CN111224679B - 一种z相信号产生电路及编码器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种Z相信号产生电路及编码器，其中Z相信号产生电路包括脉宽调整电路，脉宽调整电路包括判向子电路、电平转换子电路以及输出控制子电路。Z相信号产生电路采用数字逻辑电路对经过整形处理的中间Z相信号进行处理，可以将原本脉冲宽度等于多个增量信号周期的中间Z相信号处理成脉冲宽度等于一个增量信号周期的360°的Z相信号，这种360°的Z相信号精度高、通用性好。并且，因为电平转换子电路对电机不同转向时的电平进行了转换，保证最终产生的360°的Z相信号在电机正转反转时的上升沿一致，无漂移。

Description

一种Z相信号产生电路及编码器

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种Z相信号产生电路及编码器。

背景技术

编码器Z相信号(又称零位信号)常用于脉冲计数清零与位置标定，在常规的Z相信号产生方案当中，采用Hall元件搭配磁铁来实现Z相信号的产生，不过因磁传感器有迟滞效应，响应速度有限，同时，Z相信号与A相信号、B相信号相位一致性较差，电机正转与反转时Z相信号的产生位置不同(也即电机正转与反转的零点位置不同)，故无法在高精度场合使用。

发明内容

本发明实施例提供的Z相信号产生电路及编码器，主要解决的技术问题是：现有Z相信号产生方案所产生的Z相信号精度低、通用性差，电机正转与反转时Z相信号的产生位置存在漂移的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种Z相信号产生电路，包括脉宽调整电路，脉宽调整电路用于对整形后的中间Z相信号进行脉冲宽度调整，得到脉冲宽度等于增量信号的一个脉冲周期的360°的Z相信号，增量信号为A相信号或B相信号；脉宽调整电路包括判向子电路、电平转换子电路以及输出控制子电路；

判向子电路用于判断电机的转动方向，其第一输入端输入A相信号，第二输入端输入B相信号，输出端连接电平转换子电路的第一输入端；电平转换子电路的第二输入端输入中间Z相信号，电平转换子电路用于进行电机在不同转向下的电平转换，以使中间Z相信号在电机正转和反转时的输出位置相同；输出控制子电路用于对输入增量信号进行二倍频处理，并且控制在中间Z相信号的脉冲宽度内仅输出第一个倍频后的增量信号作为360°的Z相信号。

可选地，判向子电路包括第一D触发器和第二D触发器，第一D触发器的D输入端与CLK输入端分别作为判向子电路的第一输入端与第二输入端，输入A相信号和B相信号，第一D触发器的Q非输出端信号与中间Z相信号分别输入第二D触发器的两个输入端，第二D触发器的Q非输出端连接电平转换子电路的第一输入端。

可选地，电平转换子电路包括异或门逻辑器件与第一与非门逻辑器件，异或门逻辑器件的第一输入端与第二输入端分别作为电平转换子电路的第一输入端与第二输入端，异或门逻辑器件的第一输入端与判向子电路的输出端连接，第二输入端输入中间Z相信号，输出端同时出入第一与非门逻辑器件的第一输入端与第二输入端，第一与非门逻辑器件的输出端与输出控制子电路的第二输入端连接。

可选地，输出控制子电路包括第三D触发器、第四D触发器、第一与门逻辑器件以及第二与门逻辑器件，第三D触发器的CLK输入端输入增量信号，Q输出端作为输出控制子电路的输出端输出360°的Z相信号，CLR端与第二与门逻辑器件的输出端连接，且第三D触发器的Q非输出端同时与其自身的D输入端、第一与门逻辑器件的第一输入端连接；第一与门逻辑器件的第二输入端与第四D触发器的Q非输出端连接，第一与门逻辑器件的输出端与第四D触发器的CLK输入端连接；第四D触发器的CLR与电平转换子电路的输出端连接，且第四D触发器的Q非输出端同时与其自身的D输入端、第二与门逻辑器件的第一输入端连接；第二与门逻辑器件的第二输入端与电平转换子电路的输出端连接。

可选地，脉宽调整电路中还包括第一低通滤波阻容电路与第二低通滤波阻容电路，第一低通滤波阻容电路与第二低通滤波阻容电路用以延时以防止判向子电路、电平转换子电路以及输出控制子电路中的竞争与冒险。

可选地，Z相信号产生电路还包括二次脉宽调整电路，二次脉宽调整电路的输入端与脉宽调整电路的输出端连接；二次脉宽调整电路包括二分之一子电路与四分之一子电路中的至少一种；

二分之一子电路包括：第四与门逻辑器件，第四与门逻辑器件的第一输入端输入360°的Z相信号，第二输入端输入增量信号，输出端与第十二电阻的一端连接，第十二电阻的另一端作为二次脉宽调整电路的输出端输出180°的Z相信号；

四分之一子电路包括第五与门逻辑器件与第六与门逻辑器件，第五与门逻辑器件的两个输入端分别输入A相信号和B相信号，输出端与第六与门逻辑器件的第二输入端连接，第六与门逻辑器件的另一端作为二次脉宽调整电路的输入端输入360°的Z相信号，输出端与第十三电阻的一端连接，第十三电阻的另一端作为二次脉宽调整电路的输出端输出90°的Z相信号。

可选地，Z相信号产生电路还包括用于将原始Z相信号处理为中间Z相信号的整形电路，整形电路的输出端与脉宽调整电路的输入端连接；整形电路为包括电压比较器的反相迟滞电压比较电路、包括运算放大器的正相正反馈电路、包括运算放大器的正相比例放大电路以及包括第三与门逻辑器件的逻辑电路、包括第二与非门逻辑器件的逻辑电路中的任意一种。

可选地，整形电路为包括电压比较器的反相迟滞电压比较电路，整形电路中包括电压比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻与第四电阻，电压比较器包括参考电压输入端、目标电压输入端以及一个输出端，目标电压输入端输入原始Z相信号，输出端输出中间Z相信号；第一电阻第一端与VCC连接，第二端与第二电阻的第一端连接，第二电阻的第二端接地；电压比较器的参考电压端与第二电阻的第一端连接；第三电阻的第一端与参考电压端连接，另一端与电压比较器的输出端连接，第四电阻的第一端与VCC连接，第二端与电压比较器的输出端连接。

可选地，整形电路为包括运算放大器的正相正反馈电路，整形电路包括运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻与第八电阻，运算放大器包括同相输入端、反相输入端以及输出端，输出端为整形电路的输出端；反相输入端与第六电阻的第一端连接，第六电阻的第二端接地，第五电阻一端与VCC连接，另一端与反相输入端连接；同相输入端与第七电阻连接，第七电阻的另一端作为整形电路的输入端输入原始Z相信号；第八电阻一端与同相输入端连接，另一端与运算放大器的输出端连接。

可选地，整形电路为包括运算放大器的正相比例放大电路，整形电路包括运算放大器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻，运算放大器包括同相输入端、反相输入端以及输出端，输出端为整形电路的输出端；反相输入端与第十电阻的第一端连接，第十电阻的第二端接地，第九电阻一端与反相输入端连接，另一端与运算放大器的输出端连接；同相输入端与第十一电阻连接，第十一电阻的另一端作为整形电路的输入端输入原始Z相信号。

可选地，整形电路为包括第三与门逻辑器件的逻辑电路，第三与门逻辑器件的第一输入端与第二输入端均输入原始Z相信号，第三与门逻辑器件的输出端为整形电路的输出端。

可选地，整形电路为包括第二与非门逻辑器件的逻辑电路，第二与非门逻辑器件的第一输入端与第二输入端均输入原始Z相信号，第二与非门逻辑器件的输出端为整形电路的输出端。

可选地，Z相信号产生电路还包括原始信号产生电路，原始信号产生电路的输出端与整形电路的输入端连接；原始信号产生电路中包括反射式光电芯片、第十四电阻、第十五电阻，第十四电阻一端与VCC连接，另一端与反射式光电芯片的驱动电流控制端连接；第十五电阻一端与VCC连接，另一端与反射式光电芯片的感应电流控制端连接；反射式光电芯片用于感应电机上反射式码盘的码道明暗变化，并根据感应到的明暗变化产生原始Z相信号。

可选地，原始信号产生电路中还包括阻容滤波电路，阻容滤波电路包括第十六电阻与第一电容，第十六电阻的第一端与感应电流控制端连接，第二端作为原始信号产生电路的输出端，输出原始Z相信号；第一电容的一端与第十六电阻的第二端连接，另一端接地。

本发明实施例还提供一种包括前述任一项的Z相信号产生电路的编码器。

本发明的有益效果是：

根据本发明实施例提供的Z相信号产生电路及编码器，包括脉宽调整电路，脉宽调整电路用于对整形后的中间Z相信号进行脉冲宽度调整，得到脉冲宽度等于增量信号的一个脉冲周期的360°的Z相信号，增量信号为A相信号或B相信号；脉宽调整电路包括判向子电路、电平转换子电路以及输出控制子电路；判向子电路用于判断电机的转动方向，其第一输入端输入A相信号，第二输入端输入B相信号，输出端连接电平转换子电路的第一输入端；电平转换子电路的第二输入端输入中间Z相信号，电平转换子电路用于进行电机在不同转向下的电平转换，以使中间Z相信号在电机正转和反转时的输出位置相同；输出控制子电路用于对输入增量信号进行二倍频处理，并且控制在中间Z相信号的脉冲宽度内仅输出第一个倍频后的增量信号作为360°的Z相信号。在本发明实施例提供的Z相信号产生电路中，采用数字逻辑电路对经过整形处理的中间Z相信号进行处理，可以将原本脉冲宽度等于多个增量信号脉冲周期的中间Z相信号处理成脉冲宽度等于一个增量信号周期的360°的Z相信号，这种360°的Z相信号精度高、通用性好。并且，因为电平转换子电路对电机不同转向时的电平进行了转换，保证最终产生的360°的Z相信号在电机正转反转时的上升沿一致，无漂移。

本发明其他特征和相应的有益效果在说明书的后面部分进行阐述说明，且应当理解，至少部分有益效果从本发明说明书中的记载变的显而易见。

附图说明

图1为本发明实施例一中提供的Z相信号产生电路的第一种原理示意图；

图2为本发明实施例一中提供的Z相信号产生电路的一种电路结构示意图；

图3为本发明实施例一中提供的Z相信号产生电路的第二种原理示意图；

图4a为图3中整形电路的第一种电路结构示意图；

图4b为图3中整形电路的第二种电路结构示意图；

图4c为图3中整形电路的第三种电路结构示意图；

图4d为图3中整形电路的第四种电路结构示意图；

图4e为图3中整形电路的第五种电路结构示意图；

图5为本发明实施例一中提供的Z相信号产生电路的第三种原理示意图；

图6为图5中原始信号产生电路的一种电路结构示意图；

图7为本发明实施例一中提供的Z相信号产生电路的第四种原理示意图；

图8a为图7中二次脉宽调整电路的一种原理示意图；

图8b为图7中二次脉宽调整电路的另一种原理示意图；

图9为本发明实施例二中示出的脉宽调整电路中部分信号的波形时序图；

图10为本发明实施例二中示出的一种二次脉宽调整电路的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

为了解决现有Z相信号产生方案产生的Z相信号精度差，不能用于高精度电机控制场合，以及电机正转反转时Z相信号产生位置有偏差，漂移严重的问题，本实施例提供一种Z相信号产生电路，请参见图1示出的Z相信号产生电路的一种原理示意图：

Z相信号产生电路1包括脉宽调整电路10，脉宽调整电路10主要用于对整形后的Z相信号进行脉冲宽度(也称，脉宽)调整。在本实施例中，将已经经过整形的Z相信号称为“中间Z相信号”(本实施例中将中间Z相信号记为“Z1”)。中间Z相信号的脉冲宽度通常等于若干个增量信号的脉冲周期，所谓增量信号可以是A相信号或B相信号。可以理解的是，如果不经脉冲宽度调整，直接使用中间Z相信号对电机进行控制，就会导致控制精度差的问题。而经过脉宽调整电路10对中间Z相信号的处理，可以得到脉冲宽度等于增量信号的一个脉冲周期的360°的Z相信号(本实施例中将360°的Z相信号记为“Z2”)。所以，在本实施例中，脉宽调整电路10的输入是中间Z相信号，而输出是360°的Z相信号。

脉宽调整电路10包括判向子电路11、电平转换子电路12以及输出控制子电路13。其中，判向子电路11用于判断电机的转动方向。电平转换子电路12用于进行电机在不同转向下的电平转换，以使中间Z相信号在电机正转和反转时的输出位置相同，也即使得最终输出的360°的Z相信号在电机正转和反转时的位置相同。输出控制子电路13则用于对增量信号进行二倍频处理，并控制在中间Z相信号的脉冲宽度内仅输出第一个倍频后的增量信号作为360°的Z相信号。

判向子电路11的第一输入端输入A相信号，第二输入端输入B相信号，输出端连接电平转换子电路12的第一输入端。电平转换子电路12的第二输入端输入中间Z相信号，输出端连接输出控制子电路13。输出控制子电路13的第一输入端与电平转换子电路12的输出端连接，第二输入端输入增量信号，其一方面对输入的增量信号进行二倍频处理，另一方面，通过数字逻辑器件的控制保证在中间Z相信号的脉冲宽度内仅从输出端输出第一个倍频后的增量信号作为360°的Z相信号。例如，如果增量信号是A相信号，则输出控制子电路13的输出端在中间Z相信号的脉冲宽度内仅会输出第一个倍频后的A向信号作为360°的Z相信号。

下面请结合图2示出的脉宽调整电路10的一种电路结构示意图：

判向子电路11包括第一D触发器101和第二D触发器102，第一D触发器101的D输入端与CLK输入端分别作为判向子电路11的第一输入端与第二输入端，输入A相信号和B相信号，第一D触发器101的Q非输出端信号与中间Z相信号分别输入第二D触发器102的两个输入端，第二D触发器102的Q非输出端连接电平转换子电路12的第一输入端。

电平转换子电路12包括异或门逻辑器件103与第一与非门逻辑器件104，异或门逻辑器件103的第一输入端与第二输入端分别作为电平转换子电路12的第一输入端与第二输入端，异或门逻辑器件103的第一输入端与判向子电路11的输出端连接，第二输入端输入中间Z相信号，输出端同时出入第一与非门逻辑器件104的第一输入端与第二输入端，第一与非门逻辑器件104的输出端与输出控制子电路13的第一输入端连接。

输出控制子电路13包括第三D触发器106、第四D触发器108、第一与门逻辑器件107以及第二与门逻辑器件105。其中，第三D触发器106的CLK输入端输入增量信号，Q输出端作为输出控制子电路13的输出端输出360°的Z相信号，CLR端与第二与门逻辑器件105的输出端连接，且第三D触发器106的Q非输出端与其自身的D输入端连接，从而实现对增量信号的二倍频处理。另外，第三D触发器106的Q非输出端还与第一与门逻辑器件107的第一输入端连接。第一与门逻辑器件107的第二输入端与第四D触发器108的Q非输出端连接，第一与门逻辑器件107的输出端与第四D触发器108的CLK输入端连接；第四D触发器108的CLR与电平转换子电路12的输出端连接，且第四D触发器108的Q非输出端同时与其自身的D输入端、第二与门逻辑器件105的第一输入端连接；第二与门逻辑器件105的第二输入端与电平转换子电路12的输出端连接。

在图2示出的，脉宽调整电路当中，还设置了延时电路15，设置延时电路15的主要目的是防止数字电路当中常见的“竞争与冒险”，延时电路15中包括第一低通滤波阻容电路15a和第二低通滤波阻容电路15b。

在图2当中，第一低通滤波阻容电路15a中的电阻一端与电平转换子电路12的输出端连接，另一端与输出控制子电路13的第二输入端连接，第一低通滤波阻容电路15a中的电容一端与输出控制子电路13的第二输入端连接，另一端接地。第二低通滤波阻容电路15b中的电阻第一端与第二D触发器的CLR端连接，第二端与第一与门逻辑器件的第一输入端连接，第二低通滤波阻容电路15b中的电容一端与第二低通滤波阻容电路15b中电阻的第一端连接，另一端接地。

本领域技术人员应当理解的是，为了防止竞争与冒险，除了设置滤波电容以外，还可以通过其他很多方式实现，例如加封锁脉冲或加选通脉冲等方式。

在本实施例的一些示例当中，Z相信号产生电路中还包括整形电路，该整形电路用于对原始Z相信号(本实施例中将原始Z相信号记为“Z0”)进行处理，以向脉宽调整电路输送中间Z相信号。例如，在图3示出的Z相信号产生电路的原理示意图中，Z相信号产生电路3中同时包括整形电路30与脉宽调整电路10，其中，输入整形电路30的信号是原始Z相信号，而经过整形电路30处理之后可以得到中间Z相信号，中间Z相信号又被输入到脉宽调整电路10当中，脉宽调整电路10对中间Z相信号进行处理后会得到360°的Z相信号。

在本实施例中，整形电路30的实现方式包括多种，例如，在一些示例当中，可以整形电路30可以为包括电压比较器的反相迟滞电压比较电路，或者整形电路30也可以为包括运算放大器的正相正反馈电路，或者包括运算放大器的正相比例放大电路。在另外一些示例当中，整形电路30也可以通过数字逻辑器件实现，例如，在一种示例当中，整形电路30是包括与门逻辑器件的逻辑电路，在另一种示例当中，整形电路30是包括与非门逻辑器件的逻辑电路。

图4a示出了以包括电压比较器的反相迟滞电压比较电路作为整形电路30的一种电路结构示意图：

整形电路30中包括电压比较器301、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3与第四电阻R4，电压比较器301包括两个输入端，分别是参考电压输入端，另一个是目标电压输入端，其中，参考电压输入端输入的是参考电压(也称为门限电压)，目标电压输入端则输入的是原始Z相信号。同时，电压比较器301还包括一个输出端，该输出端就是整点电路30的输出端，因此输出的是经过整形的Z相信号，也即中间Z相信号。

第一电阻R1的第一端与VCC连接，第二端与第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端接地；电压比较器301的参考电压端与第二电阻R2的第一端连接。第一电阻R1与第二电阻R2构成电阻分压器，以向电压比较器301的电压比较器301的目标电压端输入原始Z相信号；第三电阻R3的第一端与参考电压端连接，另一端与电压比较器301的输出端连接，第四电阻R4的第一端与VCC连接，第二端与电压比较器301的输出端连接。

在本实施例的另外一种示例当中，整形电路30为包括运算放大器的正相正反馈电路，请参见图4b示出的整形电路30的一种电路结构示意图：

整形电路30包括运算放大器302、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7与第八电阻R8，运算放大器302包括同相输入端、反相输入端以及输出端，其中，输出端为整个整形电路30的输出端。运算放大器302的反相输入端与第六电阻R6的第一端连接，第六电阻R6的第二端接地，第五电阻R5一端与VCC连接，另一端与运算放大器302的反相输入端连接。运算放大器302的同相输入端与第七电阻R7连接，第七电阻R7的另一端作为整形电路30的输入端输入原始Z相信号；第八电阻R8一端与同相输入端连接，另一端与运算放大器302的输出端连接。

图4c示出了以包括运算放大器的正相比例放大电路作为整形电路30的一种电路结构示意图：

整形电路30包括运算放大器303、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11。运算放大器303包括同相输入端、反相输入端以及输出端。运算放大器303的反相输入端与第十电阻R10的第一端连接，第十电阻R10的第二端接地，第九电阻R9一端与反相输入端连接，另一端与运算放大器303的输出端连接.运算放大器303的同相输入端与第十一电阻R11连接，第十一电阻R11的另一端作为整形电路30的输入端输入原始Z相信号。运算放大器303的输出端为整形电路30的输出端。

图4d示出了以包括第三与门逻辑器件的逻辑电路作为整形电路30的一种电路结构示意图：

整形电路包括第三与门逻辑器件304，第三与门逻辑器件304的第一输入端与第二输入端均输入原始Z相信号，第三与门逻辑器件304的输出端为整形电路30的输出端。

图4e示出了以包括与非门逻辑器件的逻辑电路作为整形电路30的一种电路结构示意图：

整形电路包括与第二非门逻辑器件305，第二与非门逻辑器件305的第一输入端与第二输入端均输入原始Z相信号，其输出端为整形电路30的输出端。

在本实施例的一些示例当中，Z相信号产生电路除了包括脉宽调整电路、整形电路以外，还可以包括原始信号产生电路，请参见图5示出的Z相信号产生电路的原理示意图中，Z相信号产生电路5中同时包括原始信号产生电路50、整形电路30与脉宽调整电路10，其中，本实施例中提供的原始信号产生电路50可以基于光电反射原理产生原始Z相信号，并将原始Z相信号输入到整形电路30，经过整形电路30处理之后可以得到中间Z相信号，中间Z相信号又被输入到脉宽调整电路10当中，脉宽调整电路10对中间Z相信号进行处理后会得到360°的Z相信号。

请参见图6示出的原始信号产生电路的一种电路结构示意图：

原始信号产生电路50中包括反射式光电芯片501、第十四电阻R14、第十五电阻R15，第十四电阻R14一端与VCC连接，另一端与反射式光电芯片501的驱动电流控制端连接，用于控制反射式光电芯片501的驱动电流。第十五电阻R一端与VCC连接，另一端与反射式光电芯片501的感应电流控制端连接，用于控制反射式光电芯片501的感应电流。反射式光电芯片501用于感应电机上反射式码盘的码道明暗变化，并根据感应到的明暗变化产生原始Z相信号。

采用反射式光电芯片501产生原始Z相信号，可以使得Z相信号产生电路整体具有尺寸小、成本低、响应快、一致性好、易集成等优点，通过外部镜面反射实现信号感应，能够在保证高可靠性的前提下，使得性价比大大提高。而且，本实施例中，并不要求电机上使用的反射式码盘的设计的精度，这样，反射式码盘无需高精度码道设计，只保证反射式光电芯片501正常感应即可，实现难度低，装配也简单。

可选地，在一些示例当中，原始信号产生电路50中还包括阻容滤波电路502，阻容滤波电路502包括第十六电阻R16与第一电容C1，第十六电阻R16的第一端与反射式光电芯片501的感应电流控制端连接，第二端作为原始信号产生电路50的输出端，输出原始Z相信号；第一电容C1的一端与第十六电阻R16的第二端连接，另一端接地。

本领域技术人员可以理解的是，虽然在图6示出的原始信号产生电路中包括阻容滤波电路502，但阻容滤波电路502并不是必要的，例如，在一些示例当中，就不存在阻容滤波电路，但如果原始信号产生电路中包括阻容滤波电路，则原始信号产生电路所产生的原始Z相信号的效果更好。

在本实施例的一些示例当中，Z相信号产生电路中除了包括脉宽调整电路以外，还可以进一步包括二次脉宽调整电路，请参见图7，Z相信号产生电路7中包括脉宽调整电路10与二次脉宽调整电路70，其中，脉宽调整电路10的输出端与二次脉宽调整电路70的输入端连接，因此二次脉宽调整电路70实际上是对脉宽调整电路10得到的360°的Z相信号进行处理，从而将360°的Z相信号的脉宽变窄。在通常情况下，二次脉宽调整电路70包括二分之一子电路71与四分之一子电路72中的至少一种：

经过二分之一子电路71处理后输出的信号为180°的Z相信号(本实施例中将180°的Z相信号记为“Z3”)，其脉冲宽度仅为1/2个增量信号的脉冲周期，请参见图8a示出的二分之一子电路71的电路结构示意图：二分之一子电路71包括第四与门逻辑器件711，第四与门逻辑器件711的第一输入端输入360°的Z相信号，第二输入端输入增量信号，输出端与第十二电阻R12的一端连接，第十二电阻R12的另一端作为二次脉宽调整电路70的输出端输出180°的Z相信号。毫无疑义的是，如果Z相信号产生电路7中包括二分之一子电路71，则Z相信号产生电路7中可以同时包括360°的Z相信号的输出端，以及180°的Z相信号的输出端。

经过四分之一子电路72处理后输出的信号为90°的Z相信号(本实施例中将90°的Z相信号记为“Z4”)，其脉冲宽度为1/4个增量信号的脉冲周期，图8b示出的是四分之一子电路72的电路结构示意图：四分之一子电路72包括第五与门逻辑器件721与第六与门逻辑器件722，第五与门逻辑器件721的两个输入端分别输入A相信号和B相信号，输出端与第六与门逻辑器件722的第二输入端连接，第六与门逻辑器件722的另一端作为二次脉宽调整电路70的输入端输入360°的Z相信号，输出端与第十三电阻R13的一端连接，第十三电阻R13的另一端作为二次脉宽调整电路70的输出端输出90°的Z相信号。如果Z相信号产生电路7中包括四分之一子电路72，则Z相信号产生电路7中可以同时包括360°的Z相信号的输出端，以及90°的Z相信号的输出端。

毫无疑义的是，在一些示例当中，Z相信号产生电路中可以同时包括360°的Z相信号的输出端、180°的Z相信号的输出端以及90°的Z相信号的输出端。

应当明白的是，包括二次脉宽调整电路的Z相信号产生电路中也可以同时包括整形电路、原始信号产生电路等。

本实施例还提供一种编码器，该编码器中可以包括前述任意一个示例中提供的Z相信号产生电路。

本发明实施例提供的Z相信号产生电路，利用脉宽调整电路将原本脉冲宽度等于多个A相或B相信号的信号周期的中间Z相信号处理成脉冲宽度等于一个A相或B相信号的信号周期的360°Z相信号，从而使得Z相信号精度高。同时，因为本实施例中利用了电平转换子电路对中间Z相信号进行了电平转换，从而使得最终产生的360°的Z相信号在电机正转与反转时的产生位置相同，实现了零漂移的效果。

同时，利用本实施例提供的二次脉宽调整电路，Z相信号产生电路不仅可以提供360°的Z相信号的输出端，还可以提供180°或90°的Z相信号的输出端，可以满足编码器对Z相信号的多种需求。

更进一步地，本实施例中采用反射式光电芯片替代传统的Hall元件或透射式模块来产生原始Z相信号，不仅可以保证产生的信号质量好，不受电机或其它外部磁场干扰，同时，反射式光电芯片也具有结构简单、尺寸小、成本低的特点。

实施例二：

常规的产生方式有以下几种：(1)由集成式的编码器芯片产生；(2)由透射式光电开关产生；(3)Hall(霍尔)元件与磁铁相互作用产生等。

不过这些技术方案或多或少都存在一些缺点，例如：

集成式的编码器芯片产生Z相信号的方案中，码盘需设计专用的零位刻线或组合码道，加工精度要求高；同时，编码器芯片的定位要求也很严格，整体成本高、安装尺寸大；而且Z相信号不能独立于其它信号设置，位置固定，缺少灵活性。而采用透射式光电开关产生Z相信号的方案中，透射式光电开关可单独放置，但Z相信号的脉冲宽度无法做得很窄，安装尺寸也较大，不易在小机座上实现。采用霍尔元件方案产生Z相信号的方案中，Hall元件需搭配磁铁来产生零位信号，因磁传感器有迟滞效应，响应速度有限，Z相信号与A相信号、B相信号以及UVW信号相位一致性较差。并且，电机正反转的零点位置也不同，无法在高精度场合使用。再者，这类编码器零部件较多，安装工序比较复杂，结构设计不紧凑，对有些电机尺寸要求严格的场合会受到一些限制。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种稳定精准且结构紧凑的Z相信号产生方案。为了使本领域技术人员对本发明所提供的Z相信号产生电路的原理、结构以及优点更清楚，本实施例将结合具体示例对Z相信号产生电路做进一步阐述：

本实施例提供的Z相信号产生电路主要由原始信号产生电路、整形电路、脉宽调整电路以及二次脉宽调整电路构成。其中，主要涉及到反射式光电芯片、电压比较器(或者运算放大器)、数字逻辑芯片以及若干阻容元件。请继续参见图6，图6示出的是由1个反射式光电芯片501、阻容滤波电路502等构成的原始信号产生电路50。当反射式码盘随电机转子转动时，反射式光电芯片501感应码道明暗变化，输出端便产生脉冲信号，即原始Z相信号(本实施例中将原始Z相信号记为“Z0”)。Z0的频率与转速相关，脉宽取决于码道明暗比例。通常电机每转一圈，原始信号产生电路50产生一个脉冲。第十四电阻R14用于控制反射式光电芯片501的驱动(发光)电流，第十五电阻R15用于调节反射式光电芯片501的感应电流。

图4a所示是用电压比较器102与若干电阻元件组成的反相迟滞电压比较电路，该电路作为Z相信号产生电路中的整形电路，用于将图6生产的原始Z相信号处理为符合TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)电平规范的中间Z相信号(本实施例中将中间Z相信号记为“Z1”)。其中，第一电阻R1与第二电阻R2构成电阻分压器，提供门限电平(也即参考电压)。第四点租R4用作上拉电阻，而第三电阻R3引入正反馈环路，提高信号容错能力与抗干扰性。该整形电路输出的中间Z相信号的脉冲宽度占若干个A相或B相信号的信号周期。

图2所示的脉宽调整电路10中包括四个D触发器(分别是第一D触发器101、第二D触发器102、第三D触发器106以及第四D触发器108)，异或门逻辑器件103，第一与非门逻辑器件104，两个与门逻辑器件(分别是第一与门逻辑器件107、第二与门逻辑器件105)，以及两个低通滤波阻容电路(分别是第一低通滤波阻容电路15a和第二低通滤波阻容电路15b)。

编码器A相信号和B相信号先送入第一D触发器101判向，再与整形电路中电压比较器301输出的Z1一起送入第二D触发器102、异或门逻辑器件103、第一与非门逻辑器件104，以进行电机不同转向时的电平转换，保证无论电机是反转还是正转，中间Z相信号的上升沿所在的位置都一致。编码器A(或B)相信号同时送入第三D触发器106做二倍频处理，而第四D触发器108和第一与门逻辑器件107、第二与门逻辑器件105可以控制Z1脉宽内第三D触发器106只输出第一个倍频后的A(或B)相信号，作为最终可使用的360°的Z相信号(本实施例将360°的Z相信号记为“Z2”)，Z2的脉宽正好是一个A(或B)相信号的脉冲周期。第一低通滤波阻容电路15a与第二低通滤波阻容电路15b提供一定延时，防止数字电路常见的“竞争与冒险”。

对于图2示出的脉宽调整电路10，这里将第一D触发器101的Q非输出端输出的信号记为“S1”，将第二D触发器102的Q非输出端输出的信号记为“S2”，将异或门逻辑器件103输出端输出的信号记为“S3”，将第一与非门逻辑器件104输出端输出的信号记为“S4”，将第二与门逻辑器件105输出端输出的信号记为“S5”，将第三D触发器101的Q输出端输出的信号记为“S6”，Q非输出端输出的信号记为“S7”，将第一与门逻辑器件107输出端输出的信号记为“S8”，将第四D触发器102的Q非输出端输出的信号记为“S9”，图9示出的波形时序图中示出了A脉冲(即A相信号)、Z1、电机正转情况下B脉冲(即B相信号)、S1-S4信号的波形，以及电机反转情况下B脉冲、S1-S4信号的波形，以及S5-S9、Z2的波形。

本实施例中提供的Z相信号产生电路采用反射式光电器件与数字电路来产生Z相信号，相对于现有方案，具有如下优点：

(1)本实施例采用反射式光电器件产生Z相信号，具有尺寸小、成本低、响应快、一致性好、易集成等优点，可以通过外部镜面反射实现信号感应，能够在保证高可靠性的前提下，使得性价比大大提高。

(2)本实施例采用电压比较器与数字逻辑芯片将Z相信号的脉宽由多个A相(或B相)信号周期处理成一个，精度高、通用性好，切电机正反转零位处于同一位置，无漂移。

(3)本实施例使用的反射式码盘无需高精度码道设计，只保证光电器件正常感应即可，实现难度低，装配简单。

可以理解的是，上述方案中的整形电路也可以采用其他方式实现，例如图4b中，由运算放大器302与外围电阻网络构成的一个正相正反馈电路，第五电阻R5、第六电阻R6组成电阻分压器，设置比较电平；第七电阻R7、第八七电阻R8提供正反馈环路。

又例如，对原始Z相信号Z0的整形由图4c中的运算放大器303与外围电阻网络构成的一个正相比例放大电路实现，第九电阻R9、第十电阻R10组成负反馈环路，对输入的原始Z相信号进行正比例放大。

或者，可以采用图4d的第三与门逻辑器件304或图4e中的第二与非门逻辑器件305实现原始Z相信号整形的电路，结构简单，实现方便。

另外，本实施例中Z2的脉宽还可由二次脉宽调节电路调节为1/2或1/4个A相(或B相)信号周期(即180°或90°)，如图10所示，二次脉宽调节电路100由三个与门逻辑器件(分别是第四与门逻辑器件711、第五与门逻辑器件721以及第六与门逻辑器件722)，两个选通电阻(第十二电阻R12、第十三电阻R13)组成。第四与门逻辑器件711将360°的Z相信号Z2与A相(或B相)信号经逻辑与运算后输出，得到180°的窄Z相信号Z3；而第五与门逻辑器件721、第六与门逻辑器件722同时对360°的Z相信号Z2、A相信号、B相信号三路信号做与运算，输出90°的窄Z相信号Z4。

本实施例还提供一种编码器，该编码器中可以包括前述任意一个示例中提供的Z相信号产生电路。

本实施例提供的Z相信号产生方案，具有响应快、精度高、尺寸小、一致性好等特点，能克服现有技术中由于结构复杂、尺寸较大造成的安装不便，以及磁感应芯片响应速度慢、迟滞效应等导致零位漂移等缺陷。

而且，采用电压比较器(运算放大器或数字逻辑电路)处理原始Z相信号，采用数字逻辑电路处理中间Z相信号，响应速度快，能得到唯一且位置固定的Z相信号，并且提供三种脉宽供选择，能够满足编码器对零位信号的多种需求。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明实施例所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种Z相信号产生电路，其特征在于，包括脉宽调整电路，所述脉宽调整电路用于对整形后的中间Z相信号进行脉冲宽度调整，得到脉冲宽度等于增量信号的一个脉冲周期的360°的Z相信号，所述增量信号为A相信号或B相信号；所述脉宽调整电路包括判向子电路、电平转换子电路以及输出控制子电路；

所述判向子电路用于判断电机的转动方向，其第一输入端输入A相信号，第二输入端输入B相信号，输出端连接所述电平转换子电路的第一输入端；所述电平转换子电路的第二输入端输入所述中间Z相信号，所述电平转换子电路用于进行所述电机在不同转向下的电平转换，以使所述中间Z相信号在所述电机正转和反转时的输出位置相同；所述输出控制子电路用于对输入所述增量信号进行二倍频处理，并且控制在所述中间Z相信号的脉冲宽度内仅输出第一个倍频后的增量信号作为360°的Z相信号。

2.如权利要求1所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述判向子电路包括第一D触发器和第二D触发器，所述第一D触发器的D输入端与CLK输入端分别作为所述判向子电路的第一输入端与第二输入端，输入A相信号和B相信号，所述第一D触发器的Q非输出端信号与所述中间Z相信号分别输入第二D触发器的两个输入端，所述第二D触发器的Q非输出端连接所述电平转换子电路的第一输入端。

3.如权利要求1所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述电平转换子电路包括异或门逻辑器件与第一与非门逻辑器件，所述异或门逻辑器件的第一输入端与第二输入端分别作为所述电平转换子电路的第一输入端与第二输入端，所述异或门逻辑器件的第一输入端与所述判向子电路的输出端连接，第二输入端输入所述中间Z相信号，输出端同时出入所述第一与非门逻辑器件的第一输入端与第二输入端，所述第一与非门逻辑器件的输出端与所述输出控制子电路的第二输入端连接。

4.如权利要求1所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述输出控制子电路包括第三D触发器、第四D触发器、第一与门逻辑器件以及第二与门逻辑器件，所述第三D触发器的CLK输入端输入所述增量信号，Q输出端作为所述输出控制子电路的输出端输出所述360°的Z相信号，CLR端与所述第二与门逻辑器件的输出端连接，且所述第三D触发器的Q非输出端同时与其自身的D输入端、所述第一与门逻辑器件的第一输入端连接；所述第一与门逻辑器件的第二输入端与所述第四D触发器的Q非输出端连接，所述第一与门逻辑器件的输出端与所述第四D触发器的CLK输入端连接；所述第四D触发器的CLR与所述电平转换子电路的输出端连接，且所述第四D触发器的Q非输出端同时与其自身的D输入端、所述第二与门逻辑器件的第一输入端连接；所述第二与门逻辑器件的第二输入端与所述电平转换子电路的输出端连接。

5.如权利要求1所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述脉宽调整电路中还包括第一低通滤波阻容电路与第二低通滤波阻容电路，所述第一低通滤波阻容电路与第二低通滤波阻容电路用以延时以防止所述判向子电路、电平转换子电路以及所述输出控制子电路中的竞争与冒险。

6.如权利要求1所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述Z相信号产生电路还包括二次脉宽调整电路，所述二次脉宽调整电路的输入端与所述脉宽调整电路的输出端连接；所述二次脉宽调整电路包括二分之一子电路与四分之一子电路中的至少一种；

所述二分之一子电路包括：第四与门逻辑器件，所述第四与门逻辑器件的第一输入端输入所述360°的Z相信号，第二输入端输入所述增量信号，输出端与第十二电阻的一端连接，所述第十二电阻的另一端作为所述二次脉宽调整电路的输出端输出180°的Z相信号；

所述四分之一子电路包括第五与门逻辑器件与第六与门逻辑器件，所述第五与门逻辑器件的两个输入端分别输入A相信号和B相信号，输出端与所述第六与门逻辑器件的第二输入端连接，所述第六与门逻辑器件的另一端作为所述二次脉宽调整电路的输入端输入所述360°的Z相信号，输出端与第十三电阻的一端连接，所述第十三电阻的另一端作为所述二次脉宽调整电路的输出端输出90°的Z相信号。

7.如权利要求1-6任一项所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述Z相信号产生电路还包括用于将原始Z相信号处理为所述中间Z相信号的整形电路，所述整形电路的输出端与所述脉宽调整电路的输入端连接；所述整形电路为包括电压比较器的反相迟滞电压比较电路、包括运算放大器的正相正反馈电路、包括运算放大器的正相比例放大电路以及包括第三与门逻辑器件的逻辑电路、包括第二与非门逻辑器件的逻辑电路中的任意一种。

8.如权利要求7所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述整形电路为包括电压比较器的反相迟滞电压比较电路，所述整形电路中包括电压比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻与第四电阻，所述电压比较器包括参考电压输入端、目标电压输入端以及一个输出端，所述目标电压输入端输入所述原始Z相信号，输出端输出所述中间Z相信号；所述第一电阻第一端与VCC连接，第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端接地；所述电压比较器的参考电压端与所述第二电阻的第一端连接；所述第三电阻的第一端与所述参考电压端连接，另一端与所述电压比较器的输出端连接，所述第四电阻的第一端与所述VCC连接，第二端与所述电压比较器的输出端连接。

9.如权利要求7所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述整形电路为包括运算放大器的正相正反馈电路，所述整形电路包括运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻与第八电阻，所述运算放大器包括同相输入端、反相输入端以及输出端，所述输出端为所述整形电路的输出端；所述反相输入端与所述第六电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端接地，所述第五电阻一端与VCC连接，另一端与所述反相输入端连接；所述同相输入端与所述第七电阻连接，所述第七电阻的另一端作为所述整形电路的输入端输入原始Z相信号；所述第八电阻一端与所述同相输入端连接，另一端与所述运算放大器的输出端连接。

10.如权利要求7所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述整形电路为包括运算放大器的正相比例放大电路，所述整形电路包括运算放大器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻，所述运算放大器包括同相输入端、反相输入端以及输出端，所述输出端为所述整形电路的输出端；所述反相输入端与所述第十电阻的第一端连接，所述第十电阻的第二端接地，所述第九电阻一端与所述反相输入端连接，另一端与所述运算放大器的输出端连接；所述同相输入端与所述第十一电阻连接，所述第十一电阻的另一端作为所述整形电路的输入端输入原始Z相信号。

11.如权利要求7所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述整形电路为包括第三与门逻辑器件的逻辑电路，所述第三与门逻辑器件的第一输入端与第二输入端均输入所述原始Z相信号，所述第三与门逻辑器件的输出端为所述整形电路的输出端。

12.如权利要求7所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述整形电路为包括第二与非门逻辑器件的逻辑电路，所述第二与非门逻辑器件的第一输入端与第二输入端均输入所述原始Z相信号，所述第二与非门逻辑器件的输出端为所述整形电路的输出端。

13.如权利要求7所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述Z相信号产生电路还包括原始信号产生电路，所述原始信号产生电路的输出端与所述整形电路的输入端连接；所述原始信号产生电路中包括反射式光电芯片、第十四电阻、第十五电阻，所述第十四电阻一端与VCC连接，另一端与所述反射式光电芯片的驱动电流控制端连接；所述第十五电阻一端与所述VCC连接，另一端与所述反射式光电芯片的感应电流控制端连接；所述反射式光电芯片用于感应电机上反射式码盘的码道明暗变化，并根据感应到的明暗变化产生原始Z相信号。

14.如权利要求13所述的Z相信号产生电路，其特征在于，所述原始信号产生电路中还包括阻容滤波电路，所述阻容滤波电路包括第十六电阻与第一电容，所述第十六电阻的第一端与所述感应电流控制端连接，第二端作为所述原始信号产生电路的输出端，输出原始Z相信号；所述第一电容的一端与所述第十六电阻的第二端连接，另一端接地。

15.一种编码器，其特征在于，所述编码器中包括如权利要求1-14任一项所述的Z相信号产生电路。