一種正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)，其包括兩個增益電路、兩個AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、四倍頻子系統(tǒng)、乘法器一、CORDIC算法子系統(tǒng)、精碼計算子系統(tǒng)、速度計算子系統(tǒng)、乘法器二、兩個CRC校驗子系統(tǒng)。兩個增益電路分別接收相位相差90度的Asinα與Bcosα，輸出分別連接兩個AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和四倍頻子系統(tǒng)。乘法器一、CORDIC算法子系統(tǒng)分別連接精碼計算子系統(tǒng)。四倍頻子系統(tǒng)的輸出信號與精碼計算子系統(tǒng)的輸出信號進行疊加后經(jīng)由乘法器二連接CRC校驗子系統(tǒng)一、速度計算子系統(tǒng)。速度計算子系統(tǒng)連接CRC校驗子系統(tǒng)二，兩個CRC校驗子系統(tǒng)的輸出端分別作為整個系統(tǒng)的兩個輸出端。
【專利說明】
-種正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種信號處理系統(tǒng)，尤其設(shè)及一種正余弦編碼器高精度信號處理系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 增量式正余弦編碼器是一種測量角位移和角速度的精密傳感器。正余弦編碼器W 其分辨率高、精度高、無接觸測量、使用可靠等優(yōu)點，被廣泛用于精密測量和實時控制等科 技領(lǐng)域。
[0003] 隨著數(shù)控系統(tǒng)W及現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的精度要求越來越高，需要更高分辨率和精 度的編碼器。但是僅僅依靠硬件性能的提升還無法滿足市場對電機的位置和速度等信號的 高精度要求，因此，還需要進一步對編碼器輸出正余弦信號進行電子學(xué)細(xì)分，W提升編碼器 信號的精度。常用的電子學(xué)細(xì)分方法有反正切直接求取法、CORDIC算法、查表法、麥克勞林 級數(shù)法、閉環(huán)跟蹤法、信號注入法等。輸出信號為TTL方波的編碼器，信號只能進行4倍頻，無 法滿足對原始信號進行更多細(xì)分差值的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)，其解決了對原始 信號進行任意倍數(shù)的細(xì)分的技術(shù)難題，理論上可W任意細(xì)分，從而可W通過計算獲得比原 始信號分辨率更高的轉(zhuǎn)子實時角度值(rad)和轉(zhuǎn)子實時速度值(rad/s)。
[0005] 本發(fā)明通過W下技術(shù)方案實現(xiàn):一種正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng);其用于 處理增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的兩路相位相差90度的Asina與Bcosa;所述正余弦編碼器高精 度信號處理系統(tǒng)包括差分放大器一、差分放大器二、AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)一、AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)二、四 倍頻子系統(tǒng)、乘法器一、CORDIC算法子系統(tǒng)、精碼計算子系統(tǒng)、速度計算子系統(tǒng)、乘法器二、 CRC校驗子系統(tǒng)一、CRC校驗子系統(tǒng)二;其中，所述差分放大器一的輸入端接收Asina,所述差 分放大器一的輸出端同時連接所述AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)一的輸入端和所述四倍頻子系統(tǒng)的輸入 端一;所述差分放大器二的輸入端接收Bcosa,所述差分放大器二的輸出端同時連接所述AD 轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)二的輸入端和所述四倍頻子系統(tǒng)的輸入端二;兩個AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的兩路輸出信 號連接所述CORDIC算法子系統(tǒng)的兩個輸入端，兩個AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的另兩路輸出信號連接所 述乘法器一的兩個輸入端，所述乘法器一的輸出端、所述CORDIC算法子系統(tǒng)的輸出端分別 連接所述精碼計算子系統(tǒng)的兩個輸入端;所述四倍頻子系統(tǒng)的輸出信號與所述精碼計算子 系統(tǒng)的輸出信號進行疊加后送至所述乘法器二的輸入端一，所述乘法器二的輸出端同時連 接所述CRC校驗子系統(tǒng)一的輸入端、所述速度計算子系統(tǒng)的輸入端;所述CRC校驗子系統(tǒng)一 的輸出端作為整個正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的輸出端一，所述速度計算子系統(tǒng)的 輸出端連接所述CRC校驗子系統(tǒng)二的輸入端，所述CRC校驗子系統(tǒng)二的輸出端作為整個正余 弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的輸出端二。
[0006] 作為上述方案的進一步改進，所述限幅器的一端作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的輸入端，所 述限幅器的另一端依次串接求絕對值一、差分放大器=、量化器一，所述量化器一的輸出端 作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的輸出端一，所述限幅器的另一端還連接所述開關(guān)一的一個輸入觸點； 所述開關(guān)一的剩下兩個輸入觸點分別接收兩個分別為1和-1的常數(shù)，所述開關(guān)一的輸出端 作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的輸出端二。
[0007] 作為上述方案的進一步改進，所述CORDIC算法子系統(tǒng)包括求絕對值二、求絕對值 =、CORDIC=角函數(shù)算法;求絕對值二、求絕對值=的一端分別作為所述CORDIC算法子系統(tǒng) 的兩個輸入端，求絕對值二、求絕對值S的另一端分別連接CORDICS角函數(shù)算法的兩個輸 入端，CORDICS角函數(shù)算法的輸出端作為所述CORDIC算法子系統(tǒng)的輸出端。
[0008] 作為上述方案的進一步改進，所述精碼計算子系統(tǒng)包括開關(guān)二、乘法器所述開 關(guān)二的兩個輸入觸點分別作為所述精碼計算子系統(tǒng)的兩個輸入端，且其中一個輸入觸點的 輸入信號負(fù)反饋一個常數(shù)信號后再接入所述開關(guān)二的剩下一個輸入觸點;所述開關(guān)二的輸 出觸點連接乘法器=的輸入端，乘法器=的輸出端作為所述精碼計算子系統(tǒng)的輸出端。
[0009] 作為上述方案的進一步改進，所述四倍頻子系統(tǒng)包括比較放大器一、比較放大器 二、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換器、D觸發(fā)器、計數(shù)器一、計數(shù)器二、加法器;比較放大器一的輸入端作為所 述四倍頻子系統(tǒng)的輸入端一，比較放大器一的輸出端一方面連接計數(shù)器一的控制端，另一 方面經(jīng)由數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換器連接D觸發(fā)器的輸出端一；比較放大器二的輸入端作為所述四倍 頻子系統(tǒng)的輸入端二，比較放大器二的輸出端一方面連接計數(shù)器二的控制端，另一方面連 接D觸發(fā)器的輸出端二;D觸發(fā)器的同相輸出端連接兩個計數(shù)器的增數(shù)計數(shù)位，D觸發(fā)器的反 相輸出端連接兩個計數(shù)器的減數(shù)計數(shù)位;兩個計數(shù)器的輸出端經(jīng)加法器運算后作為所述四 倍頻子系統(tǒng)的輸出端。
[0010] 作為上述方案的進一步改進，速度計算子系統(tǒng)包括:0~n個采樣保持、減法器、除 法器;延遲一次是一個系統(tǒng)時鐘的時間長度AT,延遲的次數(shù)是任意的，V_cal_in是速度計 算子系統(tǒng)的輸入，且V_cal_in = P;ro2_out，P;ro2_out是乘法器二的輸出，減法器把m時刻的 P;ro2_out采樣保持多個系統(tǒng)時鐘獲得V_cal_in，記錄為Am,同時采集當(dāng)前時刻的P;ro2_out， 記錄為Am+n，其中的n是采樣保持的系統(tǒng)時鐘的個數(shù)，計算結(jié)果輸出給除法器，計算結(jié)果 (Am+n-Am)/(nX A T)作為速度計算子系統(tǒng)輸出V_cal_out。
[0011] 作為上述方案的進一步改進，每個CRC校驗子系統(tǒng)包括乘法器四、量化器二、整形 數(shù)轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)換器、CRC校驗發(fā)生器;乘法器四的一個輸入端作為CRC校驗子系統(tǒng)的輸入端，乘法 器四的另一個輸入端接收常數(shù)，乘法器四的輸出端依次串接量化器二、整形數(shù)轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)換器、 CRC校驗發(fā)生器，CRC校驗發(fā)生器的輸出端作為CRC校驗子系統(tǒng)的輸出端。
[0012] 作為上述方案的進一步改進，CORDIC算法子系統(tǒng)在反S角函數(shù)求值時，采用坐標(biāo) 旋轉(zhuǎn)公式，通過迭代的方法，不斷旋轉(zhuǎn)編碼器的特定角度，每次旋轉(zhuǎn)的角度e = ATAN(l/2i)， 使得累計旋轉(zhuǎn)的角度之和無限接近某一設(shè)定的角度，21表示CORDIC算法迭代i次之后的角 度累加值，i代表迭代次數(shù)。
[0013] 作為上述方案的進一步改進，所述精碼計算子系統(tǒng)的精插補方法包括:先獲取AD 轉(zhuǎn)換后的Asina與Bcosa的量化值，并判斷其符號；計算ATAN( |Asina/Bcosa I );判斷Asina* Bcosa是否大于等于0;是則a=ATAN( |Asina/Bcosa I )，否則，a = 90°-ATAN( |Asina/Bcosa )。
[0014] 本發(fā)明為了實現(xiàn)更高倍數(shù)的編碼器細(xì)分倍頻，在四倍頻計數(shù)的基礎(chǔ)之上，對正余 弦編碼器信號進行AD采樣求實時精插補位置值。本發(fā)明提出了采用小范圍法計算不足一個 周期的電角度值，將每次測量角度范圍縮小至O~90° ,MatlaVSimulink仿真結(jié)果顯示，此 方法具有較好的可行性。實驗對IOOk化的2048線編碼器輸出電信號進行了每個電角度周期 40倍細(xì)分，分辨率達(dá)到了 15.82"。在測速方面，采用了改進的M/T測速法(M/T測速法是一種 公知的算法），計算90個采樣周期的電角度變化值，W求得電機速度值，實驗顯示，速度誤差 值在 ± 0.000115rad/s之內(nèi)。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2為圖1中正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖3為圖1中正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的CORDIC算法子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0018] 圖4為圖1中正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的精碼計算子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖5為圖1中正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的四倍頻子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖6為圖1中正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的速度計算子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖7為圖1中正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的CRC校驗子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖8為編碼器正向旋轉(zhuǎn)輸出信號波形圖。
[0023] 圖9為旋轉(zhuǎn)編碼器信號處理系統(tǒng)原理框圖。
[0024] 圖10為信號調(diào)理及接口電路。
[0025] 圖11為編碼器接口單元粗位置計數(shù)示意圖。
[0026] 圖12為編碼器的狀態(tài)變化信息圖。
[0027] 圖13為CO畑IC坐標(biāo)平面旋轉(zhuǎn)示意圖。
[00%]圖14為精插補計算程序流程圖。
[0029] 圖15為差分信號經(jīng)信號調(diào)理電路后的輸出波形圖。
[0030] 圖16為IAI、IB I信號量化值與精插補值a的示意圖。
[0031] 圖17為不同采樣周期數(shù)時仿真測得速度誤差曲線圖。
【具體實施方式】
[0032] W下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實 施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0033] 本發(fā)明的正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)用于處理增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的 兩路相位相差90度的Asina與Bcosa。請參閱圖1，所述正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)包 括差分放大器一(Gainl)、差分放大器二(Gain2)、AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)一、AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)二、四倍 頻子系統(tǒng)、乘法器一 (product 1KC0RDIC算法子系統(tǒng)、精碼計算子系統(tǒng)、速度計算子系統(tǒng)、 乘法器二(product 2)、CRC校驗子系統(tǒng)一、CRC校驗子系統(tǒng)二。
[0034]所述差分放大器一 (Gainl)的輸入端接收Asina,所述差分放大器一 (Gainl)的輸 出端同時連接所述AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)一的輸入端和所述四倍頻子系統(tǒng)的輸入端一。所述差分放 大器二(Gain2)的輸入端接收Bcosa,所述差分放大器二(Gain2)的輸出端同時連接所述AD 轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)二的輸入端和所述四倍頻子系統(tǒng)的輸入端二。兩個AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的兩路輸出信 號連接所述CORDIC算法子系統(tǒng)的兩個輸入端，兩個AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的另兩路輸出信號連接所 述乘法器一的兩個輸入端，所述乘法器一的輸出端、CORDIC算法子系統(tǒng)的輸出端分別連接 所述精碼計算子系統(tǒng)的兩個輸入端。所述四倍頻子系統(tǒng)的輸出信號與所述精碼計算子系統(tǒng) 的輸出信號進行疊加后送至所述乘法器二的輸入端一，所述乘法器二的輸入端二接收Pi/ 4096信號，Pi是圓周率，該數(shù)值由機械旋轉(zhuǎn)角度A計算公式而得，所述乘法器二的輸出端同 時連接所述CRC校驗子系統(tǒng)一的輸入端、所述速度計算子系統(tǒng)的輸入端。所述CRC校驗子系 統(tǒng)一的輸出端作為整個正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的輸出端一，所述速度計算子系 統(tǒng)的輸出端連接所述CRC校驗子系統(tǒng)二的輸入端，所述CRC校驗子系統(tǒng)二的輸出端作為整個 正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的輸出端二。
[0035] 故，所述差分放大器一的輸入是Asina,所述差分放大器一的輸出端同時連接所述 AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)一的輸入端和所述四倍頻子系統(tǒng)的輸入端一。所述差分放大器二的輸入是 Bcosa,所述差分放大器二的輸出端同時連接所述AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)二的輸入端和所述四倍頻 子系統(tǒng)的輸入端二。兩個AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的兩路輸出信號連接所述CORDIC算法子系統(tǒng)的兩個 輸入端，兩個AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的另兩路輸出信號連接乘法器一的兩個輸入端，乘法器一作為 符號判斷單元，所述乘法器一的輸出端、所述CORDIC算法子系統(tǒng)的輸出端分別連接所述精 碼計算子系統(tǒng)的兩個輸入端。
[0036] 請參閱圖2,每個AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)包括限幅器（original signal)、求絕對值一 (Absl )、差分放大器S(Gain3)、量化器一（Quantizerl )、開關(guān)一（Switchl)。所述限幅器的 一端作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的輸入端，所述限幅器的另一端依次串接求絕對值一、差分放大器 S、量化器一，所述量化器一的輸出端作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的輸出端一。限幅器的輸入AD_in 來自差分放大器一和差分放大器二（旨日1111_〇111:、旨日;[]12_〇111:，且401_;[]1 =旨日;[]11_〇111:，402_;[]1 = gain2_out)，并把輸入信號限制在規(guī)定的幅度內(nèi)，一方面，限幅器的輸出依次經(jīng)過求絕對 值、按2i6 = 65535(運里是W16位AD轉(zhuǎn)換器為例）差分放大器S的放大、量化器一的量化，為 數(shù)字值作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的輸出AD_outl;另一方面，限幅器的輸出給開關(guān)一，開關(guān)一判斷 接收到的信號是正還是負(fù)，倘若接收到的信號大于零，則開關(guān)一輸出1，作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng) 的輸出AD_out2 = l，倘若接收到的信號小于零，則開關(guān)一輸出-1，作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的輸出 AD_out2 = -l。
[0037] 限幅器一的另一端還連接開關(guān)一的一個輸入觸點，開關(guān)一的剩下兩個輸入觸點分 別連接兩個分別為1和-1的常數(shù)，所述開關(guān)一的輸出端作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的輸出端二。AD轉(zhuǎn) 換子系統(tǒng)一、二的AD_outl(ADl_outl、AD2_outl)分別作為CO畑IC算法子系統(tǒng)的輸入。AD轉(zhuǎn) 換子系統(tǒng)一、二的AD_out2(ADl_outl、AD2_outl)分別作為乘法器一的輸入，用于符號判別， 判斷電機轉(zhuǎn)子實時位置處于坐標(biāo)平面的哪個象限。乘法器一的輸出為Prol_out。
[0038] 請參閱圖3,所述〇?01(：算法子系統(tǒng)包括求絕對值二(4632)、求絕對值^(4633)、 CORDICS角函數(shù)算法（Trigonometrie Function) 〇Abs2、Abs3的一端分別作為所述CORDIC 算法子系統(tǒng)的兩個輸入端，Abs2、Abs3的另一端分別連接CORDI CS角函數(shù)算法 (Trigonometric Function)的兩個輸入端，CORDI CS 角函數(shù)算法（Trigonome trie 化nction)的輸出端作為所述CO畑IC算法子系統(tǒng)的輸出端。C0R_inl、C0R_in2是CO畑IC算法 子系統(tǒng)的輸入，且C0R_inl=ADl_outl，C0R_in2 = AD2_outl，經(jīng)CORDICS角函數(shù)算法計算 后，作為CO畑IC算法子系統(tǒng)的輸出C0R_out。
[0039] 請參閱圖4,所述精碼計算子系統(tǒng)即精插補計算單元包括開關(guān)二(switch 2)、乘法 器^(products)。所述開關(guān)二的兩個輸入觸點分別作為所述精碼計算子系統(tǒng)的兩個輸入 端，且其中一個輸入觸點的輸入信號負(fù)反饋于pi/2的信號后再接入所述開關(guān)二的剩下一個 輸入觸點。所述開關(guān)二的輸出觸點連接products的輸入端一，products的輸入端二接收2/ pi的常數(shù)，products的輸出端作為所述精碼計算子系統(tǒng)的輸出端。Fine_inl、Fine_in2是精 碼計算子系統(tǒng)的輸入，且Fine_inl = C0R_out，F(xiàn)ine_in2 = ProLout。開關(guān)二判斷輸入的 Fine_in二是正還是負(fù)，倘若Fine_in二大于零，則開關(guān)二的輸出 = (Pi/2-Fine_inl)，倘若 Fine_in二小于零，則開關(guān)二的輸出=Fine_inl。開關(guān)二的輸出要乘W常數(shù)2/Pi作為精碼計 算子系統(tǒng)的輸出Fine_out。
[0040] 請參閱圖5,所述四倍頻子系統(tǒng)包括比較放大器一（Signl)、比較放大器二 (31邑112)、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換器（(3〇醇61'1：)、0觸發(fā)器(0 1日1：地）、計數(shù)器一（(3〇11]11：1)、計數(shù)器二 (counts)、加法器(ADD) DSignl的輸入端作為所述四倍頻子系統(tǒng)的輸入端一，Signl的輸出 端一方面連接計數(shù)器一的控制端，另一方面經(jīng)由數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換器連接D Latch的輸出端一。 sign2的輸入端作為所述四倍頻子系統(tǒng)的輸入端二，sign2的輸出端一方面連接計數(shù)器二的 控制端，另一方面連接D Latch的輸出端二。D Latch的同相輸出端連接兩個計數(shù)器的增數(shù) 計數(shù)位，D Latch的反相輸出端連接兩個計數(shù)器的減數(shù)計數(shù)位;兩個計數(shù)器的輸出端經(jīng)加法 器運算后作為所述四倍頻子系統(tǒng)的輸出端。
[0041 ] Muti4_inl、Muti4_in2 是四倍頻子系統(tǒng)的輸入，且 Muti4_inl = gainl_out，Muti4_ in2 = gain2_out<3Muti4_inl進過數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換后輸送給D觸發(fā)器的D端，Muti4_in2輸送給D 觸發(fā)器的CP端，D觸發(fā)器的輸出Q、Q/分別輸送給計數(shù)器一和計數(shù)器二，計數(shù)器一和計數(shù)器二 是增減計數(shù)器，對輸入脈沖的上升沿和下降沿都做+1計數(shù)，計數(shù)器一和計數(shù)器二的輸出經(jīng) 加法器求和后作為四倍頻子系統(tǒng)的輸出Mut i4_out。
[0042] 請參閱圖6,速度計算子系統(tǒng)包括n個采樣保持（delayo~n)、減法器、除法器 (Divide )。在本實施例中采用10個采樣保持delayo~9。速度計算子系統(tǒng)的輸出端經(jīng)過依次串 接的10個采樣保持delayers再負(fù)反饋至其輸入上，采用減法器運算，然后傳送至Divide的輸 入端一，Divide的輸入端二接收常數(shù)，如0.0 OOOl ,Divide的輸出作為整個速度計算子系統(tǒng) 的輸出端。
[0043] 延遲一次是一個系統(tǒng)時鐘的時間長度AT,延遲的次數(shù)是任意的，本發(fā)明中WlO次 為例，即delayo~9，V_cal_in是速度計算子系統(tǒng)的輸入，且V_cal_in = P;ro2_out (乘法器二的 輸出），減法器把m時刻的Pro2_out采樣保持10個系統(tǒng)時鐘獲得￥_〇曰1_111，記錄為Am,同時采 集當(dāng)前時刻的Pro2_out，記錄為Am+n，其中的n是采樣保持的系統(tǒng)時鐘的個數(shù)，計算結(jié)果輸出 給除法器，計算結(jié)果(Vn-Am)/(nX AT)作為速度計算子系統(tǒng)輸出V_cal_out，本發(fā)明中W (nX AT)=0.OOOOl為例。
[0044] 請參閱圖7,每個CRC校驗子系統(tǒng)包括乘法器四（Product"、量化器二 (如antizer2)、整形數(shù)轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)換器（Integer to Bit ConverterKCRC校驗發(fā)生器(General CRC Generator) JroductA的一個輸入端作為CRC校驗子系統(tǒng)的輸入端，ProductA的另一個 輸入端接收常數(shù)，Product4的輸出端依次串接量化器二、整形數(shù)轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)換器、CRC校驗發(fā)生 器，CRC校驗發(fā)生器的輸出端作為CRC校驗子系統(tǒng)的輸出端。CRC_in是CRC校驗子系統(tǒng)的輸 入，且CRCl_in = P;ro2_out，CRC2_in = V_Cal_out<XRC_in與校驗碼常數(shù)經(jīng)乘法器4做乘法運 算，運算結(jié)果經(jīng)量化器2量化，量化結(jié)果再轉(zhuǎn)換成比特值，最后在CRC校驗發(fā)生器中做CRC運 算，其結(jié)果作為CRC校驗子系統(tǒng)的輸出CRC_outXRC校驗子系統(tǒng)一是對精碼實時位置值的 CRC計算，CRC校驗子系統(tǒng)二是對實時速度值的CRC計算。
[0045] 實施例1
[0046] 1.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器信號處理原理
[0047] 在理想狀況下，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B兩路相位相差90度的正余弦信號。當(dāng)編 碼器正方向旋轉(zhuǎn)式，B輸出信號相位滯后A信號90度;反之，當(dāng)編碼器反方向旋轉(zhuǎn)時，A輸出信 號相位滯后B信號90度。編碼器正向旋轉(zhuǎn)時輸出信號波形，如圖8所示，圖8為編碼器正向旋 轉(zhuǎn)輸出信號波形圖。
[0048] 編碼器初始信號需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后，才可W得出電機角度位置等信息。在信號 處理方面，將編碼器輸出信號分為兩路，如圖9所示，圖9為旋轉(zhuǎn)編碼器信號處理系統(tǒng)原理框 圖。一路信號經(jīng)過差分放大器、比例放大器、轉(zhuǎn)換為Tl^脈沖信號，經(jīng)濾波處理將ITL信號連 接到ADSP-CM408混合信號控制處理器的EIlKEncoder Interface化it)編碼器接口單元， 進行4倍頻計數(shù)，得到編碼器粗碼信息；另一路信號Asina和Bcosa經(jīng)過高速運算放大器W及 RC濾波電路傳輸?shù)紸DSP-CM408的模擬多路復(fù)用器，然后經(jīng)過采樣保持放大器處理后，傳輸 給AD轉(zhuǎn)換單元，得到十六位采樣精度的數(shù)字信號，將得到的數(shù)字信號進行精碼誤差修正。接 著采用電子學(xué)細(xì)分算法，直接求反正切值，得出編碼器電角度〇,通過電角度a可W得到編碼 器精碼信號。最后，將粗碼信息和精插補信息加在一起，就得出了精確的電機角位置角速度 等f目息。
[0049] 信號調(diào)理電路采用ADI公司的ADA4899高速運算放大器，將正余弦信號經(jīng)兩級放大 整形后得到調(diào)理后的正余弦模擬信號;然后再經(jīng)過比較放大器，輸出高電平為3.3V，低電平 為OV的TTL電平信號，信號調(diào)理電路如圖10所示，圖10為信號調(diào)理及接口電路。
[00加]2. EIU粗位置計數(shù)
[0051] 編碼器接口單元采用四倍頻計數(shù)方式，并判斷編碼器旋轉(zhuǎn)方向。對于編碼器輸出 的整周期正余弦信號，經(jīng)過比較器將其轉(zhuǎn)換為周期數(shù)相等的脈沖信號，將ITL脈沖信號 輸入EIU單元，進行脈沖計數(shù)，如圖11所示，圖11為編碼器接口單元粗位置計數(shù)示意圖。EIU 單元的CNT0_UD、CNT0_DG(圖10)端日輸入兩路Til、Ti2(圖12)脈沖信號，根據(jù)其高低電平的 不同，形成兩位變化的格雷碼信息。在進行粗位置計數(shù)之前，需要先對脈沖信號進行雙D觸 發(fā)器濾波處理。
[0052] 當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時，兩位格雷碼信號變化規(guī)律為10、11、01、00、10循環(huán)變化；當(dāng)編碼 器反轉(zhuǎn)時，兩位格雷碼信號變化規(guī)律為01、11、10、00、01循環(huán)變化。每一次狀態(tài)變化，可逆計 數(shù)器都對應(yīng)一次增或減計數(shù)。因此，一個信號周期進行四次計數(shù)，即四倍頻計數(shù)。當(dāng)有干擾 或故障發(fā)生時，比如抖動，會引起其他狀態(tài)的發(fā)生，此時編碼器不進行計數(shù)，其狀態(tài)變化信 息如圖12所示。
[0053] 3.高分辨率細(xì)分位置信息
[0054] 當(dāng)電角度不足一個周期時，為了更精確地反饋實時信息，需要采用電子學(xué)細(xì)分算 法進行倍頻，W獲得更高精度的電機角位置與角速度。ADSP-CM408MCU搭載240M化的ARM Codex-M4內(nèi)核，具有浮點運算功能，提高運算速度，還可對編碼器輸出兩路正余弦信號同 時進行雙通道AD采樣，采樣時間為15化S，轉(zhuǎn)換時間38化S。
[0化5] 3. ICO畑IC算法求反正切
[0056]電子學(xué)細(xì)分算法主要使用反正切直接求值法。電角度a的計算公式為：
[0化7]
[005引為了更快的實現(xiàn)反=角函數(shù)求值，J. Voider于1959年提出了一種快速算法，稱之 為CO畑IC(Cordinate Ro1:ation Digital Computer)算法。該算法在保證運算精度的情況 下，使運算時間大大減少。CORDIC算法如圖13所示，圖13為CORDIC平面坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)示意圖。將 X、Y軸坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)一定的度數(shù)，通過N次迭代運算，當(dāng)縱坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)為0時，那么旋轉(zhuǎn)的度數(shù)就是 e。設(shè)(x，y)是原始坐標(biāo)點，將其W原點為中屯、，順時針旋轉(zhuǎn)目之后的坐標(biāo)記為，/ )。
[0化9] 則有如下逆時針坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式
[0060] 但是，上述公式在運算的時候會有四次乘法運算，運算量還是較大，進一步改進算 法。此時提取出了一個乘法因子cosa，由矩陣運算公式可知，去掉cosa，每次旋轉(zhuǎn)后的新坐 標(biāo)點到原點的距離變長了，增長因子為1/cosa。但是，對于所求的a值并沒有影響。運樣運算 量就變?yōu)閮纱纬朔ㄟ\算。于是就得到了如下的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式
[0061] 通過迭代的方法，不斷的旋轉(zhuǎn)特定的角度，每次旋轉(zhuǎn)的角度e = ATAN(l/2i)，使得 累計旋轉(zhuǎn)的角度之和無限接近某一設(shè)定的角度。運是一個不斷修正的過程，為了使y值無限 逼近于零，當(dāng)某次旋轉(zhuǎn)一定角度得出y值為負(fù)值時，則下次旋轉(zhuǎn)需修正為反方向旋轉(zhuǎn)。于是， CO畑IC算法迭代公式關(guān)
[00創(chuàng)則角度累加公式為：Zi+i = zi+diai;di=±l，其中，Zi表示CO畑IC算法迭代i次之后 的角度累加值;符號di是判決因子，決定旋轉(zhuǎn)方向，其正負(fù)取決于迭代后所得yi值得正負(fù)。角 度累加公式所求結(jié)果即為電角度a的值。
[0063] 3.2實時精插補位置值
[0064] 由于單純的依靠四倍頻已經(jīng)無法滿足要求，還需要更高精度的細(xì)分，而正余弦信 號細(xì)分技術(shù)可W得到實時精插補位置值。
[0065] 當(dāng)選擇0~360°進行電子學(xué)細(xì)分時，若采用CORDIC算法進行逼近的時候，如果角度 值較大，需要逼近的次數(shù)較大，間接地增加了運算量，使得運算時間增加，從而不利于系統(tǒng) 的實時性。因此，本文采用0~90°小范圍法計算電角度，由于粗碼計數(shù)時采用了四倍頻計 數(shù)，每次計算電角度的值時就可W只計算未足四分之一周期的角度大小，將測量范圍縮小 至0~90度，運樣在用CORDIC算法求反正切值時就減少了迭代次數(shù)，進而減少了運算時間。 而且，此方法可W達(dá)到幾十倍W上的細(xì)分精度，理論上其上限受限于AD采樣時間和轉(zhuǎn)換時 間W及MCU的運算快慢。由CORDIC算法得出反正切值，再由公式(1悚得實時精插補位置值。
(I)
[0066] 其軟件算法實現(xiàn)流程圖如圖14所示，圖14為精插補計算程序流程圖，所述精碼計 算子系統(tǒng)的精插補方法包括:先獲取AD轉(zhuǎn)換后的Asina與Bcosa的量化值，并判斷其符號;計 算ATAN( |Asina/Bcosa I );判斷Asina*Bcosa是否大于等于0;是則a=ATAN( |Asina/Bcosa )，否則，a = 90°-ATAN( |Asina/Bcosa| )。
[0067] 3.3電機位置信息
[0068] 高精度的電機旋轉(zhuǎn)角度值有兩部分組成，將得到的粗碼信號和精碼信號即實時精 插補位置值進行組合，得到編碼器的機械旋轉(zhuǎn)角度A。機械旋轉(zhuǎn)角度A的計算公式為：
0 LUUOV」共中，IN巧不電機巧于胞巧一巧廣生的偵號周期數(shù)；Z表示電機實際旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的信 號周期數(shù);Ao表示電機轉(zhuǎn)子的初始位置。
[0070] 在測量電機轉(zhuǎn)速時，改進了 M/T測速方法，采用基于采樣角度的變化，測量10個采 樣周期的角度變化值，運樣就消除了 M法單位時間內(nèi)脈沖數(shù)少和T法兩脈沖間時間短的問題， 同時也克服了 M/T法的實時性不足，測量精度較高。將機械角度A傳給ADSP-CM408梓制處理器 進行運算處理，W獲取電機的轉(zhuǎn)速、位置和轉(zhuǎn)向等數(shù)據(jù)信息。電機轉(zhuǎn)速算法為 其中，Am+n為第m+n個機械旋轉(zhuǎn)角度;Am為第m個機械旋轉(zhuǎn)角度；A T為采樣時間。
[0071] 4.實驗仿真分析
[0072] 信號調(diào)理電路首先在Multisim電路仿真軟件進行仿真。如圖15所示為差分信號經(jīng) 信號調(diào)理電路后的輸出波形圖。
[0073] 原始信號經(jīng)調(diào)理之后，得到較為理想的信號波形。將調(diào)理后的信號作為Simulink 仿真的信號源，經(jīng)過16位AD轉(zhuǎn)換、CORDIC算法得到精插補信息，而源信號經(jīng)放大器、比較器 W及四倍頻計數(shù)之后得到粗碼信息，兩者相加得到完整位置值信息，再經(jīng)過32位的CRC校 驗，輸出到CRCl_out;速度值經(jīng)過32位CRC校驗之后，輸出到CRC2_out。其Simul ink仿真模型 如圖1所示。仿真時，仿真步長設(shè)置為0.1s，輸入信號頻率為IOOk化，采樣時間為0.25US。經(jīng) 仿真分析可知，如圖16所示，圖16為IA I、I B I信號量化值與精插補值a的示意圖。在對A、B信 號即Asina、Bcosa經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器采樣量化之后，取絕對值運算，得到量化值，經(jīng)過CORDIC運 算之后，求出反正切值〇,其值在0~90°范圍周期復(fù)現(xiàn)，因此，公式(1)的算法較好的實現(xiàn)了對 編碼器正余弦信號的細(xì)分倍頻。
[0074] 在實驗時，采用海德漢2048線正余弦編碼器，轉(zhuǎn)速3000巧m，編碼器輸出正余弦信 號的頻率為102.4kHz。在0.1 s內(nèi)理論機械角為30.679616rad，實際轉(zhuǎn)子角度值為 30.678849rad，誤差為0.000767rad;而速度理論值為306.796158rad/s。圖17為不同采樣周 期數(shù)時仿真測得速度誤差曲線圖，不同采樣周期測得速度與理論值的差值分別為1〇、30、 50、70、90個采樣周期測一次速度時測得速度誤差數(shù)據(jù)。當(dāng)WlO個采樣周期作為測速周期 時，誤差較大，隨著采樣周期增加，誤差有所減少，其誤差數(shù)值如表1所示。
[0075] 表1不同采樣周期數(shù)測得速度誤差值
[0076]
[0077] 5.結(jié)論
[0078] 為了實現(xiàn)更高倍數(shù)的編碼器細(xì)分倍頻，在四倍頻計數(shù)的基礎(chǔ)之上，對正余弦編碼 器信號進行AD采樣求實時精插補位置值。文中提出了采用小范圍法計算不足一個周期的電 角度值，將每次測量角度范圍縮小至0~90° ,Matlab/Simulink仿真結(jié)果顯示，此方法具有 較好的可行性。實驗對IOOk化的2048線編碼器輸出電信號進行了每個電角度周期40倍細(xì) 分，分辨率達(dá)到了 15.82"。在測速方面，采用了改進M/T測速法，計算90個采樣周期的電角度 變化值，W求得電機速度值，實驗顯示，速度誤差值在± 0.0 OOl 15rad/s之內(nèi)。
[00巧]其它有關(guān)信息可參考本公司專利文獻(xiàn)CN201510465550.5XN201520574867.8、 CN201510467898.8、CN201610029229.7、CN201610029321.3、CN201510465547.3、 CN201520570360.5。
[0080] 實施例2
[0081] 假設(shè)實際應(yīng)用時：
[0082] 1.編碼器分辨率為2048線；
[0083] 2.電機轉(zhuǎn)速為3000巧m;
[0084] 3.電機每旋轉(zhuǎn)一圈絲桿進給量為5mm，即Smm/r;
[0085] 4.進給量分辨率達(dá)到0.0001mm，對應(yīng)機械角度即為360/(5/0.0 OOl )=0.0072° = 25.92"。
[00化]設(shè)編碼器細(xì)分倍數(shù)為N，則：
，得出N〉24.4,即最小25倍頻。注：由 于在編碼器接口單元已經(jīng)四倍頻，因此要想達(dá)到理想分辨率，還需要再進行7倍頻，運樣整 體細(xì)分倍數(shù)達(dá)到28倍頻。
[0087] 當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000rpm時，如圖8所示，編碼器輸出正余弦信號的頻率為：

[0088] 精插補計算公^'
[0089] 機械旋轉(zhuǎn)角度T 。
[0090] 速度計算公式：
[0091] W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)，其用于處理增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的兩路 相位相差90度的Asina與Bcosa;其特征在于:所述正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)包括 差分放大器一、差分放大器二、AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)一、AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)二、四倍頻子系統(tǒng)、乘法器 一、C0RDIC算法子系統(tǒng)、精碼計算子系統(tǒng)、速度計算子系統(tǒng)、乘法器二、CRC校驗子系統(tǒng)一、 CRC校驗子系統(tǒng)二;其中，所述差分放大器一的輸入端接收Asina，所述差分放大器一的輸出 端同時連接所述AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)一的輸入端和所述四倍頻子系統(tǒng)的輸入端一;所述差分放大 器二的輸入端接收Bcosa，所述差分放大器二的輸出端同時連接所述AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)二的輸 入端和所述四倍頻子系統(tǒng)的輸入端二;兩個AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的兩路輸出信號連接所述C0RDIC 算法子系統(tǒng)的兩個輸入端，兩個AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的另兩路輸出信號連接所述乘法器一的兩個 輸入端，所述乘法器一的輸出端、所述C0RDIC算法子系統(tǒng)的輸出端分別連接所述精碼計算 子系統(tǒng)的兩個輸入端;所述四倍頻子系統(tǒng)的輸出信號與所述精碼計算子系統(tǒng)的輸出信號進 行疊加后送至所述乘法器二的輸入端一，所述乘法器二的輸出端同時連接所述CRC校驗子 系統(tǒng)一的輸入端、所述速度計算子系統(tǒng)的輸入端;所述CRC校驗子系統(tǒng)一的輸出端作為整個 正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)的輸出端一，所述速度計算子系統(tǒng)的輸出端連接所述 CRC校驗子系統(tǒng)二的輸入端，所述CRC校驗子系統(tǒng)二的輸出端作為整個正余弦編碼器高精度 信號處理系統(tǒng)的輸出端二。2. 如權(quán)利要求1所述的正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)，其特征在于:所述限幅器的 一端作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的輸入端，所述限幅器的另一端依次串接求絕對值一、差分放大器 三、量化器一，所述量化器一的輸出端作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的輸出端一，所述限幅器的另一端 還連接所述開關(guān)一的一個輸入觸點;所述開關(guān)一的剩下兩個輸入觸點分別接收兩個分別為 1和-1的常數(shù)，所述開關(guān)一的輸出端作為AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的輸出端二。3. 如權(quán)利要求1所述的正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)，其特征在于:所述C0RDIC算 法子系統(tǒng)包括求絕對值二、求絕對值三、CORD 1C三角函數(shù)算法;求絕對值二、求絕對值三的 一端分別作為所述CORDIC算法子系統(tǒng)的兩個輸入端，求絕對值二、求絕對值三的另一端分 別連接CORD IC三角函數(shù)算法的兩個輸入端，CORD IC三角函數(shù)算法的輸出端作為所述CORD IC 算法子系統(tǒng)的輸出端。4. 如權(quán)利要求1所述的正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)，其特征在于:所述精碼計算 子系統(tǒng)包括開關(guān)二、乘法器三;所述開關(guān)二的兩個輸入觸點分別作為所述精碼計算子系統(tǒng) 的兩個輸入端，且其中一個輸入觸點的輸入信號負(fù)反饋一個常數(shù)信號后再接入所述開關(guān)二 的剩下一個輸入觸點；所述開關(guān)二的輸出觸點連接乘法器三的輸入端，乘法器三的輸出端 作為所述精碼計算子系統(tǒng)的輸出端。5. 如權(quán)利要求1所述的正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)，其特征在于:所述四倍頻子 系統(tǒng)包括比較放大器一、比較放大器二、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換器、D觸發(fā)器、計數(shù)器一、計數(shù)器二、加 法器;比較放大器一的輸入端作為所述四倍頻子系統(tǒng)的輸入端一，比較放大器一的輸出端 一方面連接計數(shù)器一的控制端，另一方面經(jīng)由數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換器連接D觸發(fā)器的輸出端一;比 較放大器二的輸入端作為所述四倍頻子系統(tǒng)的輸入端二，比較放大器二的輸出端一方面連 接計數(shù)器二的控制端，另一方面連接D觸發(fā)器的輸出端二;D觸發(fā)器的同相輸出端連接兩個 計數(shù)器的增數(shù)計數(shù)位，D觸發(fā)器的反相輸出端連接兩個計數(shù)器的減數(shù)計數(shù)位;兩個計數(shù)器的 輸出端經(jīng)加法器運算后作為所述四倍頻子系統(tǒng)的輸出端。6. 如權(quán)利要求1所述的正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)，其特征在于:速度計算子系 統(tǒng)包括:〇~η個采樣保持、減法器、除法器;延遲一次是一個系統(tǒng)時鐘的時間長度A T，延遲 的次數(shù)是任意的，V_cal_in是速度計算子系統(tǒng)的輸入，且V_cal_in = Pro2_out，Pro2_out是 乘法器二的輸出，減法器把m時刻的Pr〇2_〇ut采樣保持多個系統(tǒng)時鐘獲得V_cal_in，記錄為 &，同時采集當(dāng)前時刻的Pro2_out，記錄為A m+n，其中的η是采樣保持的系統(tǒng)時鐘的個數(shù)，計 算結(jié)果輸出給除法器，計算結(jié)果(Xm+n_A m)/(nX △ Τ)作為速度計算子系統(tǒng)輸出V_cal_out。7. 如權(quán)利要求1所述的正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)，其特征在于:每個CRC校驗 子系統(tǒng)包括乘法器四、量化器二、整形數(shù)轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)換器、CRC校驗發(fā)生器;乘法器四的一個輸入 端作為CRC校驗子系統(tǒng)的輸入端，乘法器四的另一個輸入端接收常數(shù)，乘法器四的輸出端依 次串接量化器二、整形數(shù)轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)換器、CRC校驗發(fā)生器，CRC校驗發(fā)生器的輸出端作為CRC校 驗子系統(tǒng)的輸出端。8. 如權(quán)利要求1所述的正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)，其特征在于:CORDIC算法子 系統(tǒng)在反三角函數(shù)求值時，采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式，通過迭代的方法，不斷旋轉(zhuǎn)編碼器的特定角 度，每次旋轉(zhuǎn)的角度β = ΑΤΑΝ( 1/24,使得累計旋轉(zhuǎn)的角度之和無限接近某一設(shè)定的角度，21 表示CORDIC算法迭代i次之后的角度累加值，i代表迭代次數(shù)。9. 如權(quán)利要求1所述的正余弦編碼器高精度信號處理系統(tǒng)，其特征在于:所述精碼計算 子系統(tǒng)的精插補方法包括:先獲取AD轉(zhuǎn)換后的Asina與Bcosa的量化值，并判斷其符號;計算 ATAN( |Asina/Bcosa | );判斷Asina*Bcosa是否大于等于〇;是則a = ATAN( |Asina/Bcosa | )， 否則，a = 90。_ATAN( I Asina/Bcosa I ) 〇
【文檔編號】H03M1/12GK105978570SQ201610517319
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】文長明, 文可
【申請人】中工科安科技有限公司, 文長明, 文可