基于單片機的磁性編碼器信號細分系統的設計
加入技術(shù)交流群
在數字式傳感器中，磁性編碼器是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型電磁敏感元件。磁性編碼器具有不易受塵埃和結露影響、結構簡(jiǎn)單緊湊、響應速度快（可達 500~700kHz），體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用磁性編碼器可將多個(gè)元件精確地排列組合從而構成構成新功能器件和多功能器件。由于磁性編碼器具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，因而近年來(lái)在高精度測量和控制領(lǐng)域中的應用不斷增加，作為一種重要工具，磁性編碼器已成為必不可少的組成部分，其市場(chǎng)需求量每年以20%～30% 的速度增長(cháng)。在高速度、高精度、小型化、長(cháng)壽命的要求下，在激烈的市場(chǎng)競爭中，磁性編碼器以其突出特點(diǎn)而獨具優(yōu)勢，成為發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)品的關(guān)鍵之一。在磁性編碼器的研制生產(chǎn)方面，提高磁性編碼器的分辨率和小型化現已成為各國研究發(fā)展的重點(diǎn)。
要提高編碼器的分辨力必須增加其磁極數，一方面會(huì )增加傳感器的成本，另一方面會(huì )因編碼器體積的增大而影響其應用。因此對磁性編碼器的輸出信號進(jìn)行二次細分就顯得十分必要。
編碼器信號信分的方案主要分為硬件細分和軟件細分兩類(lèi)。硬件細分雖然可以得到較快的響應速度和實(shí)時(shí)輸出的細分信號，但要實(shí)現較高的分辨率需要較高的成本。軟件細分雖然在實(shí)時(shí)性存在一定缺陷，但可以在較小成本投入下獲得較高的分辨率，并可以根據需要靈活設定分辨率。
本文將探討利用成本較低的單片機系統實(shí)現磁性編碼器信號細分的算法和實(shí)現信號實(shí)時(shí)輸出的方案。本系統的設計思想是：根據兩采樣點(diǎn)之間的機械角度和細分精度計算出兩個(gè)采樣點(diǎn)之間應輸出的脈沖的數目，并在系統的控制下輸出，從而實(shí)現信號細分的目的。因此信號細分方案實(shí)際上是由旋轉機械角度的計算和細分脈沖的輸出控制兩部分組成的。
旋轉角度測量方案和硬件電路實(shí)現
系統中采用的磁性編碼盤(pán)能夠輸出兩路正交的正弦信號，編碼器每旋轉一周，可輸出8個(gè)連續的正弦波。由于電機每旋轉一周對應360度的機械角度，因此每個(gè)正弦波對應45度的機械角度，而每個(gè)正弦波又對應360度的電角度，因此正弦波90度的電角度的變化量對應磁性編碼器11.25度機械角度的變化。
編碼盤(pán)輸出的是兩路正交的正弦信號，而在正弦信號的一個(gè)單調區間中，信號的幅值和編碼器的機械位置是一一對應的，于是可以通過(guò)測量信號的幅值轉換成對應的角度信號，從而實(shí)現對磁編碼信號的細分。
構造近似三角函數 ，構造函數的波形如圖1所示。
由波形圖可以看出，新構造的函數以90度的電角度為周期（對應機械角度為11.25度）。如果相鄰兩采樣點(diǎn)在一個(gè)周期內，則可按照公式計算編碼器的機械位置；如果相鄰兩采樣點(diǎn)不在一個(gè)周期內，則只需在式1的計算結果上加上N×11.25即可（N為兩采樣點(diǎn)之間的周期數）。采用這樣的構造函數可以大大簡(jiǎn)化程序設計，從而提高系統的實(shí)時(shí)性。
電路結構框圖
系統電路結構框圖如圖2所示。兩路正弦信號通過(guò)編碼電路生成與正弦波相對應的編碼信號，CPU可以根據編碼信號對信號的整數周期進(jìn)行計數。
由編碼器生成的編碼信號控制多路開(kāi)關(guān)實(shí)現兩路輸入信號之間的切換，以實(shí)現當 =N×90o（N=1，3，5，……）時(shí)互換兩路輸入信號的功能。采樣保持器和A/D轉換器在CPU的控制下，對同一時(shí)刻的兩路正弦信號同時(shí)進(jìn)行采樣，并對采樣保持器保持的信號進(jìn)行A/D轉換，轉換后的數據經(jīng)8255傳輸至CPU。
圖2 信號細分硬件電路圖
評論