CN202041221U - 一种正余弦编码器细分装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种正余弦编码器细分装置，其中正余弦模数转换模块、整形比较方波产生模块分别与差分信号接收放大模块连接；电平转换模块与整形比较方波产生模块连接；区间细分计数模块、转向判断模块分别与电平转换模块连接；偏差分离计算模块与正余弦模数转换模块连接；角度计算模块与区间细分计数模块、转向判断模块、正余弦模数转换模块、偏差分离计算模块连接。

Description

一种正余弦编码器细分装置

技术领域

本实用新型涉及数控机床电机转子位置检测领域，尤其涉及一种针对正余弦编码器输出的正余弦信号进行处理的正余弦编码器细分装置。

背景技术

随着功率电子技术与计算机控制技术的发展，在当前的数控机床中一般采用永磁同步电机组成的伺服系统来控制电机的位置转速等参数，而进行电机控制的关键问题之一就是转子的位置监测，转子当前位置直接决定着系统的控制方式、变频器的开关方式及输出频率。因此要实现高速高精加工，伺服驱动装置必须具备高分辨率的转子位置检测系统。目前常用的角度位置装置有：

采用高分辨率的光电编码器，为了提高输出的分辨率，必须特高物理刻线的密度，而此项措施主要受到编码器体积、制造工艺的影响。

使用旋转编码器配备角度解码器(RDC)，旋转变压器正余弦的信号送入专用芯片，输出一定位数的角度数字信号，此时，旋转变压器需配置专用励磁电源芯片，而且由于RDC芯片本身的限制此种方法只能适用于转速比较低的场合。

因此有必要提供一种可以计算出电机转子高精度的角度值的正余弦编码器细分装置，而不需要无限制的提高物理刻线密度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有偏差补偿、高速高精度优点的正余弦编码器细分装置，从而为位置伺服控制系统提供更加精确的位置信号来满足精确控制的要求。

为实现上述目的，本实用新型提供一种正余弦编码器细分装置，其特征在于：差分信号接收放大模块、正余弦模数转换模块、整形比较方波产生模块、电平转换模块、区间细分计数模块、转向判断模块、偏差分离计算模块、及角度计算模块，其中正余弦模数转换模块、整形比较方波产生模块分别与差分信号接收放大模块连接；电平转换模块与整形比较方波产生模块连接；区间细分计数模块、转向判断模块分别与电平转换模块连接；偏差分离计算模块与正余弦模数转换模块连接；角度计算模块与区间细分计数模块、转向判断模块、正余弦模数转换模块、偏差分离计算模块连接。

进一步的，所述区间细分计数模块、转向判断模块均采用现场可编程门阵列FPGA芯片。

进一步的，所述角度计算模块与偏差分离计算模块共用一个数字信号处理器DSP芯片。

本实用新型所述的正余弦编码器细分装置具有以下优点：该正余弦编码器细分装置通过设置正余弦模数转换模块、采用现场可编程门阵列FPGA芯片的区间细分计数模块和转向判断模块，以及采用DSP芯片的角度计算模块，使得该装置的细分速度高，最快可达100kHz的细分频率(每次细分时间)，并且具有较高的细分倍数。尤其在采用12位AD数模转换器的前提下可以达到8388608倍的细分倍数。偏差分离计算模块进行偏差实时补偿，使得正余弦编码器输出信号的各种偏差在数据处理中被滤除，将进一步提高细分装置的精度。整个装置通过数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、高速模数转换器ADC的互相配合，实现了高速高精度的数据采集，高速的数据处理，高速高精度的数据输出。装置在一块电路板上实现所用功能，便于批量生产和安装，可广泛用于数控机床等对角度位置测量要求较高的领域。

附图说明

图1为符合本实用新型的正余弦编码器细分装置的结构框图；

图2为图1所示的正余弦编码器细分装置的工作流程示意图。

以下结合附图对本实用新型专利做进一步的详细说明。

具体实施方式

下面将结合附图1、2对本实用新型作进一步说明。但本实用新型的内容不仅仅局限如此。

请参阅图1，符合本实用新型的正余弦编码器细分装置，其包括差分信号接收放大模块1、正余弦模数转换模块2、整形比较方波产生模块3、电平转换模块4、区间细分计数模块5、转向判断模块6、偏差分离计算模块7及角度计算模块8。其中正余弦模数转换模块2、整形比较方波产生模块3分别与差分信号接收放大模块1连接；电平转换模块4与整形比较方波产生模块3连接；区间细分计数模块5、转向判断模块6分别与电平转换模块4连接；偏差分离计算模块7与正余弦模数转换模块2连接；角度计算模块8与区间细分计数模块5、转向判断模块6、正余弦模数转换模块2、偏差分离计算模块7连接。

所述差分信号接收放大模块1用于接收正余弦编码器100送出的两路模拟正余弦差分信号、输出共模电压为0V的正余弦模拟差分信号。

所述正余弦模数转换模块2用于接收差分信号接收放大模块1处理后的两路正余弦模拟差分信号、并对此两路正余弦模拟差分信号的电压值进行A/D转换，以获得两路正余弦模拟差分信号电压值对应的数字量。

所述整形比较方波产生模块3用于将差分信号接收放大模块1处理后的两路正余弦模拟差分信号进行电压比较，并生成方波信号。

所述电平转换模块4用于将整形比较方波产生模块3输出的以+5V为峰值的方波转化为+3.3V为峰值的方波电压信号，从而可以使其送入FPGA等以+3.3V为I/O口电平的逻辑判断模块。

所述区间细分计数模块5用于对正余弦信号进行4倍频细分，将每个正余弦周波信号周期细分为4个区间。

所述转向判断模块6用于判断转子的转向，通过判断正弦信号、余弦信号的相位的前后不同来判断转子的转向，同时根据转子的转向进行区间计数的增或者减操作。

所述偏差分离计算模块7用于对非理想化正余弦信号的偏差分离和实时补偿，考虑到输入的正余弦信号可能存在直流偏置、幅值偏差和相位偏差等三种偏差，采用相应偏差分离算法，分离得到上述三种偏差的值。

所述角度计算模块8用于计算转子的角度值，通过正余弦模数转换模块2处理后的电压数字量送入角度计算模块进行除法计算得出正切、余切值；通过区间细分计数模块5送入数字信号处理器的区间计数值进行区间计数；通过偏差分离计算模块7获得三种偏差，并进行补偿；最终在数字信号处理器中计算出准确的角度位置。

所述区间细分计数模块5、转向判断模块6均采用现场可编程门阵列FPGA芯片(未图示)。

所述角度计算模块8与偏差分离计算模块7共用一个数字信号处理器DSP芯片(未图示)。

请参阅图2，本实用新型所述的正余弦编码器细分装置的具体工作过程如下：

首先，差分信号接收放大模块1接收来自正余弦编码器100送入的A、B相的两组差分电压信号，经过差分信号接收放大模块1的差分接收放大处理后输出共模电压为0V的两组正余弦模拟差分信号。然后，处理后的正余弦模拟差分信号同时送入正余弦模数转换模块2和整形比较方波产生模块3。

在正余弦模数转换模块2中，对两组正余弦模拟差分信号进行模数转换处理。12位的AD转换，就能得到这两组正余弦模拟差分信号所对应的12为数字量，可以达到的最大细分倍数为2的12次方，即4096倍，由此可见细分的倍数受到正余弦模数转换模块的高速模数转换器ADC最大采样位数的影响，正弦、余弦信号转化后的电压值经过区间细分计数模块及转向判断模块的现场可编程门阵列FPGA芯片送入数字信号处理器DSP中进行处理。

整形比较方波产生模块3在接收到差分信号接收放大模块1处理后的信号后，使用整形比较方波产生模块3中的电压比较器产生方波信号并进行整形处理，产生相对应的方波信号送入电平转换模块4。

电平转换模块4将整形比较方波产生模块3的方波信号转换为以+3.3V为高电平，0V为低电平的方波信号，并送入区间细分计数模块5中。

区间细分计数模块5接收到送入的方波信号后，根据特定的区间细分判断依据进行区间加减计数，并在DSP读取计数值时将当前区间计数值送入角度计算模块的数字信号处理器DSP中。

转向判断模块6在接收到送入的方波信号后根据A、B两相方波的超前滞后关系判断出转子究竟是正转还是反转，并给出正反转的逻辑电平信号。

角度计算模块8在读取AD转换器送入的A、B两相电压数字量并将两者做除法得出正切值，同时读取对应的区间计数的值，利用反正切细分算法最终计算出对应的角度值。

偏差分离计算模块7根据所读取到A、B两相电压数字量计算出直流偏置、幅值偏差和相位偏移三种偏差，然后在角度计算模块8中进行角度补偿计算，计算出角度值，得到更加精确的角度值。

本细分装置的细分倍数主要受到所采用的正余弦编码器每旋转一周所输出的正余弦周波个数(与刻线数有关)和模数转换模块的转换位数的影响。假设所用正余弦编码器为256刻线(2⁸细分)，正余弦模数转换模块2采用12位AD采样芯片(2¹²细分)，由于在区间细分环节采用了4倍频及反正切细分技术(2³细分)，因此最终的角度细分为8+12+3＝23位的细分精度，细分的分辨率可以达到360°/2²³＝0.0000429°，由此可见通过细分算法的高速高精度细分装置可以在使用刻线不多的编码器下实现很高精度的角度测量。

本实用新型所述的正余弦编码器细分装置具有以下优点：该正余弦编码器细分装置通过设置正余弦模数转换模块2、采用现场可编程门阵列FPGA芯片的区间细分计数模块5和转向判断模块6，以及采用DSP芯片的角度计算模块8，使得该装置的细分速度高，最快可达100kHz的细分频率(每次细分时间)，并且具有较高的细分倍数。尤其在采用12位AD数模转换器的前提下可以达到8388608倍的细分倍数。正余弦模数转换模块7进行偏差实时补偿，使得正余弦编码器100输出信号的各种偏差在数据处理中被滤除，将进一步提高细分装置的精度。整个装置通过数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、高速模数转换器ADC的互相配合，实现了高速高精度的数据采集，高速的数据处理，高速高精度的数据输出。装置在一块电路板上实现所用功能，便于批量生产和安装，可广泛用于数控机床等对角度位置测量要求较高的领域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种正余弦编码器细分装置，其特征在于：所述的装置包括：差分信号接收放大模块(1)、正余弦模数转换模块(2)、整形比较方波产生模块(3)、电平转换模块(4)、区间细分计数模块(5)、转向判断模块(6)、偏差分离计算模块(7)、及角度计算模块(8)，其中正余弦模数转换模块(2)、整形比较方波产生模块(3)分别与差分信号接收放大模块(1)连接；电平转换模块(4)与整形比较方波产生模块(3)连接；区间细分计数模块(5)、转向判断模块(6)分别与电平转换模块(4)连接；偏差分离计算模块(7)与正余弦模数转换模块(2)连接；角度计算模块(8)与区间细分计数模块(5)、转向判断模块(6)、正余弦模数转换模块(2)、偏差分离计算模块(7)连接。

2.如权利要求1所述的正余弦编码器细分装置，其特征在于：所述区间细分计数模块(5)、转向判断模块(6)均采用现场可编程门阵列FPGA芯片。

3.如权利要求1所述的正余弦编码器细分装置，其特征在于：所述角度计算模块(8)与偏差分离计算模块(7)共用一个数字信号处理器DSP芯片。

4.如权利要求1所述的正余弦编码器细分装置，其特征在于：所述正余弦模数转换模块(2)采用高速模数转换器ADC。

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