CN1202765A - 编码器的内插电路 - Google Patents

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Abstract

编码器的输出由A/D转换器11a和11b取样,转换成N位的A相和B相数字数据DA和DB。在查询表存储器12中,存储相位分段的参考相位角数据和相位分段中相位角数据中变化的平均梯度矢量,相位分段由数据DA和DB的高阶NU位寻址。算术电路确定平均梯度矢量和由数据DA和DB的NL位表示的相位内插数据的矢量内积,将结果加到相位角数据上,从而输出经内插的相位角数据。

Description

编码器的内插电路
本发明涉及一种对编码器的二相正弦信号进行数字内插处理的内插电路，该电路检测位置、角度、速度、角速度等以获得具有高分辨率的相位角数据。
由于在编码器的尺度范围内形成的格子空间中存在机械限制，来自编码器的正弦信号的空间周期应当再被划分供内插，以便测量比标称格子更精细的空间。所以，人们已经采用了各种内插电路。
图4是以前的数字处理采用的内插电路的一个例子。相互平移90°的相位A和相位B的二相正弦信号INA和INB从编码器1输出，并且随后有A/D转换器2a和2b用预定的频率取样，分别转换成数字数据DA和DB。预先根据下面的公式，用反正切函数(ATAN)在每一取样点处准备相位角数据，并存储在查询表存储器3中。
u＝ATAN(DB/DA)    ……(1)
所以，通过读取查询表存储器3，获得每一取样点处的相位角数据u，定义了数字数据DA和DB，分别作为地址x和y。另外，相位角数据u输入到二相方波数据发生电路4内，从而获得数字二相方波数据OUTA和OUTB。
当试图在用作上述的查询表存储器的内插电路中获得足够的内插数时，查询表存储器的容量会变得极大。例如，当A/D转换器2a和2b获得的数字数据DA和DB是N位时，数字数据DA和DB规定的地址空间的大小是N×N。当一要求的内插数定义为I时，相位角数据需要大于logaI的整数J。在这样一个条件下，查询表存储器中需要的存储器容量是22N×J。
例如，通过将一个周期分为400而获得的相位角数据由8位×8位而寻址的存储器结构变成如图5所示。当数据尺度定义为J＝9时，存储器容量变成28×28×9＝589,824位。
正如上文中描述的在编码器内插电路中减小查询表存储器的容量的方法那样，建议采用减小地址空间的方法，这一方法注意到除了符号以外，在地址空间中相位角数据周期性重复的对称性(日本公开的专利申请Hei.3-68812)。
本发明的目的是提供一种编码器的内插电路，其中，由A/D转换获得的数字数据的高阶位所定义的相位角数据被设计成是用低阶位内插的，从而可以减小查询表存储器的容量。
按照本发明的编码器的内插电路包含：对从编码器输出而相互相移90°的A相和B相正弦信号进行取样的A/D转换电路，以固定频率，将合成信号转换成分别具有N位的A相和B相数字数据；存储与多个相位分段和为每一相位分段准备的内插因子对应的参考相位角数据的查询表存储器，用来内插参考相位数据，以获得内插的相位角数据，相位分段是通过划分相位空间而获得的，相位空间的二维地址是由A相和B相数字数据赋给的，从而由A相和B相数字数据中高阶NU位给出二维地址，并且输入高阶NU位数据作为二维地址信号；以及通过处理从查询表存储器中读出的参考相位角数据和各个内插因子获得内插的相位角数据的算术电路，并且相位内插数据是由A相和B相数字数据中的低阶NL(＝N-NU)位数据表示的。
本发明中，通常与一要求的内插数对应的普通的查询表存储器的相位空间被划分成多个相位分段。本发明的查询表存储器中，存储有与A相和B相数字数据的高阶NU位分别定义的相位分段数对应的相位角数据，并读出参考相位角数据，由低阶NL位数据内插。相位角数据内插中使用的内插因子存储在查询表存储器中，存储器中还存储有由高阶NU位数据定义的相位角数据。所以，通过简单的内插运算，保留需要的内插数，可以获得内插的相位角数据。与此同时与查询表存储器具有N×N个全地址的情况相比大量减小了查询表存储器的容量并且由该地址定义的整个相位角数据被存储了。
具体说来，由于二相地址用来处理A相和B相正弦信号，并且相位内插数据和内插因子表述为二维数据，因而内插运算采用矢量运算。例如，本发明中，查询表存储器中存储有每一小地址空间中作为内插因子的相位角数据中变化的平均梯度矢量以及由A相和B相数字数据的高阶NU位寻址的每一相位分段的参考位置的参考相位角数据。在这种情况下，执行这样的内插运算，产生由A相和B相数字数据的低阶NL位组成的相位内插数据和从查询表存储器读出的平均梯度矢量的矢量内积，随后合成的结果被加到从查询表存储器读出的参考相位角数据上。结果，使得按照本发明内插的相位角数据与采用具有全地址查询表存储器时获得的相位角数据之间的偏差(差错)充分小。
下面参照附图描述按照本发明的实施例。
图1是按照本发明的实施例的编码器的内插电路。
图2是按照该实施例的相位角数据的内插原则图。
图3是描绘按照本发明的参考相位角数据和平均梯度矢量之间的关系的图。
图4是现有技术的内插电路。
图5是描述图4中的内插电路中查询表存储器的地址和相位空间。
图1描绘的是按照本发明的一个实施例的编码器的内插电路。尽管可不管具有内插电路的编码器所采用的原理是什么，最好采用MR元件的光学编码器和磁性编码器，作为编码器。从编码器输出的Z相和B相正弦信号INA和INB分别用预定频率由A/D转换器11a和11b取样，从而获得A相和B相数字数据DA和DB。采用诸如ROM的非易失存储器构成的查询表存储器12，以便确定相位角。查询表存储器12由数字数据DA和DB访问。这一基本结构与现有技术类似。然而在本实施例中，相位角数据存储在查询表存储器12内，相位角数据的数目可用数据DA和DB的预定的高阶位作为二维地址信号确定。
这就是说，在本实施例的情况下，数据DA和DB分别是N位(图1中，N＝8)。将这些数据DA和DB的高阶NU位(图1中NU＝5)输入到查询表存储器12中作为二维地址信号。在存储器12中，与各个相位分段“a”的各个参考位置(x0，y0)对应的参考相位角数据u0与相应于用于相位角内插的各个参考相位角数据而准备的内插因子一起存储起来。相位分段“a”是通过划分相位空间获得的，该空间的每一二维地址是由A相和B相数字数据而赋给的，二维地址由A相和B相数字数据中的高阶NU位数据规定。每一相位分段“a”的大小是NL×NL，这是在如图3所示采用N位的数字数据DA和NB作为全地址的情况下存储28NL个字(NL＝3的情况下为64个字)的相位角数据所需的。
如上所述，各个相位分段“a”中相位角数据中变化的平均梯度矢量数据用作正被存储的内插因子以及参考相位角数据u0。应当理解，参考相位角数据u0的参考位置中的每一个在各个相位分段“a”中是一预定的位置。
将各个数据DA和DB的低阶NL位(图1中NL＝3)的数据Δx和Δy输入到算术电路13中，执行内插运算，分别作为相位内插数据。在算术电路13中，内插相位角数据的运算是根据参考相位角数据和从查询表存储器12中读出的内插因子(即平均梯度矢量)和与低阶位数据Δx和Δy对应的相位内插数据来进行的。
参照图2，下面描述按照该实施例的相位角数据内插的原理。图2仅示出相位空间的右上部象限，其中，数据DA和DB用地址x和y表示。图2中，u0是从查询表存储器12读出的某一参考相位角数据，并且Δu是将要包括在相位分段“a”中的NL位×NL位的数据所定义的相位内插数据的矢量。在采用N位×N位的全地址情况下获得的相位角数据u是通过用相位内插数据的矢量Δu来内插参考相位角数据u0而获得的。每一相位分段“a”中相位角数据中的变化量(梯度)是由相位分段“a”的参考位置(x0，y0)确定的，并且大体均匀。所以，如上所述，相位分段“a”中相位角数据的平均梯度矢量K是预先确定，作为内插因子和参考相位角数据u0存储在查询表存储器12中。内插的相位角数据u可以通过对相位内插数据的矢量Δu和平均梯度矢量K的矢量内积运算并将结果加到参考相位角数据u0上来获得，表示成公式就是下述公式(2)。
u＝u0+K×Δu    ……(2)
相位内插数据矢量Δu的x分量和y分量分别是Δx和Δy。当平均梯度矢量K的x，y分量分别定义为kx，ky时，公式(2)变成下述公式(3)。
u＝u0+(kx·Δx+ky·Δy)    ……(3)
采用上述矢量内积的内插运算是用图1中的算术电路13进行的。第一和第二乘法器131和132分别将从存储器12读出的平均梯度矢量K的kx分量和ky分量与用数字数据DA和DB的低阶NL位表示的Δx和Δy分量(即，相位内插数据的分量)相乘。第一加法器133将乘法器131和132的结果相加。相位内插数据矢量Δu可以由加法器133获得。第二加法器134将相位内插数据矢量Δu加到从存储器12读出的参考相位角数据u0上。结果，可以获得所要求的内插相位角数据。
内插的相位数据是例如以传统的方式在二相方波数据发生电路14中处理的，从而输出二相方波数据OUTA和OUTB。
例如，上述相位分段“a”中平均梯度矢量的kx和ky分量由下述公式(4)给出，相位分段“a”的中心定义为图3中所示的典型点(x1，y1)。
kx＝-A·y1/(x12+y12)
kx＝+A·y1/(x12+y12)    ……(4)
公式(4)中，当内插数定义为I时，“A”是A＝I/2π。公式(4)是用标量场的数学公式引入的。即，当由具有某一变化的空间分布的标量场代表的数据定义为u＝A·φ时，数据的变化部分矢量Δu的x，y分量分别定义为Δx，Δy，“u”可以由下述偏微分方程(5)给出。
u＝u0(x0，y0)+(δu/δx)Δx+(δu/δy)Δy
 ＝u0(x0，y0)+(-Ay1)/(x12+y12)+(+Ax1)/(x12+y12)…(5)
根据上述数学公式，当存储在存储器中的数据定义为A＝I/2π(I定义为内插数)时，得到公式(4)的平均梯度矢量的分量。
正如图3中描述的那样，最好将确定平均梯度矢量K的典型点(x1，y1)定义为相位分段“a”的中心，以提高近似的精度。然而，由于相位分段内的变化较小，即使选择其他的典型点时，也不会出现大的逼近误差。例如，参考点(x0，y0)可以选择作为典型点。
另外，作为确定相位角数据中变化的平均梯度矢量的另一种简单的方法，平均梯度矢量可以如下通过计算相邻相位分段的两个典型点之差来得到。
kx＝{u(x0+2NL，y0)-u(x0，y0)}/2NL
ky＝{u(x0，y0+2NL)-u(x0，y0)}/2NL    ……(6)
下面通过具体举例实际计算，描述采用上述平均梯度矢量K的相位角数据的内插逼近误差较小的情况。
当内插数I是400时，信号幅度变得近似是最小值的二分之一的范围中几个位置y/x(＝DB/DA)处相位角数据u是如下表1来确定的。
表1相位角数据u
  19181716   18.3720417.4540416.5285415.59583   18.104717.1984916.2852815.36517   17.8444316.9501326.0489315.1411   17.5915416.7086815.819214.92337
  y/x     64     65     66     67
表1中，当差分数据Δu确定时，将(x，y)＝(64，16)定义为参考位置，从而得出表2。
表2差分数据Δu
    19181716   2.7762161.8582160.9327090   2.5086711.6026610.689453-0.23066   2.2486041.3543060.453103-0.45472   1.9957151.1128580.223374-0.67246
   y/x     64     65     66     67
其次，当根据表1的相位角数据确定了每一相位角的偏微商δu/δx和δu/δy时，得到下述表3和表4的结果。
表3δu/δx
    19181716   -0.27139-0.25926-0.24681-0.23405   -0.26375-0.25190-0.23975-0.22731   -0.25643-0.24485-0.23299-0.22086   -0.24940-0.23809-0.22651-0.21467
   y/x     64     65     66     67
表4δu/δy
    19181716   0.914150.921800.929160.93621   0.902320.909660.916710.92346   0.890750.897800.904560.91103   0.879450.886210.892710.89892
   y/x     64     65     66     67
这一内插的相位角数据u＝u0+kx·Δx+ky·Δy是通过采用y/x＝16/64的参考相位角u0来确定的，采用在x1＝65.5、y1＝17.5时的偏微商δu/δx＝-0。24238和δu/δy＝0.907181作为从表3和表4得到的平均梯度矢量分量kx和ky，得到下述表5。
表5
u＝u0+kx·Δx+ky·Δy
    19181716   18.3173717.4101916.5030115.59583   18.0749917.1678116.2606315.35345   17.8326216.9254416.0182515.11107   17.5902416.6830615.7758814.8687
   y/x     64     65     66     67
表5的结果对应于通过本实施例的内插电路近似获得的相位角数据。表1和表5之间的误差小结为下表6
表6
误差
  19181716   -0.05467-0.04385-0.02553-0.00000   -0.02950-0.03067-0.02467-0.01172   -0.01181-0.02470-0.03067-0.03003   -0.00130-0.02563-0.04332-0.04567
  y/x     64     65     66     67
从上述数字数据中可以得知，本实施例的内插电路获得的逼近值的误差很小，使得小于内插数400的+/-1LSB。
如上所述，当在正由8位×8位的地址寻址的查询表存储器中赋给内插数400的相位角数据时，存储器容量是28×28×9＝589,824，将相位角数据的数据长度定义为9。与此相反，在本实施例中，假设具有相同数据长度且5位的矢量分量kx和ky的参考相位角存储在由5位×5位的高阶位指定的查询表中，则存储器容量变成25×25×(9+5+5)＝19,456位。这就是说，与上述例子相比，存储器容量可以被压缩成十三分之一。
这样的非易失存储器如ROM、EPROM和EEPROM和PLD、RAM之类可以用作图1中所示的查询表存储器12。另外，执行内插运算的算术电路13可以用微处理器或除数字电路以外的DSP，通过软件来实现。
按照本发明，在用于内插的查询表存储器中，存储有由通过转换A/D转换器的输出获得的数字数据的高阶NU位指定的相位角数据，和预先根据参考相位角数据的相位位置确定的相位角数据中变化的平均梯度矢量。内插运算是根据低阶NL位的数据以及从查询表存储器读取的参考相位角数据和平均梯度矢量来进行的，从而查询表存储器的容量可以大大地压缩。
尽管本发明是针对最佳实施例来描述和给出的，但本领域的技术人员应当理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对上述实施例的形式和细节作各种变更、省略和添加。
本专利申请的相应日本申请号是9-111123，申请日是1997年4月28日，其说明书、权利要求书、附图和摘要一并递交供参考。

Claims (6)

1.一种用于编码器的内插电路，其特征在于，它包含：A/D转换电路，用来对从编码器输出相互相移90°的A相位和B相位正弦信号进行取样，用给定的频率将结果分别转换成具有N位的A相位和B相位的数字数据；
查询表存储器，用来存储与多个相位分段对应的参考相位角数据和为每一相位分段准备的内插因子，用于内插参考相位数据，以获得内插的相位角数据，所述相位分段是通过划分相位空间而获得的，其二维地址由A相位和B相位赋给，从而由A相位和B相位数字数据中的高阶NU位数据规定二维地址，其中，高阶NU位数据的输入作为二维地址信号；以及
通过处理从查询表存储器读出的参考相位角数据和各个内插因子获得内插的相位角数据和A相位中和B相位中用低阶NL表示的相位内插数据的算术电路，其中，NL＝N-NU。
2.如权利要求1所述的内插电路，其特征在于，所述查询表存储器中存储的内插因子是根据相位分段的相位位置预先确定的相位角数据的变化的平均梯度矢量。
3.如权利要求2所述的内插电路，其特征在于，所述算术电路包含：
确定从算术查询表存储器中读出的相位内插数据和平均梯度矢量的矢量内积的乘法装置；以及
将由乘法装置确定的矢量内积加到从算术查询表存储器读出的参考相位角数据上以输出经内插的相位角数据的加法装置。
4.如权利要求2所述的内插电路，其特征在于，所述电路包含：
分别执行kx·Δx和ky·Δy的乘法的第一乘法装置和第二乘法装置，其中，Δx、Δy分别是相位内插数据的x分量和y分量，并且kx、ky分别是从查询表存储器读出的平均梯度矢量的x分量和y分量；叠加所述第一乘法装置和第二乘法装置获得的结果的第一加法装置；以及
将所述第一加法装置叠加的结果加到从所述查询表存储器读出的参考相位角数据上的第二加法装置。
5.如权利要求2所述的内插电路，其特征在于，所述平均梯度矢量的x分量和y分量的获得作为各个相位分段内中心点处相位角数据的偏微商。
6.如权利要求2所述的内插电路，其特征在于，所述平均梯度矢量的x分量和y分量的获得作为各个相位分段和相邻的另一相位分段中两个典型点之间的微分值。
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