高速正餘弦細分裝置的製作方法

2023-06-20 16:24:46 3

專利名稱：高速正餘弦細分裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種編碼器輸出信號處理系統，尤其涉及一種能將正餘弦信號進行多
倍插值細分的裝置。
背景技術：
編碼器是數控系統測量系統的核心功能部件，其發展也由原始的方波增量到正餘 弦增量到絕對值輸出，解析度也越來越高，精度也越來越好。早期的數控或測量系統中採用 方波式輸出編碼器，但是隨著工業的發展，對工件和測繪的精度的需求不斷提高，原有的編 碼器已經不能滿足要求，主要包含以下問題 1、方波輸出沒有過度相位，即方波輸出由一種狀態到另外一衝狀態時沒有中間 態，因此對於固定線數的編碼器來說解析度就確定了。 2、方波輸出式的編碼器當需要較高的解析度時，必須提高碼盤的物理刻線數量，
但是當刻線數量增加時，必須增加碼盤的直徑，同時製作工藝難度大大增加。 3、在方波輸出的編碼器中當轉速提高時，由於內部單色光的幹涉現象更加明顯，
同時輸出方波的頻率增高，頻譜豐富，對接收端的要求增高。因此方波輸出的編碼器能實現
的最大轉速較低。這種情況在高解析度的編碼器中更加的明顯。 4、方波輸出傳輸距離較近，最優大概30米，過長極易由於方波傳輸中高頻部分的 缺失造成誤計數和不計數。 近幾年新興的產品正餘弦輸出的編碼器以其精度好，後續處理簡單快捷，數值直 觀易用在數控領域被廣泛應用，正餘弦輸出的編碼器是高解析度高精度低成本的平衡產 品，有很多優勢 1、輸出波形包含相對的相位信息，因此可以利用特定插值法實現解析度大大提 高，而不需要提高物理刻線。 2、正餘弦輸出的編碼器輸出頻譜比較純淨，頻譜特異成分少，因此較方波輸出和 絕對值輸出編碼器更加適合遠距離的傳輸，衰減小，距離遠。 3、在相同的數學解析度下，物理刻線比方波式輸出的編碼器少很多，可以提供更 高的轉速。 因此正餘弦輸出的編碼器一出現就是高端高精的代名詞。但是由於技術難度大， 只被世界的幾個大公司掌握，尤其高精度編碼器的價格更是驚人的高，往往一些廠商已應 用其低精度的產品，在需要編碼器的精度進一步提高時就要花費高額的價格購買其高精度 產品來替代已有產品，這樣不但加大了企業的負擔，而且也帶來了浪費，所以一種能夠改變 原有產品精度的裝置急需被研製出來解決以上問題。

發明內容
本發明的目的在於打破幾大公司對正餘弦細分技術的壟斷和對國內的封閉，提供 一種低成本的前提下，以將正餘弦信號進行多倍插值細分的方案實現高分辨高精度控制。具體採用的技術手段如下 —種高速正餘弦細分裝置，其特徵在於包括 差補周期產生模塊，，用於產生啟動脈衝信號和整個裝置運行的周期時序。 正餘弦數據採樣和計算模塊，用於接收編碼器輸出的兩路正餘弦信號，並對這兩
路正餘弦信號的電壓值進行A/D轉換，已獲得這個兩路正餘弦信號的電壓值所對應的數字
量，後對採樣獲得的兩路正餘弦信號的電壓值的數字量進行除法的操作； 整周期計算模塊，用於對編碼器輸入的正餘弦信號進行整周期的計數； 查表模塊，用於將正餘弦數據採樣和計算模塊處理後的數據，同查表模塊內儲存
的兩路正餘弦波電壓值數字量的除法值所對應細分值的數據表進行比較，以此獲取細分
值； 求和模塊，用於將整周期計數模塊所得到的編碼器輸入整周期正餘弦信號個數乘 以當前的細分倍數，然後用這一乘法後的結果與查表模塊查出的當前正餘弦信號的細分值 進行加法操作； 輸出模式選擇模塊，用於根據輸入的指令進行輸出模式的切換工作，當選擇脈衝 輸出模式時，本模塊將求和模塊最終得到的加法的結果傳遞給脈衝輸出模塊；同樣當選擇 絕對值輸出模式時，本模塊將求和模塊最終得到的加法的結果傳遞給絕對值輸出模塊；
脈衝模式輸出模塊，用於對輸出模式選擇模塊輸入的根據加法結果確定的脈衝數 以脈衝的形式輸出； 絕對值輸出模塊，用於對輸出模式選擇模塊輸入輸入的根據加法結果確定的脈衝 數以數據的形式直接輸出； 所述正餘弦數據採樣和計算模塊及整周期計算模塊同編碼器相連接進行同步採 樣，所述正餘弦數據採樣和計算模塊同整周期計算模塊相連接向其發送同步信號；所述差 補周期產生模塊同正餘弦數據採樣和計算模塊相連接向其發送啟動脈衝信號，所述正餘弦 數據採樣和計算模塊同查表模塊相連接；所述整周期計算模塊將計錄編碼器輸入的整周期 正餘弦信號的個數發送到與其連接的求和模塊中；所述求和模塊將與其連接的查表模塊發 送過來的當前正餘弦信號的細分值數值同整周期計算模塊發送過來的輸入整周期正餘弦 信號個數乘以當前的細分倍數值進行求和後，發送到與其連接的輸出模式選擇模塊上，經 輸出模式選擇模塊的選擇後，由脈衝模式輸出模塊以方波的形式輸出或由絕對值輸出模塊 以數據形式直接輸出。 還包括參數選擇輸入模塊分別同正餘弦數據採樣和計算模塊、查表模塊、求和模
塊以及輸出模式選擇模塊相連接；用於將A， B相正餘弦信號是否需要互換位置的信息傳遞
給採樣和計算模塊；將用戶所需要的細分倍數的信息傳遞給查表模塊以及求和模塊中；將
用戶所需要的輸出模式信息傳遞給輸出模式選擇模塊。 上述各組成模塊都集成在現場可編程門陣列FPGA中。 本法明針對現有技術其優點是顯而易見的，具體如下 1、最快可達200ns的差補周期(細分計算的時間)，不遜色於國外同類高端的細分 設備的速度。 2、輸入的A， B相正餘弦信號最高可達600KHZ，依然能穩定實現細分功能，同國外 同類高端的細分設備相當。
3、擁有對編碼器C， D相正餘弦信號的細分功能，更方便用戶電機控制時電氣角的 計算。 4、支持傳統的脈衝輸出方式，方便使用脈衝輸出編碼器的用戶使用，不必更改數
據的接收方式就可以應用，大大提高編碼器解析度的同時基本不會提升成本。 5、支持絕對位置值輸出方式，傳統的脈衝輸出方式由於接收脈衝信號端採樣時鐘
的限制(不能無限制的提高)，造成細分設備輸入A， B相正餘弦信號頻率的限制(不能達
到如600KHZ這麼高的頻率)，從而限制了電機旋轉的最高速度。絕對位置值輸出方式克服
了這一缺陷，必將成為行業中通用的數據傳輸方式。 6、在採用14位A/D轉換器的前提下可達到16384倍的細分倍數，在同類的細分設 備中處於領先地方。 單晶片系統是將電子系統的全部設備集中設計在同一片晶片上，通過一定的協調 機制對系統中的各個設備進行協作管理，以達成系統級的功能實現。單晶片系統普遍具有 結構簡單的特點，同時矽智慧財產權核復用技術也簡化並加快了單晶片系統的設計過程，既 可以根據具體需求方便的對應用功能模塊進行增減，又可以使升級和修改變得更為容易。 另外，由於其結構簡單，不僅便於生產，而且成本低廉適於在所有使用正餘弦信號輸出的位 置測量、角度測量、運動控制領域，如數控工具機、高精度的測量儀器等領域廣泛推廣。


圖1為本發明所述高速正餘弦細分裝置的結構框圖；
圖2為本發明所述高速正餘弦細分裝置的處理流程圖。
具體實施例方式
如圖l和圖2所示，該高速正餘弦細分裝置的具體工作過程如下首先，差補周期 產生模塊產生整個裝置的計算周期脈衝信號，用以控制裝置啟動和按照規定的時鐘周期進 行各命令的執行；然後，正餘弦數據採樣和計算模塊用於接收編碼器輸出的兩路正餘弦信 號(兩路正餘弦信號為A，B相或C，D相信號)，對這兩路正餘弦信號的電壓值先進行12位 (或14位)的A/D轉換，就能得到這個兩路正餘弦信號的電壓值所對應的數字量。該數字 量為12位A/D轉換器得到的，所以可達到的最大細分倍數為2的12次冪，即4096倍。同 理用14位A/D轉換器可以達到的最大細分倍數16384倍；其中的計算過程是，將採樣過程 獲得的兩路正餘弦信號的電壓值的數字量進行除法的操作，即用A相信號A/D轉換後的數 字量除以B相信號A/D轉換後的數字量(或用C相信號A/D轉換後的數字量除以D相信號 A/D轉換後的數字量)。其中A/D的位數決定的是細分倍數的最大值，如12位的A/D最大 的細分倍數可達4096倍。也可以實現比它小的2048， 1024， 512， 256， 128， 64， 32倍。
整周期計算模塊，用於對編碼器輸入的正餘弦信號進行整周期的計數。正餘弦信 號的整周期計算模塊，將編碼器輸出的正餘弦信號進行整周期的計數，編碼器旋轉一周，計 數值的增量等於編碼器的線數，要對輸入信號要進行濾波，要處理整周期波形的滯後現象。
通過一種數字濾波的方法(就是在一個高頻的時鐘控制下對方波信號的高電平 (或低電平)進行多次採樣，取多數的情況。(如對高電平採樣5次，由於幹擾有一次為0， 四次為l，就認為結果為l))，將高頻幹擾濾除掉，以防整周期計數值出現偏差。其中，要處理整周期波形的滯後現象包括想對輸入的正餘弦波進行整周期計數，先要對正餘弦波進行 方波整形，是通過比較器實現的，(就是正餘弦信號的電壓高於某個值時，如2.5V，就整成 高電平，低於2.5V時就整成低電平)也是很通用的方法。(這是對整周期波形的處理)。否 則無法進行計數。整形完成後進行計數操作，在這期間需要將滯後的部分補償回來。正餘 弦波進行整形包括在純硬體基礎上將波形變為易處理的形式，但在這一過程中，新的波形 將相對輸入的波形產生滯後。為解決這種滯後進行周期計算時需要將整周期的滯後值進行 補償，通過AD輸出值的採樣和計算模塊中得到的一個同步信號，將滯後值進行補償計算， 從而使整周期計數值不會因為滯後產生誤差。 其中正餘弦數據採樣和計算模塊處理後的數據交與查表模塊，由查表模塊根據內 儲存的兩路正餘弦波電壓值數字量的除法值所對應細分值的數據表進行比較，以此獲取細 分值。由於輸入的A，B兩相正餘弦信號經過A/D轉換後得到它們的數字量。計算過程是將 這兩個數字量進行除法操作，這個除法所的到的值和採樣A， B相信號的值共同確定了這個 除法值在一個正餘弦周期內的唯一性，所以進行具體如下操作以實現兩路正餘弦波電壓值 數字量的除法值所對應細分值的數據表的形成 以32倍細分為例進行說明，取相位差為90°兩路正餘弦波e和f (A相與B相或C 相與D相信號相位相差為90° ) ， e的相位超前於f 90° (A相是超前於B相90°的，C相 是超前於D相90。的)，它們的振幅為M，當使用12位A/D轉換器時，A，B相正餘弦信號的 振幅為4096，因此取M為4096，同理當使用14位A/D轉換器時，M的值取16384，這樣就可 以保證所取的e，f正餘弦波與A，B相正餘弦信號(或C，D相正餘弦信號)在幅度和相位上 完全一致。也就可以保證e， f正餘弦波與A， B相正餘弦信號(或C， D相正餘弦信號)在 同一個位置上所算得的除法值是相同的。將e，f的一個周期均等的分成32份，取e，f正餘 弦波32份中每一份的起點和終點的幅度值進行除法(用e除以f ，這個與A除以B對應)， 因為第一段的終點是第二段的起點，所以得到了 32個除法的結果，將除法之後的數值形成 一個表，存儲在查表模塊中。 查找的過程是一個比較的過程，每一次採樣和計算模塊得到一個A， B相正餘弦信 號經過A/D轉換後的數字量的除法結果後，將這一個結果同表中的32個已存儲的數據進行 比較大小的操作，經比較後會發現這一次A， B相正餘弦信號經過A/D轉換後的數字量的除 法結果會在32段中某一段的起點除法值和終點除法值之間，假設在第5段起點除法值和終 點除法值之間，那麼得到的細分值就是5，後交與求和模塊進行具體值的求得。
求和模塊進行的操作是，先將整周期計數模塊所得到的對A， B相正餘弦信號的整 周期的計數值乘以當前的細分倍數，然後用這一乘法後的結果與查表模塊查出的當前A， B 相正餘弦信號的細分值進行加法操作；將整周期計算值和細分值進行求和後經過輸出模式 選擇模塊的選擇，以脈衝的形式輸出或以絕對值的形式輸出。 具體操作如下輸出模式選擇模塊根據參數選擇輸入模塊輸入的指令進行輸出模 式的切換工作，當選擇脈衝輸出模式時，本模塊將求和模塊最終得到的加法的結果傳遞給 脈衝輸出模塊；同樣當選擇絕對值輸出模式時，本模塊將求和模塊最終得到的加法的結果 傳遞給絕對值輸出模塊。 脈衝模式輸出模塊，用於對輸出模式選擇模塊輸入的根據加法結果確定的脈衝數 以脈衝的形式輸出；實現過程如下例如假設差補周期為800ns，在這個周期的起始點將
6輸出模式選擇模塊傳遞過來的求和和模塊最終得到的加法的結果記錄一次，然後在這個周 期的結束點再記錄一次輸出模式選擇模塊傳遞過來的求和和模塊最終得到的加法的結果， 用後一次記錄的數據減去前一次的得到的記錄數據所得到的數值就是要輸出的脈衝個數， 然後用800ns除以要輸出的脈衝個數就能得到要輸出的一個脈衝的時鐘周期，最後將這些 脈衝在800ns中連續的輸出。 輸出模式選擇模塊傳遞過來的求和模塊最終得到的加法的結果就是要輸出的絕 對位置數據。將這一數據通過串行數據傳輸的方式輸出，即將絕對值輸出模塊接收到的輸 出模式選擇模塊傳遞過來的求和模塊最終得到的加法的結果轉化成二進位數據，然後從數 據的低位到高位依次的輸出。 為方便裝置的使用，可通過再設置參數選擇輸入模塊，提供用戶選擇的參數信息 讀入到系統中，然後根據這一信息，來控制細分專用晶片的某些模塊根據用戶的選擇進行 相應的工作方式的切換。 1、參數選擇輸入模塊將A， B相正餘弦信號是否需要互換位置的信息傳遞給採樣 和計算模塊，這樣採樣和計算模塊就可以根據這一信息進行A， B相正餘弦信號是否互換位 置的操作，這麼做的好處是當連接信號線的人員將輸入到細分器的編碼器信號線中的A相 信號接到B相上，B相信號接到A相上時，可以不必從新接線，通過細分器專用晶片用戶參 數輸入方式快速的將A， B相正餘弦信號互換位置。 2、參數選擇輸入模塊將用戶所需要的細分倍數的信息傳遞給查表模塊，查表模塊 就可以根據這一信息生成用戶要求選擇的細分倍數的的表格。 3、參數選擇輸入模塊將用戶所需要的細分倍數的信息傳遞給求和模塊，求和模塊 中整周期的計數值乘以的細分倍數就可以根據這一信得到。 4、參數選擇輸入模塊將用戶所需要的輸出模式信息傳遞給輸出模式選擇模塊，輸 出模式選擇模塊就可以根據這一信息進行輸出模式的切換工作。 例如，參數選擇輸入模塊採用八位播碼開關，對細分倍數進行調整，調整八位播碼 開關其中的四位的值來確定細分的倍數，包括32、64、128、256、512、1024、2048、4096、8192、 16384倍，用戶也可以提出設計要求，進行所需的其他細分倍數的定製。所述A相和B相信 號可調換包括當輸入A相和B相信號需要調換時，可通過八位播碼開關其中的一位的值來 進行設置。方波輸出和絕對值輸出選擇包括當從一種輸出方式切換到另一種輸出方式時， 可以通過八位播碼開關其中的一位的值來進行設置。在方波輸出條件下接受端採樣脈衝寬 度的選擇包括在脈衝輸出設置下，可通過八位播碼開關其中的二位的值來進行設置，可以 設置的採樣時鐘的最大時鐘周期分別為100ns，200ns，400ns，800ns四種，用戶可根據自己 的採樣時鐘進行對應的設置。通過調整開關中的其中兩位，當為00時對應100ns，當接收脈 衝輸出方式的設備的時鐘周期大於100ns時將不能正確的採樣到數據。
上述各組成模塊都集成在現場可編程門陣列FPGA中或將各模塊按FPGA的形式進 行設計將其集成在單晶片中。 另外，該細分裝置還支持對編碼器的C， D相正餘弦信號的細分工作，工作過程與 A， B相正餘弦信號的細分工作相同，由於C， D相正餘弦信號在編碼器旋轉一周時只輸出一 個正餘弦信號，這樣將C， D相信號細分後，就可以根據C， D相正餘弦信號的細分值快速的 算出電機的電氣角。安裝了無C，D相信號的編碼器的電機要在開始旋轉後第一次捕捉到Z脈衝信號時才能計算電器角，因此代C， D相信號的細分功能的細分專用晶片能更快的找到 電機旋轉的電器角，使用戶更快速開始電機的旋轉控制。 以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其 發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種高速正餘弦細分裝置，其特徵在於包括差補周期產生模塊，，用於產生啟動脈衝信號和整個裝置運行的周期時序；正餘弦數據採樣和計算模塊，用於接收編碼器輸出的兩路正餘弦信號，並對這兩路正餘弦信號的電壓值進行A/D轉換，已獲得這個兩路正餘弦信號的電壓值所對應的數字量，後對採樣獲得的兩路正餘弦信號的電壓值的數字量進行除法的操作；整周期計算模塊，用於對編碼器輸入的正餘弦信號進行整周期的計數；查表模塊，用於將正餘弦數據採樣和計算模塊處理後的數據，同查表模塊內儲存的兩路正餘弦波電壓值數字量的除法值所對應細分值的數據表進行比較，以此獲取細分值；求和模塊，用於將整周期計數模塊所得到的編碼器輸入整周期正餘弦信號個數乘以當前的細分倍數，然後用這一乘法後的結果與查表模塊查出的當前正餘弦信號的細分值進行加法操作；輸出模式選擇模塊，用於根據輸入的指令進行輸出模式的切換工作，當選擇脈衝輸出模式時，本模塊將求和模塊最終得到的加法的結果傳遞給脈衝輸出模塊；同樣當選擇絕對值輸出模式時，本模塊將求和模塊最終得到的加法的結果傳遞給絕對值輸出模塊；脈衝模式輸出模塊，用於對輸出模式選擇模塊輸入的根據加法結果確定的脈衝數以脈衝的形式輸出；絕對值輸出模塊，用於對輸出模式選擇模塊輸入的根據加法結果確定的脈衝數以數據的形式直接輸出；所述正餘弦數據採樣和計算模塊及周期計算模塊同編碼器相連接進行同步採樣，所述正餘弦數據採樣和計算模塊同整周期計算模塊相連接向其發送同步信號；所述差補周期產生模塊同正餘弦數據採樣和計算模塊相連接向其發送啟動脈衝信號，所述正餘弦數據採樣和計算模塊同查表模塊相連接；所述整周期計算模塊將計錄編碼器輸入的整周期正餘弦信號的個數發送到與其連接的求和模塊中；所述求和模塊將與其連接的查表模塊發送過來的當前正餘弦信號的細分值數值同整周期計算模塊發送過來的輸入整周期正餘弦信號個數乘以當前的細分倍數值進行求和後，發送到與其連接的輸出模式選擇模塊上，經輸出模式選擇模塊的選擇後，由脈衝模式輸出模塊以方波的形式輸出或由絕對值輸出模塊以數據形式直接輸出。
2. 根據權利要求1所述的高速正餘弦細分裝置，其特徵在於還包括參數選擇輸入模塊 分別同正餘弦數據採樣和計算模塊、查表模塊、求和模塊以及輸出模式選擇模塊相連接；用 於將A， B相正餘弦信號是否需要互換位置的信息傳遞給採樣和計算模塊；將用戶所需要的 細分倍數的信息傳遞給查表模塊以及求和模塊中；將用戶所需要的輸出模式信息傳遞給輸 出模式選擇模塊。
3. 根據權利要求1或2所述的高速正餘弦細分裝置，其特徵在於上述各組成模塊都集 成在現場可編程門陣列FPGA中。
全文摘要
本發明公開了一種高速正餘弦細分裝置，其特徵在於通過正餘弦數據採樣和計算模塊，整周期計算模塊，查表模塊，求和模塊，輸出模式選擇模塊，脈衝模式輸出模塊，絕對值輸出模塊將正餘弦信號進行多倍插值細分，已達到低精度正餘弦輸出的編碼器高精度輸出的目的。該裝置具有細分精度高，通過單晶片系統更是使其響應時間快，可達到同國外同精度產品的響應速度。另外，由於其結構簡單、便於生產，而且成本低廉適於在所有使用正餘弦信號輸出的位置測量、角度測量、運動控制領域，如數控工具機、高精度的測量儀器等領域廣泛推廣。
文檔編號H03M1/64GK101729071SQ20091018834
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者于德海, 張贊秋, 隋繼平 申請人:大連光洋科技工程有限公司