一種正餘弦編碼器細分裝置的製作方法
2023-06-20 16:25:01
專利名稱：一種正餘弦編碼器細分裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及數控工具機電機轉子位置檢測領域，尤其涉及一種針對正餘弦編碼器輸出的正餘弦信號進行處理的正餘弦編碼器細分裝置。
背景技術：
隨著功率電子技術與計算機控制技術的發展，在當前的數控工具機中一般採用永磁同步電機組成的伺服系統來控制電機的位置轉速等參數，而進行電機控制的關鍵問題之一就是轉子的位置監測，轉子當前位置直接決定著系統的控制方式、變頻器的開關方式及輸出頻率。因此要實現高速高精加工，伺服驅動裝置必須具備高解析度的轉子位置檢測系統。 目前常用的角度位置裝置有採用高解析度的光電編碼器，為了提高輸出的解析度，必須特高物理刻線的密度， 而此項措施主要受到編碼器體積、製造工藝的影響。使用旋轉編碼器配備角度解碼器(RDC)，旋轉變壓器正餘弦的信號送入專用晶片， 輸出一定位數的角度數位訊號，此時，旋轉變壓器需配置專用勵磁電源晶片，而且由於RDC 晶片本身的限制此種方法只能適用於轉速比較低的場合。因此有必要提供一種可以計算出電機轉子高精度的角度值的正餘弦編碼器細分裝置，而不需要無限制的提高物理刻線密度。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種具有偏差補償、高速高精度優點的正餘弦編碼器細分裝置，從而為位置伺服控制系統提供更加精確的位置信號來滿足精確控制的要求。為實現上述目的，本實用新型提供一種正餘弦編碼器細分裝置，其特徵在於差分信號接收放大模塊、正餘弦模數轉換模塊、整形比較方波產生模塊、電平轉換模塊、區間細分計數模塊、轉向判斷模塊、偏差分離計算模塊、及角度計算模塊，其中正餘弦模數轉換模塊、整形比較方波產生模塊分別與差分信號接收放大模塊連接；電平轉換模塊與整形比較方波產生模塊連接；區間細分計數模塊、轉向判斷模塊分別與電平轉換模塊連接；偏差分離計算模塊與正餘弦模數轉換模塊連接；角度計算模塊與區間細分計數模塊、轉向判斷模塊、正餘弦模數轉換模塊、偏差分離計算模塊連接。進一步的，所述區間細分計數模塊、轉向判斷模塊均採用現場可編程門陣列FPGA
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心ZT ο進一步的，所述角度計算模塊與偏差分離計算模塊共用一個數位訊號處理器DSP
-H-· I I心片。本實用新型所述的正餘弦編碼器細分裝置具有以下優點該正餘弦編碼器細分裝置通過設置正餘弦模數轉換模塊、採用現場可編程門陣列FPGA晶片的區間細分計數模塊和轉向判斷模塊，以及採用DSP晶片的角度計算模塊，使得該裝置的細分速度高，最快可達 IOOkHz的細分頻率(每次細分時間)，並且具有較高的細分倍數。尤其在採用12位AD數模轉換器的前提下可以達到8388608倍的細分倍數。偏差分離計算模塊進行偏差實時補償， 使得正餘弦編碼器輸出信號的各種偏差在數據處理中被濾除，將進一步提高細分裝置的精度。整個裝置通過數位訊號處理器DSP、現場可編程門陣列FPGA、高速模數轉換器ADC的互相配合，實現了高速高精度的數據採集，高速的數據處理，高速高精度的數據輸出。裝置在一塊電路板上實現所用功能，便於批量生產和安裝，可廣泛用於數控工具機等對角度位置測量要求較高的領域。
圖1為符合本實用新型的正餘弦編碼器細分裝置的結構框圖；圖2為圖1所示的正餘弦編碼器細分裝置的工作流程示意圖。
以下結合附圖對本實用新型專利做進一步的詳細說明。
具體實施方式
下面將結合附圖1、2對本實用新型作進一步說明。但本實用新型的內容不僅僅局限如此。請參閱圖1，符合本實用新型的正餘弦編碼器細分裝置，其包括差分信號接收放大模塊1、正餘弦模數轉換模塊2、整形比較方波產生模塊3、電平轉換模塊4、區間細分計數模塊5、轉向判斷模塊6、偏差分離計算模塊7及角度計算模塊8。其中正餘弦模數轉換模塊 2、整形比較方波產生模塊3分別與差分信號接收放大模塊1連接；電平轉換模塊4與整形比較方波產生模塊3連接；區間細分計數模塊5、轉向判斷模塊6分別與電平轉換模塊4連接；偏差分離計算模塊7與正餘弦模數轉換模塊2連接；角度計算模塊8與區間細分計數模塊5、轉向判斷模塊6、正餘弦模數轉換模塊2、偏差分離計算模塊7連接。所述差分信號接收放大模塊1用於接收正餘弦編碼器100送出的兩路模擬正餘弦差分信號、輸出共模電壓為OV的正餘弦模擬差分信號。所述正餘弦模數轉換模塊2用於接收差分信號接收放大模塊1處理後的兩路正餘弦模擬差分信號、並對此兩路正餘弦模擬差分信號的電壓值進行A/D轉換，以獲得兩路正餘弦模擬差分信號電壓值對應的數字量。所述整形比較方波產生模塊3用於將差分信號接收放大模塊1處理後的兩路正餘弦模擬差分信號進行電壓比較，並生成方波信號。所述電平轉換模塊4用於將整形比較方波產生模塊3輸出的以+5V為峰值的方波轉化為+3. 3V為峰值的方波電壓信號，從而可以使其送入FPGA等以+3. 3V為I/O 口電平的邏輯判斷模塊。所述區間細分計數模塊5用於對正餘弦信號進行4倍頻細分，將每個正餘弦周波信號周期細分為4個區間。所述轉向判斷模塊6用於判斷轉子的轉向，通過判斷正弦信號、餘弦信號的相位的前後不同來判斷轉子的轉向，同時根據轉子的轉向進行區間計數的增或者減操作。所述偏差分離計算模塊7用於對非理想化正餘弦信號的偏差分離和實時補償，考慮到輸入的正餘弦信號可能存在直流偏置、幅值偏差和相位偏差等三種偏差，採用相應偏差分離算法，分離得到上述三種偏差的值。[0023]所述角度計算模塊8用於計算轉子的角度值，通過正餘弦模數轉換模塊2處理後的電壓數字量送入角度計算模塊進行除法計算得出正切、餘切值；通過區間細分計數模塊 5送入數位訊號處理器的區間計數值進行區間計數；通過偏差分離計算模塊7獲得三種偏差，並進行補償；最終在數位訊號處理器中計算出準確的角度位置。所述區間細分計數模塊5、轉向判斷模塊6均採用現場可編程門陣列FPGA晶片 (未圖示)。所述角度計算模塊8與偏差分離計算模塊7共用一個數位訊號處理器DSP晶片 (未圖示)。請參閱圖2，本實用新型所述的正餘弦編碼器細分裝置的具體工作過程如下首先，差分信號接收放大模塊1接收來自正餘弦編碼器100送入的A、B相的兩組差分電壓信號，經過差分信號接收放大模塊1的差分接收放大處理後輸出共模電壓為OV的兩組正餘弦模擬差分信號。然後，處理後的正餘弦模擬差分信號同時送入正餘弦模數轉換模塊2和整形比較方波產生模塊3。在正餘弦模數轉換模塊2中，對兩組正餘弦模擬差分信號進行模數轉換處理。12 位的AD轉換，就能得到這兩組正餘弦模擬差分信號所對應的12為數字量，可以達到的最大細分倍數為2的12次方，即4096倍，由此可見細分的倍數受到正餘弦模數轉換模塊的高速模數轉換器ADC最大採樣位數的影響，正弦、餘弦信號轉化後的電壓值經過區間細分計數模塊及轉向判斷模塊的現場可編程門陣列FPGA晶片送入數位訊號處理器DSP中進行處理。整形比較方波產生模塊3在接收到差分信號接收放大模塊1處理後的信號後，使用整形比較方波產生模塊3中的電壓比較器產生方波信號並進行整形處理，產生相對應的方波信號送入電平轉換模塊4。電平轉換模塊4將整形比較方波產生模塊3的方波信號轉換為以+3. 3V為高電平，OV為低電平的方波信號，並送入區間細分計數模塊5中。區間細分計數模塊5接收到送入的方波信號後，根據特定的區間細分判斷依據進行區間加減計數，並在DSP讀取計數值時將當前區間計數值送入角度計算模塊的數位訊號處理器DSP中。轉向判斷模塊6在接收到送入的方波信號後根據A、B兩相方波的超前滯後關係判斷出轉子究竟是正轉還是反轉，並給出正反轉的邏輯電平信號。角度計算模塊8在讀取AD轉換器送入的A、B兩相電壓數字量並將兩者做除法得出正切值，同時讀取對應的區間計數的值，利用反正切細分算法最終計算出對應的角度值。偏差分離計算模塊7根據所讀取到A、B兩相電壓數字量計算出直流偏置、幅值偏差和相位偏移三種偏差，然後在角度計算模塊8中進行角度補償計算，計算出角度值，得到更加精確的角度值。本細分裝置的細分倍數主要受到所採用的正餘弦編碼器每旋轉一周所輸出的正餘弦周波個數(與刻線數有關)和模數轉換模塊的轉換位數的影響。假設所用正餘弦編碼器為256刻線(28細分)，正餘弦模數轉換模塊2採用12位AD採樣晶片Q12細分)，由於在區間細分環節採用了 4倍頻及反正切細分技術(23細分)，因此最終的角度細分為8+12+3 =23位的細分精度，細分的解析度可以達到360° /223 = 0. 0000429°，由此可見通過細分算法的高速高精度細分裝置可以在使用刻線不多的編碼器下實現很高精度的角度測量。[0036]本實用新型所述的正餘弦編碼器細分裝置具有以下優點該正餘弦編碼器細分裝置通過設置正餘弦模數轉換模塊2、採用現場可編程門陣列FPGA晶片的區間細分計數模塊 5和轉向判斷模塊6，以及採用DSP晶片的角度計算模塊8，使得該裝置的細分速度高，最快可達IOOkHz的細分頻率(每次細分時間)，並且具有較高的細分倍數。尤其在採用12位 AD數模轉換器的前提下可以達到8388608倍的細分倍數。正餘弦模數轉換模塊7進行偏差實時補償，使得正餘弦編碼器100輸出信號的各種偏差在數據處理中被濾除，將進一步提高細分裝置的精度。整個裝置通過數位訊號處理器DSP、現場可編程門陣列FPGA、高速模數轉換器ADC的互相配合，實現了高速高精度的數據採集，高速的數據處理，高速高精度的數據輸出。裝置在一塊電路板上實現所用功能，便於批量生產和安裝，可廣泛用於數控工具機等對角度位置測量要求較高的領域。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1.一種正餘弦編碼器細分裝置，其特徵在於所述的裝置包括差分信號接收放大模塊(1)、正餘弦模數轉換模塊( 、整形比較方波產生模塊C3)、電平轉換模塊、區間細分計數模塊(5)、轉向判斷模塊(6)、偏差分離計算模塊(7)、及角度計算模塊(8)，其中正餘弦模數轉換模塊O)、整形比較方波產生模塊C3)分別與差分信號接收放大模塊(1)連接；電平轉換模塊(4)與整形比較方波產生模塊C3)連接；區間細分計數模塊(5)、轉向判斷模塊 (6)分別與電平轉換模塊⑷連接；偏差分離計算模塊(7)與正餘弦模數轉換模塊(2)連接；角度計算模塊(8)與區間細分計數模塊(5)、轉向判斷模塊(6)、正餘弦模數轉換模塊 O)、偏差分離計算模塊(7)連接。
2.如權利要求1所述的正餘弦編碼器細分裝置，其特徵在於所述區間細分計數模塊 (5)、轉向判斷模塊(6)均採用現場可編程門陣列FPGA晶片。
3.如權利要求1所述的正餘弦編碼器細分裝置，其特徵在於所述角度計算模塊(8) 與偏差分離計算模塊(7)共用一個數位訊號處理器DSP晶片。
4.如權利要求1所述的正餘弦編碼器細分裝置，其特徵在於所述正餘弦模數轉換模塊(2)採用高速模數轉換器ADC。
專利摘要本實用新型涉及一種正餘弦編碼器細分裝置，其中正餘弦模數轉換模塊、整形比較方波產生模塊分別與差分信號接收放大模塊連接；電平轉換模塊與整形比較方波產生模塊連接；區間細分計數模塊、轉向判斷模塊分別與電平轉換模塊連接；偏差分離計算模塊與正餘弦模數轉換模塊連接；角度計算模塊與區間細分計數模塊、轉向判斷模塊、正餘弦模數轉換模塊、偏差分離計算模塊連接。
文檔編號G01D5/26GK202041221SQ201120051859
公開日2011年11月16日 申請日期2011年3月2日 優先權日2011年3月2日
發明者劉新正, 李予全, 梁得亮, 鄺俊生, 邱德鋒 申請人:西安交通大學, 西安瑞特快速製造工程研究有限公司