产品，在需要编码器的精度进一步提高时就要花费高额的价格购买其高精度产品来替代已有产品，这样不但加大了企业的负担，而且也带来了浪费，所以一种能够改变原有产品精度的装置急需被研制出来解决以上问题。

发明内容

本发明的目的在于打破几大公司对正余弦细分技术的垄断和对国内的封闭，提供一种低成本的前提下，以将正余弦信号进行多倍插值细分的方案实现高分辨高精度控制。具体采用的技术手段如下：

一种高速正余弦细分装置，其特征在于包括：

差补周期产生模块，，用于产生启动脉冲信号和整个装置运行的周期时序。

正余弦数据采样和计算模块，用于接收编码器输出的两路正余弦信号，并对这两路正余弦信号的电压值进行A/D转换，已获得这个两路正余弦信号的电压值所对应的数字量，后对采样获得的两路正余弦信号的电压值的数字量进行除法的操作；

整周期计算模块，用于对编码器输入的正余弦信号进行整周期的计数；

查表模块，用于将正余弦数据采样和计算模块处理后的数据，同查表模块内储存的两路正余弦波电压值数字量的除法值所对应细分值的数据表进行比较，以此获取细分值；

求和模块，用于将整周期计数模块所得到的编码器输入整周期正余弦信号个数乘以当前的细分倍数，然后用这一乘法后的结果与查表模块查出的当前正余弦信号的细分值进行加法操作；

输出模式选择模块，用于根据输入的指令进行输出模式的切换工作，当选择脉冲输出模式时，本模块将求和模块最终得到的加法的结果传递给脉冲输出模块；同样当选择绝对值输出模式时，本模块将求和模块最终得到的加法的结果传递给绝对值输出模块；

脉冲模式输出模块，用于对输出模式选择模块输入的根据加法结果确定的脉冲数以脉冲的形式输出；

绝对值输出模块，用于对输出模式选择模块输入输入的根据加法结果确定的脉冲数以数据的形式直接输出；

所述正余弦数据采样和计算模块及整周期计算模块同编码器相连接进行同步采样，所述正余弦数据采样和计算模块同整周期计算模块相连接向其发送同步信号；所述差补周期产生模块同正余弦数据采样和计算模块相连接向其发送启动脉冲信号，所述正余弦数据采样和计算模块同查表模块相连接；所述整周期计算模块将计录编码器输入的整周期正余弦信号的个数发送到与其连接的求和模块中；所述求和模块将与其连接的查表模块发送过来的当前正余弦信号的细分值数值同整周期计算模块发送过来的输入整周期正余弦信号个数乘以当前的细分倍数值进行求和后，发送到与其连接的输出模式选择模块上，经输出模式选择模块的选择后，由脉冲模式输出模块以方波的形式输出或由绝对值输出模块以数据形式直接输出。

还包括参数选择输入模块分别同正余弦数据采样和计算模块、查表模块、求和模块以及输出模式选择模块相连接；用于将A，B相正余弦信号是否需要互换位置的信息传递给采样和计算模块；将用户所需要的细分倍数的信息传递给查表模块以及求和模块中；将用户所需要的输出模式信息传递给输出模式选择模块。

上述各组成模块都集成在现场可编程门阵列FPGA中。

本法明针对现有技术其优点是显而易见的，具体如下：

1、最快可达200ns的差补周期(细分计算的时间)，不逊色于国外同类高端的细分设备的速度。

2、输入的A，B相正余弦信号最高可达600KHZ，依然能稳定实现细分功能，同国外同类高端的细分设备相当。

3、拥有对编码器C，D相正余弦信号的细分功能，更方便用户电机控制时电气角的计算。

4、支持传统的脉冲输出方式，方便使用脉冲输出编码器的用户使用，不必更改数据的接收方式就可以应用，大大提高编码器分辨率的同时基本不会提升成本。

5、支持绝对位置值输出方式，传统的脉冲输出方式由于接收脉冲信号端采样时钟的限制(不能无限制的提高)，造成细分设备输入A，B相正余弦信号频率的限制(不能达到如600KHZ这么高的频率)，从而限制了电机旋转的最高速度。绝对位置值输出方式克服了这一缺陷，必将成为行业中通用的数据传输方式。

6、在采用14位A/D转换器的前提下可达到16384倍的细分倍数，在同类的细分设备中处于领先地方。

单芯片系统是将电子系统的全部设备集中设计在同一片芯片上，通过一定的协调机制对系统中的各个设备进行协作管理，以达成系统级的功能实现。单芯片系统普遍具有结构简单的特点，同时硅知识产权核复用技术也简化并加快了单芯片系统的设计过程，既可以根据具体需求方便的对应用功能模块进行增减，又可以使升级和修改变得更为容易。另外，由于其结构简单，不仅便于生产，而且成本低廉适于在所有使用正余弦信号输出的位置测量、角度测量、运动控制领域，如数控机床、高精度的测量仪器等领域广泛推广。

附图说明

图1为本发明所述高速正余弦细分装置的结构框图；

图2为本发明所述高速正余弦细分装置的处理流程图。

具体实施方式

如图1和图2所示，该高速正余弦细分装置的具体工作过程如下：首先，差补周期产生模块产生整个装置的计算周期脉冲信号，用以控制装置启动和按照规定的时钟周期进行各命令的执行；然后，正余弦数据采样和计算模块用于接收编码器输出的两路正余弦信号(两路正余弦信号为A，B相或C，D相信号)，对这两路正余弦信号的电压值先进行12位(或14位)的A/D转换，就能得到这个两路正余弦信号的电压值所对应的数字量。该数字量为12位A/D转换器得到的，所以可达到的最大细分倍数为2的12次幂，即4096倍。同理用14位A/D转换器可以达到的最大细分倍数16384倍；其中的计算过程是，将采样过程获得的两路正余弦信号的电压值的数字量进行除法的操作，即用A相信号A/D转换后的数字量除以B相信号A/D转换后的数字量(或用C相信号A/D转换后的数字量除以D相信号A/D转换后的数字量)。其中A/D的位数决定的是细分倍数的最大值，如12位的A/D最大的细分倍数可达4096倍。也可以实现比它小的2048，1024，512，256，128，64，32倍。

整周期计算模块，用于对编码器输入的正余弦信号进行整周期的计数。正余弦信号的整周期计算模块，将编码器输出的正余弦信号进行整周期的计数，编码器旋转一周，计数值的增量等于编码器的线数，要对输入信号要进行滤波，要处理整周期波形的滞后现象。

通过一种数字滤波的方法(就是在一个高频的时钟控制下对方波信号的高电平(或低电平)进行多次采样，取多数的情况。(如对高电平采样5次，由于干扰有一次为0，四次为1，就认为结果为1))，将高频干扰滤除掉，以防整周期计数值出现偏差。其中，要处理整周期波形的滞后现象包括想对输入的正余弦波进行整周期计数，先要对正余弦波进行方波整形，是通过比较器实现的，(就是正余弦信号的电压高于某个值时，如2.5V，就整成高电平，低于2.5V时就整成低电平)也是很通用的方法。(这是对整周期波形的处理)。否则无法进行计数。整形完成后进行计数操作，在这期间需要将滞后的部分补偿回来。正余弦波进行整形包括在纯硬件基础上将波形变为易处理的形式，但在这一过程中，新的波形将相对输入的波形产生滞后。为解决这种滞后进行周期计算时需要将整周期的滞后值进行补偿，通过AD输出值的采样和计算模块中得到的一个同步信号，将滞后值进行补偿计算，从而使整周期计数值不会因为滞后产生误差。

其中正余弦数据采样和计算模块处理后的数据交与查表模块，由查表模块根据内储存的两路正余弦波电压值数字量的除法值所对应细分值的数据表进行比较，以此获取细分值。由于输入的A，B两相正余弦信号经过A/D转换后得到它们的数字量。计算过程是将这两个数字量进行除法操作，这个除法所的到的值和采样A，B相信号的值共同确定了这个除法值在一个正余弦周期内的唯一性，所以进行具体如下操作以实现两路正余弦波电压值数字量的除法值所对应细分值的数据表的形成：

以32倍细分为例进行说明，取相位差为90°两路正余弦波e和f(A相与B相或C相与D相信号相位相差为90°)，e的相位超前于f 90°(A相是超前于B相90°的，C相是超前于D相90°的)，它们的振幅为M，当使用12位A/D转换器时，A，B相正余弦信号的振幅为4096，因此取M为4096，同理当使用14位A/D转换器时，M的值取16384，这样就可以保证所取的e，f正余弦波与A，B相正余弦信号(或C，D相正余弦信号)在幅度和相位上完全一致。也就可以保证e，f正余弦波与A，B相正余弦信号(或C，D相正余弦信号)在同一个位置上所算得的除法值是相同的。将e，f的一个周期均等的分成32份，取e，f正余弦波32份中每一份的起点和终点的幅度值进行除法(用e除以f，这个与A除以B对应)，因为第一段的终点是第二段的起点，所以得到了32个除法的结果，将除法之后的数值形成一个表，存储在查表模块中。

查找的过程是一个比较的过程，每一次采样和计算模块得到一个A，B相正余弦信号经过A/D转换后的数字量的除法结果后，将这一个结果同表中的32个已存储的数据进行比较大小的操作，经比较后会发现这一次A，B相正余弦信号经过A/D转换后的数字量的除法结果会在32段中某一段的起点除法值和终点除法值之间，假设在第5段起点除法值和终点除法值之间，那么得到的细分值就是5，后交与求和模块进行具体值的求得。

求和模块进行的操作是，先将整周期计数模块所得到的对A，B相正余弦信号的整周期的计数值乘以当前的细分倍数，然后用这一乘法后的结果与查表模块查出的当前A，B相正余弦信号的细分值进行加法操作；将整周期计算值和细分值进行求和后经过输出模式选择模块的选择，以脉冲的形式输出或以绝对值的形式输出。

具体操作如下：输出模式选择模块根据参数选择输入模块输入的指令进行输出模式的切换工作，当选择脉冲输出模式时，本模块将求和模块最终得到的加法的结果传递给脉冲输出模块；同样当选择绝对值输出模式时，本模块将求和模块最终得到的加法的结果传递给绝对值输出模块。

脉冲模式输出模块，用于对输出模式选择模块输入的根据加法结果确定的脉冲数以脉冲的形式输出；实现过程如下：例如：假设差补周期为800ns，在这个周期的起始点将输出模式选择模块传递过来的求和和模块最终得到的加法的结果记录一次，然后在这个周期的结束点再记录一次输出模式选择模块传递过来的求和和模块最终得到的加法的结果，用后一次记录的数据减去前一次的得到的记录数据所得到的数值就是要输出的脉冲个数，然后用800ns除以要输出的脉冲个数就能得到要输出的一个脉冲的时钟周期，最后将这些脉冲在800ns中连续的输出。

输出模式选择模块传递过来的求和模块最终得到的加法的结果就是要输出的绝对位置数据。将这一数据通过串行数据传输的方式输出，即将绝对值输出模块接收到的输出模式选择模块传递过来的求和模块最终得到的加法的结果转化成二进制数据，然后从数据的低位到高位依次的输出。

为方便装置的使用，可通过再设置参数选择输入模块，提供用户选择的参数信息读入到系统中，然后根据这一信息，来控制细分专用芯片的某些模块根据用户的选择进行相应的工作方式的切换。

1、参数选择输入模块将A，B相正余弦信号是否需要互换位置的信息传递给采样和计算模块，这样采样和计算模块就可以根据这一信息进行A，B相正余弦信号是否互换位置的操作，这么做的好处是当连接信号线的人员将输入到细分器的编码器信号线中的A相信号接到B相上，B相信号接到A相上时，可以不必从新接线，通过细分器专用芯片用户参数输入方式快速的将A，B相正余弦信号互换位置。

2、参数选择输入模块将用户所需要的细分倍数的信息传递给查表模块，查表模块就可以根据这一信息生成用户要求选择的细分倍数的的表格。

3、参数选择输入模块将用户所需要的细分倍数的信息传递给求和模块，求和模块中整周期的计数值乘以的细分倍数就可以根据这一信得到。

4、参数选择输入模块将用户所需要的输出模式信息传递给输出模式选择模块，输出模式选择模块就可以根据这一信息进行输出模式的切换工作。

例如，参数选择输入模块采用八位播码开关，对细分倍数进行调整，调整八位播码开关其中的四位的值来确定细分的倍数，包括32、64、128、256、512、1024、2048、4096、8192、16384倍，用户也可以提出设计要求，进行所需的其他细分倍数的定制。所述A相和B相信号可调换包括当输入A相和B相信号需要调换时，可通过八位播码开关其中的一位的值来进行设置。方波输出和绝对值输出选择包括当从一种输出方式切换到另一种输出方式时，可以通过八位播码开关其中的一位的值来进行设置。在方波输出条件下接受端采样脉冲宽度的选择包括在脉冲输出设置下，可通过八位播码开关其中的二位的值来进行设置，可以设置的采样时钟的最大时钟周期分别为100ns，200ns，400ns，800ns四种，用户可根据自己的采样时钟进行对应的设置。通过调整开关中的其中两位，当为00时对应100ns，当接收脉冲输出方式的设备的时钟周期大于100ns时将不能正确的采样到数据。

上述各组成模块都集成在现场可编程门阵列FPGA中或将各模块按FPGA的形式进行设计将其集成在单芯片中。

另外，该细分装置还支持对编码器的C，D相正余弦信号的细分工作，工作过程与A，B相正余弦信号的细分工作相同，由于C，D相正余弦信号在编码器旋转一周时只输出一个正余弦信号，这样将C，D相信号细分后，就可以根据C，D相正余弦信号的细分值快速的算出电机的电气角。安装了无C，D相信号的编码器的电机要在开始旋转后第一次捕捉到Z脉冲信号时才能计算电器角，因此代C，D相信号的细分功能的细分专用芯片能更快的找到电机旋转的电器角，使用户更快速开始电机的旋转控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高速正余弦细分装置，其特征在于包括：

差补周期产生模块，，用于产生启动脉冲信号和整个装置运行的周期时序；

绝对值输出模块，用于对输出模式选择模块输入的根据加法结果确定的脉冲数以数据的形式直接输出；

所述正余弦数据采样和计算模块及周期计算模块同编码器相连接进行同步采样，所述正余弦数据采样和计算模块同整周期计算模块相连接向其发送同步信号；所述差补周期产生模块同正余弦数据采样和计算模块相连接向其发送启动脉冲信号，所述正余弦数据采样和计算模块同查表模块相连接；所述整周期计算模块将计录编码器输入的整周期正余弦信号的个数发送到与其连接的求和模块中；所述求和模块将与其连接的查表模块发送过来的当前正余弦信号的细分值数值同整周期计算模块发送过来的输入整周期正余弦信号个数乘以当前的细分倍数值进行求和后，发送到与其连接的输出模式选择模块上，经输出模式选择模块的选择后，由脉冲模式输出模块以方波的形式输出或由绝对值输出模块以数据形式直接输出。

2.根据权利要求1所述的高速正余弦细分装置，其特征在于还包括参数选择输入模块分别同正余弦数据采样和计算模块、查表模块、求和模块以及输出模式选择模块相连接；用于将A，B相正余弦信号是否需要互换位置的信息传递给采样和计算模块；将用户所需要的细分倍数的信息传递给查表模块以及求和模块中；将用户所需要的输出模式信息传递给输出模式选择模块。

3.根据权利要求1或2所述的高速正余弦细分装置，其特征在于上述各组成模块都集成在现场可编程门阵列FPGA中。