CN113587963B - 一种莫尔条纹信号的细分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种莫尔条纹信号的细分方法，包括S1：将两路相位正交的正弦信号与余弦信号进行模数转换；S2：由正弦信号、余弦信号和直流分量构造新的信号函数，将周期内信号进行八倍粗细分；将粗细分后的八个区间转化为二进制数值用来表示相角位置编码；S3：在八倍粗细分的每个区间进行精细分，实现相角精细分编码信息；S4：将S2粗细分编码结果和S3精细分结果进行组合编码，得到最终相角细分编码；S5：将周期内每个相角进行细分编码，汇总为查分表；S6：采集莫尔条纹信号，进行细分编码，通过查分表可得莫尔条纹信号的相角。解决了由模数转换器自身精度问题所带来的细分精度损失，细分的精度达到了硬件系统的理想值。
Description
技术领域
本发明属于角度位置检测技术领域，特别是涉及一种莫尔条纹信号的细分方法。
背景技术
光电编码器是一种利用计量光栅作为测量位置基准，根据输出的莫尔条纹光电信号作为定位信息，可对物体运动距离与转动角度进行数字化位移量精密实时测量的装置。莫尔条纹信号细分技术是实现高精度光电编码器的核心技术，其中电子学细分方法由于实用性、有效性、灵活性等优点已成为本领域的研究热点。常用的电子学细分方法有，电阻链细分法、锁相环细分法、载波调制细分法、幅值比较插值法、反正切细分法等。莫尔条纹信号输出的是正余弦波形，理论上其信号可以通过电子学进行任意倍数细分。在实际应用中，考虑到硬件误差和精度的影响，一般细分倍数并不会很高，更多的是用细分的精度作为细分方法的主要指标。
在专利CN102944258A公开了精度编码器光电信号细分误差的检测方法，并具体公开了一种细分误差检测的方法，所述方法是通过一些分析的手段来推导出莫尔条纹光电信号波形表达式的关键参数，再通过这些参数计算得到细分误差。其本质是一种细分误差检测方法。专利CN104614002B公开了一种跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法，并具体公开了一种跟踪控制平台光电编码器细分信号误差补偿方法，所述方法是通过对编码器细分误差进行数理分析，借助特定的系统平台对细分误差进行补偿。专利CN110530407A公开了一种光电编码器的光电信号质量误差分离方法，并具体公开了一种光电编码器的光电信号质量误差分离方法，所述方法是通过电子学细分方法来计算、提取、分离光电信号的误差。综上所述，现有技术是利用模数转换器进行角度位置信息的转换，然后再用反正切法来实现角度位置的细分，缺点是模数转换器自身的误差被带到了细分中，直接降低了细分的精度。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种莫尔条纹信号的细分方法，以解决电子学细分方法中由于模式转换器自身误差带来的精度损失的问题。目前模数转换器的精度一般比其分辨率要低至少2位，即12位模数转换器的准确数据只有前10位，而最后2位数据往往由于其自身系统限制被视为误差。这一现象导致在进行电子学细分方法时细分精度被影响，也成为其细分误差的主要来源。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种莫尔条纹信号的细分方法，包括以下步骤：
步骤S1：将两路相位正交的正弦信号与余弦信号进行模数转换；
步骤S2：由正弦信号、余弦信号和直流分量构造新的信号函数，将周期内信号进行八倍粗细分；然后将粗细分后的八个区间转化为二进制数值用来表示相角位置编码；
步骤S3：在八倍粗细分的每个区间进行精细分，实现相角精细分编码信息；
步骤S4：将步骤S2粗细分编码结果和步骤S3精细分结果进行组合编码，得到最终相角细分编码；
步骤S5：将周期内每个相角进行细分编码，汇总为查分表；
步骤S6:采集莫尔条纹信号，进行细分编码，通过查分表可得莫尔条纹信号的相角。
进一步的，所述步骤S2中构造新的信号函数具体为：将正弦信号sin(x)、余弦信号cos(x)分别与直流分量A做差后取绝对值，使得正弦信号sin(x)转化为|sin(x)-A|信号形式，余弦信号cos(x)转化为|cos(x)-A|信号形式；将得到的信号|sin(x)-A|与信号|cos(x)-A|做差后取绝对值，得到信号函数||sin(x)-A|-|cos(x)-A||，则一个周期内的正余弦信号实现八倍粗细分，其中x为信号相角。
进一步的，所述步骤S2中粗细分后的八个区间转化为二进制数值用来表示相角位置编码具体为：第一位用sin(x)-A的正负值表示，当sin(x)-A值为正值时，用二进制数1表示，当sin(x)-A值为负值时，用二进制数0表示；第二位用cos(x)-A的正负值表示；当cos(x)-A值为正值时，用二进制数1表示，当cos(x)-A值为负值时，用二进制数0表示；第三位用|sin(x)-A|-|cos(x)-A|的正负值表示，当|sin(x)-A|-|cos(x)-A|值为正值时，用二进制数1表示，当|sin(x)-A|-|cos(x)-A|值为负值时，用二进制数0表示。
进一步的，所述步骤S3采用幅值分割法对每个区间内信号进行精细分。
进一步的，所述每个区间内信号进行精细分具体为：采用N bit的模数转换器对信号进行转换，信号函数||sin(x)-A|-|cos(x)-A||上任意一点的电压值均可表示为一个12位二进制数编码信息，则每个区间内的信号||sin(x)-A|-|cos(x)-A||的电压有2N份编码信息，每个编码信息对应了一个相角位置编码。
进一步的，所述步骤S4具体为：将步骤S2中粗细分得到的结果作为相角位置编码的前3位，然后将步骤S3中得到的12数字码的首位编码数字和末尾两位编码数字去掉作为相角位置编码的后9位，得到最终相角的细分编码。
本发明的有益效果是：用模数转换器将模拟信号转换成数字信号以获得幅值信息，通过反正切函数来进行莫尔条纹信号的细分。并通过三位粗细分数字码替换掉模数转换器的精度损失位，只要模数转换器的有效精度小于2位就可以保证细分精度不会损失。本方法在不改变的原有系统方案的基础上，分别进行粗细分和精细分两个流程，再重新组合了一种角度位置信息的表达形式，解决了由模数转换器自身精度问题所带来的细分精度损失，细分的精度达到了硬件系统的理想值(分辨率)。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种莫尔条纹信号的细分方法流程图。
图2是一个周期信号被粗细分为八个象限区间的原理图。
图3是模数转换器对粗细每个区间进行精细分的原理图。
图4是粗细分与精细分重新组合得的的最终细分结果示意图。
图5是12位模数转换器对信号进行细分示意图。
图6是相邻两个角度位置的细分示意图。
图7是一个象限周期内512个角度位置值的自相关性验证示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为实施例提供的一种莫尔条纹信号的细分方法，主要包括以下步骤：
步骤S1：模数转换
采用模数转换器将两路相位正交的正弦信号sin(x)与余弦信号cos(x)进行模数转换，其中x为莫尔条纹信号相角；
步骤S2：将信号进行八倍粗细分
如图2所示，将步骤S1中的正弦信号sin(x)、余弦信号cos(x)分别与直流分量A(电压值)做差后取绝对值，使得正弦信号sin(x)转化为|sin(x)-A|的形式，余弦信号cos(x)转化为|cos(x)-A|的形式；将得到的信号|sin(x)-A|与信号|cos(x)-A|做差后取绝对值，得到信号||sin(x)-A|-|cos(x)-A||的函数曲线如图3所示，则一个周期内的正余弦信号实现八倍粗细分。即在2π周期内将正弦信号sin(x)与余弦信号cos(x)等分为8个区间，每个区间为π/4，在每个区间内正余弦信号与相角x均为单调线性关系。
然后将粗细分后的八个区间转化为二进制数值(3bit)用来表示相角x位置编码的前3位，具体为：第一位用sin(x)-A的正负值表示，当sin(x)-A值为正值时，用二进制数1表示，当sin(x)-A值为负值时，用二进制数0表示；第二位用cos(x)-A的正负值表示；当cos(x)-A值为正值时，用二进制数1表示，当cos(x)-A值为负值时，用二进制数0表示；第三位用|sin(x)-A|-|cos(x)-A|的正负值表示，当|sin(x)-A|-|cos(x)-A|值为正值时，用二进制数1表示，当|sin(x)-A|-|cos(x)-A|值为负值时，用二进制数0表示；则可以得到相角x位置编码的前3位。如表1所示为八倍粗细分后每个象限区间对应的3bit真值表。
表1八倍粗细分后每个象限区间对应的3bit真值表
| 粗细分周期 | sin(x)-A | cos(x)-A | |sin(x)-A|-|cos(x)-A| |
| 0°-45° | 1 | 1 | 0 |
| 45°-90° | 1 | 1 | 1 |
| 90°-135° | 1 | 0 | 1 |
| 135°-180° | 1 | 0 | 0 |
| 180°-225° | 0 | 0 | 0 |
| 225°-270° | 0 | 0 | 1 |
| 270°-325° | 0 | 1 | 1 |
| 325°-360° | 0 | 1 | 0 |
步骤S3：在八倍粗细分的每个区间再进行精细分
如图3所示，信号||sin(x)-A|-|cos(x)-A||为三角波，其电压值在每个区间内与相角x均为单调线性关系，采用幅值分割法对每个区间内的信号进行精细分，具体步骤为：
采用N bit的模数转换器对信号进行转换，任意一个点的电压值均可表示为一个12位二进制数编码信息，则每个区间内的信号||sin(x)-A|-|cos(x)-A||的电压有2N份编码信息，每个编码信息对应了一个相角x位置编码，即用切割电压幅值来实现对相角x精细分。
步骤S4：将步骤S2粗细分结果和步骤S3精细分结果进行组合编码，得到最终细分编码；
具体为：将步骤S2中粗细分得到的结果作为相角x位置编码的前3位，然后将步骤S3中得到的12数字码的首位编码数字和末尾两位编码数字去掉作为相角x位置编码的后9位，得到最终相角x的细分编码。
其中，由于步骤S2粗细分使得信号幅值损失掉一半，在进行步骤S3时，模数转换器的量程也只有1/2，相当于模数转换后的数字码损失掉了首位。再考虑到目前常用的模数转换器其有效精度一般都比实际分辨率少2位，因此去掉模数转换后数字码的后2位，就相当于剩下的9位数字码是准确的。
步骤S5：将2π周期内每个相角x通过上述步骤进行编码，得相角x的细分编码，汇总为查分表。
步骤S6：采集莫尔条纹信号，按照上述步骤S1-S4对其进行编码，得到信号的数字编码，然后将数字编码在步骤S5中的查分表查找相应的相角x，可得信号相角x。
实施例1：
图5所示为进行细分的两路正余弦信号，选择电压为3.3V、12位的模数转换器对信号进行细分，两路正交信号的振幅分割成4096份，并由一个12位的数字码表示。
首先，通过本发明所述的粗细分方法对一个信号周期内的相角位置进行表示，其对应的正弦信号幅值可以表示为110000000000(3072)，对应的余弦信号幅值表示为000100010010(274)，直流分量A表示为100000000000(2048)；将这两个幅值信息与直流分量A在数字域进行简单计算，再对照表1中的真值表可以确定所选角位置信息的前3位为100，即实现了本方法的粗细分。将上述两个正余弦信号幅值带入到信号||sin(x)-A|-|cos(x)-A||，可得到对应相角编码为001011101110(750)，然后，将细分位置的首位和末尾2位去掉，并与粗细分相角位置编码进行组合，获得最终的细分编码为100010111011。
实施例2：
上述细分方法选择12位的模数转换器对信号进行4096倍细分，即可以在一个信号周期内获得4096个相角位置。本实施例将演示与实施例1中相邻2个相角位置细分后的相角位置编码。
如图6所示，按照本方法先将要演示相角位置所对应的两路相位正交信号幅值表示为110000000010(3074)和000100010000(276)，将这两个幅值信息与直流分量A进行简单比较，其中sin(x)-A为正、cos(x)-A为负；|sin(x)-A|-|cos(x)-A|为负。再对照表1中的真值表可以确定所选相角位置编码的前3位为100。然后，计算得到在||sin(x)-A|-|cos(x)-A||信号波形对应的精细分编码为001011101010(746)，再将精细分编码的首位和末尾2位去掉，并与粗细分编码进行重新组合，获得细分后的相角位置编码为100010111010。
重复上述方法，可以获得另一个相邻相角位置编码为100010111100，通过观察可以发现相邻的2个相角位置编码与实施例1中的相角位置编码并不重复。验证了本方法在实现4096倍的细分时，相邻相位区间不存在细分信息编码重复的现象。
实施例3：
在本实施例中，粗细分已经对每个象限周期进行了8倍细分(3bit)，因此每个象限周期内需要512倍细分即可达到本方法目的。
重复上述方法，对π/4周期内的512个相角位置进行求值，可获得512个不重复的相角位置编码。如图7所示，对512个相角位置编码的值进行自相关性验证，未发现存在重复的相角位置，证明了本方法可在π/4周期内实现512个角位置值的细分。
基于实施例1、实施例2和实施例3，验证了本方法可实现任意一个相角的细分编码表示，同时相邻与同一个π/4周期内相角的细分编码不重复，证明了本方法细分编码不存在任何误差。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种莫尔条纹信号的细分方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将两路相位正交的正弦信号与余弦信号进行模数转换；
步骤S2：由正弦信号、余弦信号和直流分量构造新的信号函数，将周期内信号进行八倍粗细分；然后将粗细分后的八个区间转化为二进制数值用来表示相角位置编码；
步骤S3：在八倍粗细分的每个区间进行精细分，实现相角精细分编码信息；
步骤S4：将步骤S2粗细分编码结果和步骤S3精细分结果进行组合编码，得到最终相角细分编码；
步骤S5：将周期内每个相角进行细分编码，汇总为查分表；
步骤S6：采集莫尔条纹信号，进行细分编码，通过查分表可得莫尔条纹信号的相角；
所述步骤S2中构造新的信号函数具体为：将正弦信号sin(x)、余弦信号cos(x)分别与直流分量A做差后取绝对值，使得正弦信号sin(x)转化为|sin(x)-A|信号形式，余弦信号cos(x)转化为|cos(x)-A|信号形式；将得到的信号|sin(x)-A|与信号|cos(x)-A|做差后取绝对值，得到信号函数||sin(x)-A|-|cos(x)-A||，则一个周期内的正余弦信号实现八倍粗细分，其中x为信号相角；
所述步骤S2中粗细分后的八个区间转化为二进制数值用来表示相角位置编码具体为：第一位用sin(x)-A的正负值表示，当sin(x)-A值为正值时，用二进制数1表示，当sin(x)-A值为负值时，用二进制数0表示；第二位用cos(x)-A的正负值表示；当cos(x)-A值为正值时，用二进制数1表示，当cos(x)-A值为负值时，用二进制数0表示；第三位用|sin(x)-A|-|cos(x)-A|的正负值表示，当|sin(x)-A|-|cos(x)-A|值为正值时，用二进制数1表示，当|sin(x)-A|-|cos(x)-A|值为负值时，用二进制数0表示；
所述步骤S3采用幅值分割法对每个区间内信号进行精细分；
所述每个区间内信号进行精细分具体为：采用N bit的模数转换器对信号进行转换，信号函数||sin(x)-A|-|cos(x)-A||上任意一点的电压值均可表示为一个12位二进制数编码信息，则每个区间内的信号||sin(x)-A|-|cos(x)-A||的电压有2N份编码信息，每个编码信息对应了一个相角位置编码；
所述步骤S4具体为：将步骤S2中粗细分得到的结果作为相角位置编码的前3位，然后将步骤S3中得到的12数字码的首位编码数字和末尾两位编码数字去掉作为相角位置编码的后9位，得到最终相角的细分编码。
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