CN111368584B - 一种可自校正的正余弦编码器高分辨率位置信息拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可自校正的正余弦编码器高分辨率位置信息拼接方法，解决了位置细分信息和周期计数信息因获取通路不同导致的信号边界存在突跳点，进而导致位置信息精度不高的问题。本发明通过下述技术方案予以实现：首先获得位置细分信息和周期计数信息，然后利用位置细分信息对周期计数信息进行校正，即首先判断比较位置细分信息和周期计数信息所指示的正余弦信号象限的一致性，然后根据判断结果对周期计数信息的四倍频计数值进行修正，得到准确的周期计数信息之后，再将周期计数信息与位置细分信息进行拼接，得到高分辨率位置信息。本发明的位置信息拼接方法，精度高，与编码器的运行方向无关，处理简单。

Description

一种可自校正的正余弦编码器高分辨率位置信息拼接方法

技术领域

本发明涉及正余弦编码器，尤其涉及正余弦编码器高分辨率位置细分实现中的数据拼接问题。

背景技术

光电编码器是一种能够将机械几何位移量转换成脉冲或数字量等电信号的传感器，广泛应用于数控机床、机器人和伺服控制技术等工业领域中以获取位置和速度信息。编码器是数控系统中测量系统的核心功能部件，其精度直接影响数控系统的控制精度。

早期的数控系统采用方波信号编码器，但是由于受到码盘直径大小和刻蚀工艺的限制，方波信号编码器难以达到高精度的要求。而正余弦信号编码器输出的正余弦信号，通过特定的插值和补偿方式，包含比方波信号更多的位置信息，在码盘物理刻线数目相同的情况下，能够达到更高的精度要求。因此，正余弦信号编码器成为高精度控制领域的必备设备。

正余弦编码器每周期提供一定数量的差分正余弦信号，正余弦编码器信号处理装置对这些信号的处理方式为，将差分正余弦信号滤波放大并调理成单端正余弦信号，单端正余弦信号一方面经比较器变为方波，送入单芯片通用处理器的四倍频单元，通过整周期四倍频计数，形成周期计数信息；另一方面经模数转换单元变成数字量，由单芯片通用处理器的位置细分模块获得位置细分信息。周期计数信息和位置细分信息经过拼接整合，得到高分辨率位置信息：

其中，为被测位置角度，为编码器整圈正余弦周期数，为当前位置相对于起点转过的正余弦信号整周期数，即周期计数信息，为不足一周期的正余弦信号相位角，即位置细分信息。

但是由于周期计数信息和位置细分信息的获取通路不同导致信息延时不同，通过以上方式直接拼接求和会使信号周期边界点处的位置信息不单调，存在突跳点，从而使获得的高分辨率位置信息存在问题，进而影响控制系统的控制精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种可自校正的正余弦编码器高分辨率位置信息拼接方法，在数据拼接之前，用细分位置信息对周期计数信息进行校正，获得准确的周期计数信息，然后再将周期计数信息和位置细分信息进行拼接后得到高分辨率位置信息。这样消除了细分位置信息和周期计数信息的正余弦信号在边界点处的突跳，保证了高分辨率位置信息的准确性和可靠性。

所述一种可自校正的正余弦编码器高分辨率位置信息拼接方法，包括以下步骤：

步骤一：获取周期计数信息和位置细分信息，其中周期计数信息就是当前位置相对于起点转过的正余弦信号整周期数，通过单芯片通用处理器的四倍频单元和周期计数模块获得；位置细分信息的获得方法为：

① 单芯片通用处理器的模数转换单元将单端正余弦信号量化为和，即

② 位置细分模块首先对量化值进行幅值一致性调整和中心电平校准，使幅值与均接近，且除去中心电平和即基准电压的影响，调整后得到，；

③ 根据正余弦信号和的极性，将信号周期分为四或八个区间；在一个区间内，按信号绝对比值大小再实现若干细分，两信号和的比值计算：

构建一个区间的正切值表，其它区间共用此区间表格数据，根据计算的正切值采用查表细分法，得到当前绝对正切值对应所建区间的位置角，再根据所处的不同区间作细微处理来获得与相位角对应的高分辨率细分小数值，

。

步骤二：判断比较位置细分信息和周期计数信息所指示的正余弦信号象限的一致性，位置细分信息和周期计数信息所指示的正余弦信号象限存在以下几种情况：

A1：周期计数信息四倍频计数指示的正余弦信号为第四象限，位置细分信息指示的正余弦信号为第一象限；

A2：周期计数信息的四倍频计数指示的正余弦信号为第一象限，位置细分信息指示的正余弦信号为第四象限；

A3：周期计数信息的四倍频计数与位置细分信息指示的信号象限数相差2；

A4：周期计数信息的四倍频计数以及位置细分信息指示的正余弦信号象限不属于A1至A3中的任何一种情况。

步骤三：根据步骤二判断结果，修正周期计数信息的四倍频计数值，对应以下修正方法：

B1：当步骤A判断结果为A1时，周期计数信息的四倍频计数加1；

B2：当步骤A判断结果为A2时，周期计数信息的四倍频计数减1，然后去掉冗余的2位，即得到准确的周期计数信息；

B3：当步骤A判断结果为A3时，系统报故障；

B4：当步骤A判断结果为A4时，不存在拼接问题。

周期计数信息的四倍频计数数值校正完成后，去掉冗余的2位，即得到准确的周期计数信息。

步骤四：通过周期计数信息与位置细分信息拼接合成被测位置角度：

其中，为编码器整圈正余弦周期数，为当前位置相对于起点转过的正余弦信号整周期数，即周期计数信息，为不足一周期的正余弦信号相位角，即位置细分信息。

本发明一种可自校正的正余弦编码器高分辨率位置信息拼接方法，与现有技术相比，其有益效果是，在位置细分信息与周期计数信息进行拼接之前，利用位置细分信息对周期计数信息进行修正，解决了位置细分信息和周期计数信息因获取通路不同导致的信号边界存在突跳点，进而导致拼接精度不高的问题，本发明的数据拼接方法，精度高，与编码器的运行方向无关，处理简单。

附图说明

图1是本发明一种可自校正的正余弦编码器高分辨率位置信息拼接方法的流程图。

图2是本发明正余弦编码器信号处理装置结构示意图。

图3是本发明利用位置细分信息校正周期计数信息的四倍频计数方法示意图。

具体实施方式

结合图1至图3，以编码器每圈输出正余弦信号512周期数、每周期16384（14位）细分，说明具体实施方式，其他刻线周期数和细分数实施方式类同。

步骤1：获取位置细分信息和周期计数信息。

信号处理电路100的运算放大器模块101，将输入的差分正余弦信号滤波放大，并调理成单端模拟正余弦信号，单端模拟正余弦信号以电压基准模块102提供的基准电压为中心电平，一方面送至比较器模块103，另一方面送至单芯片处理器200的模数转换单元。

信号处理电路100的比较器模块103，将单端模拟正余弦信号与基准电压比较得到正交的方波信号，将差分参考点信号直接比较得到方波信号，将三路方波信号送至单芯片处理器200的四倍频单元。

单芯片处理器200的四倍频单元和周期计数模块对比较器模块103输出的方波信号进行四倍频计数和辨向，形成位置值的周期计数信息部分,正余弦信号512周期，四倍频计数范围为0~2047。

单芯片处理器200的模数转换单元对运算放大器101输出的单端模拟正余弦信号进行量化，得到与模拟电压对应的数值，，即，。

单芯片处理器200的位置细分模块首先对量化值，进行幅值一致性调整和中心电平校准，使幅值与均接近，且去除中心电平和即基准电压的影响，调整后得到，。然后，根据、正余弦信号的极性，确定当前位置是在0-3区间中的某一区间，并计算绝对正切值；再根据所建区间细分表格，即正切值与细分位置角对应表，得到当前绝对正切值对应所建区间的位置角，本实例中，正余弦信号整周期16384细分，则所建区间表格位置角为，其中，将角度进行归一化处理，用细分数值代替角度，以简化表达，即，则；最后根据所处的不同区间作细微处理，获得与单信号周期相位相对应的高分辨率细分小数值，形成位置值的小数部分，范围为0~16383，即

 。

步骤2：判断位置细分信息和周期计数信息所指示的正余弦信号象限的一致性。

具体实现方法为，判断周期计数信息的四倍频计数二进制位低两位的数值。有四种情况：

A1：周期计数信息的四倍频计数二进制位低两位的数值为3，即周期计数信息的四倍频计数指示的正余弦信号为第四象限，位置细分信息的指示的正余弦信号为第一象限；

A2：周期计数信息的四倍频计数二进制位低两位的数值为0，即周期计数信息的四倍频计数指示的正余弦信号为第一象限，而位置细分信息的数值指示的正余弦信号为第四象限；

A3：周期计数信息的四倍频计数与位置细分信息指示的信号象限数相差2，则系统报故障；

A4：情况A1，A2，A3以外的其他情况。

步骤3：根据步骤2结果，对周期计数信息的四倍频计数进行校正，得到准确的周期计数信息：

若步骤2中结果为情况A1，则周期计数信息的四倍频计数加1；

若步骤2中结果为情况A2，则周期计数信息的四倍频计数减1；

若步骤2中结果为情况A3，则系统报故障；

若步骤2中结果为情况A4，则不存在拼接问题，无需处理。

周期计数信息的四倍频计数数值校正完成后，去掉冗余的2位，即得到准确的周期计数信息。

步骤4：将周期计数信息和位置细分信息进行拼接，得到高分辨率位置信息。

正弦波信号整周期数，再和小数数值拼接求和，为当前准确的高分辨率位置信息，即

。

上述实施为本发明举例较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的实质与原理下所作的改变，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可自校正的正余弦编码器高分辨率位置信息拼接方法，包括以下步骤：

步骤一：获取周期计数信息和位置细分信息，其中周期计数信息就是当前位置相对于起点转过的正余弦信号整周期数；

位置细分信息的获得方法为：

①单芯片通用处理器的模数转换单元将单端正余弦信号量化为U₁和U₂，即

U1＝A₁sinθ++C₁

U₂＝A₂cosθ+C₂

②位置细分模块首先对量化值进行幅值一致性调整和中心电平校准，使幅值A₁与A₂均接近同一幅值A，且除去中心电平C₁和C₂即基准电压的影响，调整后得到u₁＝Asinθ，u₂＝Acosθ；

③根据正余弦信号u₁和u₂的极性，将信号周期分为四或八个区间；在一个区间内，按信号绝对比值大小再实现若干细分，两信号|u₁|和|u₂的比值计算：

构建一个区间的正切值表，其它区间共用此区间表格数据，根据计算的正切值采用查表细分法，得到当前绝对正切值u对应所建区间的位置角θ′，再根据所处的不同区间作细微处理来获得与相位角θ对应的高分辨率细分小数值，

θ＝m×2π/4±θ′ (m＝0，1，2，3)

步骤二：通过周期计数信息与位置细分信息拼接合成被测位置角度

其中，N为编码器整圈正余弦周期数，M为当前位置相对于起点转过的正余弦信号整周期数，即周期计数信息，θ为不足一周期的正余弦信号相位角，即位置细分信息；

其特征在于，在步骤一之后，步骤二之前，还包括以下步骤：

步骤A：判断比较位置细分信息和周期计数信息所指示的正余弦信号象限的一致性，包括以下几种情况：

A1：周期计数信息四倍频计数指示的正余弦信号为第四象限，位置细分信息指示的正余弦信号为第一象限；

A2：周期计数信息的四倍频计数指示的正余弦信号为第一象限，位置细分信息指示的正余弦信号为第四象限；

A3：周期计数信息的四倍频计数与位置细分信息指示的信号象限数相差2；

A4：周期计数信息的四倍频计数以及位置细分信息指示的正余弦信号象限不属于A1至A3中的任何一种情况；

步骤B：根据步骤A判断结果，修正周期计数信息的四倍频计数值，得到准确的周期计数信息；具体处理方式如下：

B1：当步骤A判断结果为A1时，周期计数信息的四倍频计数加1，然后去掉冗余的2位，即得到准确的周期计数信息；

B2：当步骤A判断结果为A2时，周期计数信息的四倍频计数减1，然后去掉冗余的2位，即得到准确的周期计数信息；

B3：当步骤A判断结果为A3时，系统报故障；

B4：当步骤A判断结果为A4时，不存在拼接问题，周期计数信息的四倍频计数即为准确的周期计数信息。

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