CN101865699B - 弦波解码装置及其解码方法 - Google Patents

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Abstract

一种弦波解码装置，包括一转换器及一处理器，所述转换器连接在一编码器与所述处理器之间以将所述编码器输出的两弦波经过所述转换器得到其每一点的幅值，该幅值经过所述处理器中的区间判定单元、数据处理单元及所述位置记录求取单元可以求取任意两点之间的位置差。本发明弦波解码装置确定了两弦波上每一点的信息从而可准确求取任意两点之间的位置差。本发明还提供了一种弦波解码方法。

Description

弦波解码装置及其解码方法
技术领域
本发明涉及一种弦波解码装置及其解码方法。
背景技术
一般的编码器分为增量式编码器和绝对式编码器，其中所述增量式编码器输出的信号为TTL数字脉冲信号，所述绝对式编码器输出的信号为Sin波信号或者Cos波信号。当绝对式编码器与一马达连接时，对马达在某段时间内旋转的距离的求取是通过编码器输出的弦波在两个时刻之间的位置差来确定。这就需要对两个时刻的弦波进行解码。一般情况都是通过将弦波转化成脉冲波来确定马达旋转的距离，由于脉冲波只体现了弦波的顶点处的信息，从而使得在该段时间内两顶点之间的任意时刻的位置信息在弦波转换成脉冲波时会损失掉，造成确定马达旋转的距离求取的不准确。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可准确求取弦波上任意两点之间的位置差的弦波解码装置。
还有必要提供一种应用所述弦波解码装置的弦波解码方法。
一种弦波解码装置，用于计算由一编码器输出的两相位相差90度的弦波在一第一待测点与一第二待测点之间的距离，所述弦波解码装置包括一转换器及一处理器，所述转换器连接在所述编码器与所述处理器之间以得到所述两弦波在每一点的幅值，并将其传输至所述处理器，所述处理器包括：
一数据处理单元，存储所述两弦波的幅值的符号、两弦波的幅值的绝对值之间的差值的符号以及该三个符号与若干区间的对应关系，并存储有每一区间所对应的正切函数；
一区间判定单元，用于根据所述第一待测点两弦波的幅值以及所述第二待测点两弦波的幅值判定第一待测点及一第二待测点所述两弦波的幅值的比值所位于的区间，所述数据处理单元用于根据所述第一及第二待测点两弦波的幅值的比值所位于的区间分别选择对应的正切函数，并根据所选择的正切函数对应得到所述第一及第二待测点的θ值，还用于根据公式L＝N/2π×θ计算所述第一及第二待测点的L值，其中N为目标解析度；及
一位置记录求取单元，用于记录所述第一及第二待测点之间所经过的弦波的周期个数M及通过公式S＝LQ+[M/4]×R-LP来求取所述两弦波任意两点之间的位置差S，其中LQ及LP分别为所述第二及第一待测点的L值，R为一个周期的弦波的长度。
一种解码方法，用于计算由一编码器输出的两相位相差90度的弦波在一第一待测点与一第二待测点之间的距离，所述解码方法包括以下步骤：
通过一转换器得到所述两弦波在每一点的幅值，并将其传输至一处理器，其中所述处理器内存储有两弦波的幅值的符号、两弦波的幅值的绝对值之间的差值的符号以及其与若干区间的对应关系，并存储有每一区间所对应的正切函数；
所述处理器根据所述第一待测点两弦波的幅值以及所述第二待测点两弦波的幅值判定第一待测点及一第二待测点所述两弦波的幅值的比值所位于的区间；
所述处理器根据得到的区间运算得到所述第一及第二待测点的θ值，还用于根据公式L＝N/2π×θ计算所述第一及第二待测点的L值，其中N为目标解析度；及
所述处理器记录所述第一及第二待测点之间所经过的弦波的周期个数M及通过公式S＝LQ+[M/4]×R-LP来求取所述两弦波任意两点之间的位置差S，其中LQ及LP分别为所述第二及第一待测点的L值，R为一个周期的弦波的长度。
本发明解码方法应用所述弦波解码装置，将所述编码器输出的两弦波每一点的幅值传输至所述处理器，所述两弦波对应的幅值经过所述处理器中的区间判定单元、数据处理单元及位置记录求取单元，以得到所述第一及第二待测点之间的位置差，相较于一般的编码器而言可以准确求取两弦波上任意两点之间的位置差。
附图说明
图1为本发明弦波解码装置的较佳实施方式的原理框图。
图2为本发明弦波解码装置的较佳实施方式的处理器的功能模块图。
图3为本发明弦波解码装置的较佳实施方式中的区间划分示意图。
图4为本发明弦波解码装置的较佳实施方式中未经过偏移调整前的波形图。
图5为本发明弦波解码装置的较佳实施方式中经过解码后的波形图。
图6A及6B为本发明应用所述弦波解码装置的弦波解码方法的较佳实施方式的流程图。
具体实施方式
请参考图1至图5，本发明弦波解码装置较佳实施方式包括一转换器10、一偏移调节器20、一振幅调节器30、一处理器40、一显示器50、一编码器60及一转换电路70。
所述转换器10连接在所述编码器60与所述偏移调节器20之间以得到由所述编码器60所输出的一第一正弦波620及一第二正弦波621在每一点的幅值，并将其传输至所述偏移调节器20，其中，所述第一、第二正弦波620及621之间的相位差为90度。
所述偏移调节器20用于调节所述第一正弦波620及第二正弦波621的几何中心线至同一水平线上，并根据每一点所述第一、第二正弦波620及621的幅值构建一如图3所示的坐标轴，该坐标轴的横坐标为第二正弦波621的幅值，纵坐标为第一正弦波620的幅值。其中，构建该坐标轴的作用是为了划分出A、B、C及D四个区间，下面将对其进行说明。上述正弦波的几何中心线为该正弦波的横向中心线，如图4中虚线即为所述第一正弦波620的几何中心线，X轴即为所述第二正弦波621的几何中心线，此时，所述第一正弦波620及第二正弦波621的几何中心线不位于同一水平线上，即需要所述偏移调节器20对其进行调整。
所述振幅调节器30连接在所述偏移调节器20与所述处理器40之间。所述振幅调节器30用于将经由所述偏移调节器20调整后的第一正弦波620及第二正弦波621的振幅调整为1个单位，以方便后续所述处理器40对所述第一正弦波620及第二正弦波621进行分析处理。所述显示器50连接所述处理器40以显示所述处理器40输出的结果。其中，单位表示一指定长度，如单位表示5mm时，1个单位则表示5mm，2个单位则表示10mm。
所述转换电路70连接在所述编码器60及处理器40之间以将所述编码器60输出的第一正弦波620及第二正弦波621对应转换成A相数字脉冲信号622及B相数字脉冲信号623，并将其传输至所述处理器40。
所述处理器40包括一区间判定单元41、一数据处理单元42、一合成单元43、一位置记录求取单元44及一结果输出单元45。
所述区间判定单元41用于通过判断某一时间点所述处理器40接收到的第一正弦波620的幅值Sinβ1、第二正弦波621的幅值Sinβ2以及该两正弦波的幅值的绝对值的差值|Sinβ1|-|Sinβ2|，并根据所述数据处理单元42内存储的如表1中的内容判断此时所述第一正弦波620与第二正弦波621的幅值的比值所位于的区间，其中A区间、B区间、C区间以及D区间的划分如图3所示。
表1
Figure G20091U1525820090414D000031
所述数据处理单元42内还存储有若干公式，其中每一公式对应表1中的一个区间，如表2所示。
表2
Figure G20091U1525820090414D000032
所述数据处理单元42还用于根据由所述区间判定单元41所得知的区间及其内存储的公式计算出对应的角度α及θ的值。同时，所述数据处理单元42将根据公式(5)计算得到L：
L＝N/2π×θ    (5)
其中，N为目标解析度，即360度被划分为N等分，以表示本发明弦波解码装置的精确度，本实施方式中，N＝2000。
所述数据处理单元42处理所有时间点所述处理器40接收到的第一正弦波620及第二正弦波621的幅值得到若干角度θ的值，以得到若干L的值，并根据该若干L的值绘制一锯齿波444。其中，所述锯齿波444是为了说明此时所述第一正弦波620及第二正弦波621的幅值为连续变化而非离散变化，从而比现有技术中将弦波转化成脉冲波来确定两时间点之间的位置差更精确。其他实施方式中，所述锯齿波444可以不用生成，即并不需要实际有绘制的动作，只需根据公式(5)计算出两待测时间点的L值即可。
所述合成单元43用于将由所述转换电路50所传输的A相数字脉冲信号622及B相数字脉冲信号623合并为一合成脉冲信号624。
所述位置记录求取单元44用于记录第一待测时间点P及第二待测时间点Q之间所经过的合成脉冲信号624的完整的个数M，还用于计算所述第一、第二待测时间点P及Q的L值，分别记为LP及LQ，并根据公式(6)计算得到所述第一、第二待测时间点P及Q之间的位置差：
S＝LQ+[M/4]×R-LP    (6)
其中，S表示所述第一、第二待测时间点P及Q之间的位置差，[M/4]表示对M/4的值取整数，R表示一个周期的正弦波的长度，且R＝N/2π×2π＝N。由于一个周期的正弦波可转化为四个合成脉冲信号，故所述第一、第二待测时间点P及Q之间所经历的正弦波的周期数量为M/4，即所述第一、第二待测时间点P及Q之间的正弦波的完整周期数量为[M/4]。其他实施方式中，所述第一、第二待测时间点亦可为两待测位置点。
如图6A及6B所示，利用本发明所述弦波解码装置求取第一、第二待测时间点P及Q之间的位置差的步骤包括：
步骤S1：通过所述转换器10得到所述编码器60输出的第一正弦波620及第二正弦波621在每一点的幅值，并将其传输至所述偏移调节器20。
步骤S2：通过所述转换电路50将所述第一正弦波620及第二正弦波621对应转换成A相数字脉冲信号622及B相数字脉冲信号623，并将其传输至所述处理器40。
步骤S3：所述偏移调节器20判断所述第一正弦波620及第二正弦波621的几何中心线是否位于同一水平线上。
步骤S4：如果所述第一、第二正弦波620及621的几何中心线不位于同一水平线上，所述偏移调节器20则将所述第一正弦波620及第二正弦波621的几何中心线调节至同一水平线上，并根据每一点所述第一、第二正弦波620及621的幅值构建一如图3所示的坐标轴，还将调整后的第一正弦波620及第二正弦波621在每一点的幅值传输至所述振幅调节器30。
步骤S5：如果所述第一、第二正弦波620及621的几何中心线位于同一水平线上，所述偏移调节器20则根据每一点所述第一、第二正弦波620及621的幅值构建一如图3所示的坐标轴，并将第一正弦波620及第二正弦波621在每一点的幅值传输至所述振幅调节器30。
步骤S6：所述振幅调节器30判断所述第一正弦波620及第二正弦波621的振幅是否为1个单位。
步骤S7：如果所述第一正弦波620及第二正弦波621的振幅不为1个单位，则通过所述振幅调节器30将所述第一正弦波620及第二正弦波621的振幅调整为1个单位，并将所述振幅调节器30所接收的信号传送至所述处理器40。
步骤S8：如果所述第一正弦波620及第二正弦波621的振幅为1个单位，则将所述振幅调节器30所接收的信号传送至所述处理器40。
步骤S9：所述区间判定单元41根据表1中的内容判断每一时间点所述第一正弦波620与第二正弦波621的幅值的比值所位于的区间。
步骤S10：所述数据处理单元42根据所述区间判定单元41所得之的区间及表2中的内容计算出每一时间点所述第一正弦波620与第二正弦波621所对应的角度α及θ的值，并根据公式(5)得到若干L的值，以绘制得到所述锯齿波444；并计算所述第一待测时间点P及第二待测时间点Q的L值LP及LQ。
步骤S11：所述合成单元43将由所述转换电路50所传输的A相数字脉冲信号622及B相数字脉冲信号623合并为一合成脉冲信号624。
步骤S12：所述位置记录求取单元44记录第一待测时间点P及第二待测时间点Q之间所经过的合成脉冲信号624的完整的个数M。
步骤S13：所述位置记录求取单元44根据公式(6)求取所述第一、第二待测时间点P及Q之间的位置差S。根据所述编码器60的特征及位置差S即可对应计算出所述第一、第二待测时间点P及Q之间一与所述马达相连的螺杆的前进长度。比如，如果根据所述编码器60的规格可知当所述解析度N取值2000时、所述编码器60显示数字“1000”即代表所述马达旋转一圈，并带动所述螺杆前进两个牙的距离，即0.5mm时，则可计算出所述第一、第二待测时间点P及Q之间，所述螺杆的前进长度为
Figure G20091U1525820090414D000061
步骤S14：所述处理器40的结果输出单元45将所述位置记录求取单元44所得到的位置差S及通过该位置差S相应得到的螺杆的前进长度传输至所述显示器50，以供测试者得知测量结果。
下面将举例对上述弦波解码装置的工作原理进行说明。请继续参考图5，本实施方式中，所述第一待测时间点P所对应的第一正弦波620的幅值为0、第二正弦波621的幅值为1。所述区间判定单元41根据表1中的内容可以得知此时所述第一正弦波620与第二正弦波621的幅值的比值位于C区间。所述数据处理单元42根据表2中的内容计算得到θ＝0，进而根据公式(5)可以得知所述第一待测时间点P的L值LP＝N/2π×θ＝0。
所述第二待测时间点Q所对应的第一正弦波620的幅值为1、第二正弦波621的幅值为0。根据表1中的内容可以得知此时所述第一正弦波620与第二正弦波621的幅值的比值位于B区间，根据表2中的内容计算得到θ＝3π/2，进而根据公式(5)可以得知所述第二待测时间点Q的L值LQ＝N/2π×θ＝2000/2π×3π/2＝1500。此时，所述位置记录求取单元44记录第一待测时间点P及第二待测时间点Q之间所经过的合成脉冲信号624的完整的个数M为3，因此，根据公式(6)即可得到所述第一待测时间点P与第二待测时间点Q之间的位置差S＝1500+[3/4]×2000-0＝1500。若规定当所述解析度N取值2000时，所述编码器60显示数字“1000”即代表所述马达旋转一圈，并带动所述螺杆前进0.5mm，则可计算出所述第一、第二待测时间点P及Q之间，所述螺杆的前进长度为
Figure G20091U1525820090414D000062
其中，上述步骤S10中所述数据处理单元42计算出每一时间点所述第一正弦波620与第二正弦波621所对应的角度α及θ的值及据此得到所述锯齿波444是为了表征此时所述第一正弦波620及第二正弦波621的幅值为连续变化而非离散变化，从而比现有技术中将弦波转化成脉冲波来确定两时间点之间的位置差更精确。其他实施方式中，所述步骤S10中“所述数据处理单元42根据公式(5)得到若干L的值以绘制得到所述锯齿波444”可以删除，即并不需要实际有绘制的动作，只需根据公式(5)计算出所述第一待测时间点P及第二待测时间点Q的L值LP及LQ即可。另外，本实施方式中所述偏移调节器20及振幅调节器30的作用是为后续能够更方便准确对所述第一正弦波620及第二正弦波621进行处理，所述偏移调节器20及振幅调节器30亦可省略。同时，本实施方式中所述合成脉冲信号624的作用主要是更方便的识别所述第一待测时间点P与第二待测时间点Q之间经过了多少个周期，故其他实施方式中，所述转换电路50及所述处理器40中的合成单元43可以省略以降低成本，所述位置记录求取单元44则通过对两正弦波的周期时间及两待测时间点之间所间隔的时间进行计算，以得到所述第一待测时间点P与第二待测时间点Q之间所经过的完整周期数量。

Claims (5)

1.一种弦波解码装置，用于计算由一编码器输出的两相位相差90度的弦波在一第一待测点与一第二待测点之间的距离，所述弦波解码装置包括：
一数据处理单元，存储两弦波的幅值的符号、两弦波的幅值的绝对值之间的差值的符号以及所述两弦波的幅值的符号、两弦波的幅值的绝对值之间的差值的符号中每一符号与若干区间的对应关系，并存储有每一区间所对应的正切函数，其中两弦波在每一点的幅值由一转换器得到；
一区间判定单元，用于根据所述第一待测点两弦波的幅值以及所述第二待测点两弦波的幅值判定第一待测点及第二待测点所述两弦波的幅值的比值所位于的区间；
所述数据处理单元还用于根据所述第一及第二待测点两弦波的幅值的比值所位于的区间分别选择对应的正切函数，并根据所选择的正切函数对应得到所述第一及第二待测点的角度值，还用于根据公式L＝N/2π×θ计算所述第一及第二待测点的L值，其中N为目标解析度，θ为第一及第二待测点的角度值；及
一位置记录求取单元，用于记录所述第一及第二待测点之间所经过的弦波的周期个数M及通过公式S＝LQ+[M/4]×R-LP来求取所述两弦波任意两点之间的位置差S，其中LQ及LP分别为所述第二及第一待测点的L值，R为一个周期的弦波的长度。
2.一种解码方法，用于计算由一编码器输出的两相位相差90度的弦波在一第一待测点与一第二待测点之间的距离，所述解码方法包括以下步骤：
通过一转换器得到所述两弦波在每一点的幅值，并将其传输至一处理器，其中所述处理器内存储有两弦波的幅值的符号、两弦波的幅值的绝对值之间的差值的符号以及所述两弦波的幅值的符号、两弦波的幅值的绝对值之间的差值的符号中的每一符号与若干区间的对应关系，并存储有每一区间所对应的正切函数；
所述处理器根据所述第一待测点两弦波的幅值以及所述第二待测点两弦波的幅值判定第一待测点及第二待测点所述两弦波的幅值的比值所位于的区间；
所述处理器根据得到的区间以及该区间所对应的正切函数运算得到所述第一及第二待测点的角度值，还用于根据公式L＝N/2π×θ计算所述第一及第二待测点的L值，其中N为目标解析度，θ为第一及第二待测点的角度值；及
所述处理器记录所述第一及第二待测点之间所经过的弦波的周期个数M及通过公式S＝LQ+[M/4]×R-LP来求取所述两弦波任意两点之间的位置差S，其中LQ及LP分别为所述第二及第一待测点的L值，R为一个周期的弦波的长度。
3.如权利要求2所述的解码方法，其特征在于：在“所述转换器得到所述两弦波在每一点的幅值”之后：经过一振幅调节器将由所述转换器输出的两弦波的振幅调节为一致后再传输至所述处理器。
4.如权利要求2所述的解码方法，其特征在于：在“所述转换器得到所述两弦波在每一点的幅值”之后：经过一偏移调节器将所述两弦波的几何中心线调节于同一水平线上后再传输至所述处理器。
5.如权利要求2所述的解码方法，其特征在于：所述步骤“所述处理器记录所述第一及第二待测点之间所经过的弦波的周期个数M”通过以下步骤实现：
通过一转换电路将所述两弦波转换成两数字脉冲信号，并将所述两数字脉冲信号传输至所述处理器；
通过所述处理器将两数字脉冲信号合并为一合成脉冲信号；以及
通过所述处理器记录所述第一及第二待测点之间所经历的合成脉冲信号的个数，并据此计算出其间所经过的弦波的周期个数M。
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