一種硬件細分方法的研究與應用

【摘　要】　對光柵傳感器原始信號進(jìn)行細分是采用各類(lèi)光柵器件進(jìn)行高精度位置測量、角度測量過(guò)程中不可或缺的一個(gè)環(huán)節。細分方法多種多樣，針對各種現有的電子學(xué)細分方案并結合實(shí)際應用，本文采用純硬件查表、軌跡計數等方法，實(shí)現了針對測角傳感器信號的64倍頻，同時(shí)將其成功地應用于交流伺服的全閉環(huán)系統，極大地改善了系統的定位精度。
關(guān)鍵詞：光柵傳感器，測量，細分

1　引　言

目前，各類(lèi)伺服驅動(dòng)器及其應用中廣泛采用光柵裝置作為速度測量、位置測量的敏感元件。而且，廣泛采用兩路正交方波的形式，系統的實(shí)時(shí)性要求極高。因此，對于光柵編碼器的信號的細分等主要處理環(huán)節，一方面集中考慮提高分辨率的問(wèn)題，同時(shí)，需要考慮實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。

盡管高速單片機、DSP等高速數字處理器件的應用可以極大地改善系統的實(shí)時(shí)性，但是做除法運算仍需較長(cháng)的時(shí)間，大約為幾百微秒，無(wú)法滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性的要求，因此，軟件細分的方法受到了限制。

目前，有很多采取純硬件進(jìn)行細分的方法，如，電阻鏈細分，空間細分，鎖相倍頻，還有兩種方法的結合使用等。上述幾種方法在實(shí)際應用中被廣泛采用，特別是電阻鏈細分，在低倍頻的情況下是一種很好的方案。但是在高倍頻的情況下，不可避免地出現大量使用比較器的情況，以及比較器死區（滯后區）問(wèn)題，難以調節?？臻g細分的方法中，主要解決的問(wèn)題是切割電平精準的問(wèn)題，其中的三角波切割三角波的方案有很多優(yōu)點(diǎn)，可以改變使用過(guò)零比較造成的細分誤差。但是仍然存在大量使用比較器的問(wèn)題，調節起來(lái)比較繁瑣。鎖相倍頻細分的方法，一方面，成本較前兩種高，另一方面，受環(huán)境溫度的影響比較大，實(shí)際的應用中很少采用。本文從原理上考慮了一種新的細分方案，使用取絕對值，八卦限理論，利用ASIC器件（速度為納秒級）對信號進(jìn)行邏輯運算和處理等一整套純粹硬件的信號細分方案，并通過(guò)調試和實(shí)際應用，驗證了該方案的可行性。

2　細分原理及框圖

細分主要由以下幾個(gè)部分構成，取絕對值、提取卦限信號、A／D轉換、查細分表、邏輯運算等。系統框圖如圖1所示。

濾波、放大、整形電路對于輸入原始信號sinx、cosx進(jìn)行初步處理，在幅值、對稱(chēng)性、正交性等方面滿(mǎn)足后續電路的要求。取絕對值電路根據二極管截止導通特性，并結合基本運算放大器的基本工作原理，設計硬件電路，使其uo＝｜ui｜輸出，實(shí)現對輸入信號的倍頻，兩路信號交錯形成八個(gè)卦區以及相應的卦限信號。

A／D轉換模塊對絕對值信號進(jìn)行采樣轉化，如圖2所示：模擬多路開(kāi)關(guān)在卦限控制信號的作用下，對絕對值信號進(jìn)行選擇，其輸出分別作為A／D轉換的輸入信號和參考信號。A／D轉換受控于采樣控制信號，其輸出數據與采樣時(shí)刻的相位信號對應。

如果將該數據與相位之間的對應關(guān)系用一張表來(lái)描述，就是我們所建立的細分表。但是由于細分倍數的不同，兩者之間并不是一一對應關(guān)系。

3　硬件設計與調試

從原理上可以看出，該細分模塊的技術(shù)關(guān)鍵是比較器整形產(chǎn)生的卦限信號和A／D模塊產(chǎn)生的地址信號必須同步，這是能否正確細分的關(guān)鍵。因此，在電路設計過(guò)程中，比較器的滯后及其抗干擾能力是必須考慮和解決的問(wèn)題。在抗干擾方面，采用差分放大，可以有效地抑制共模干擾?？紤]其滯后問(wèn)題，采用整形電路與取絕對值電路分離，可以通過(guò)調節各個(gè)運放的直流參數，使得卦限信號與絕對值信號能夠近似同步，否則，產(chǎn)生的細分方波將會(huì )在過(guò)零處變得混亂。如圖3所示，對其中sinx信號取絕對值及整形，這樣一來(lái)，既方便了調試，也避免了干擾及比較器的滯后問(wèn)題。

邏輯控制電路及運算模塊主要完成對A／D轉換模塊的采樣控制、讀存儲器（細分表）、運算輸出細分正交方波等邏輯。整個(gè)模塊由FPGA來(lái)實(shí)現。外圍晶振提供10MHz的時(shí)鐘，由分頻模塊進(jìn)行分頻，實(shí)現周期為2μs（滿(mǎn)足系統最大500kHz的反饋要求）的脈沖列作為采樣控制信號。在A(yíng)／D轉換模塊完成采樣轉換并且轉換結束信號／INT為低電平時(shí)，此時(shí)，卦限信號及地址信號在存儲器的地址信號線(xiàn)上有效，在FPGA內部經(jīng)過(guò)邏輯判斷后，發(fā)出讀（／RD）命令。讀取的數據經(jīng)鎖存后提供給后序運算模塊，經(jīng)判斷運算后輸出正交細分方波。

4　檢測及檢測結果

如圖4所示，我們搭建了細分檢測硬件平臺，由標定系統一維平轉臺和同軸的圓光柵編碼器構成。數顯裝置顯示了標定轉臺實(shí)際轉過(guò)的角度，同時(shí)，主機通過(guò)接口電路對細分方波進(jìn)行計數并顯示，經(jīng)過(guò)多次測量，兩顯示值之間的差e≤1，即，小于等于一個(gè)當量，達到了設計目的。同時(shí)，通過(guò)伺服驅動(dòng)的一維平轉臺系統及檢測機構來(lái)定量地檢測分析細分誤差，初始位置：3′26．3″，末位置：2′50．7″，差值：3′26．3″－2′50．7″＝35．6″，36．0″－35．6″＝0．4″，結果如表1所示。

5　結束語(yǔ)

采用純硬件的手段可以滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性的要求，采樣速度為2μs。同時(shí)，采用該方法可以實(shí)現高倍頻細分，滿(mǎn)足大多數系統對于兩路正交反饋方波的需求，可以在光柵編碼器信號處理中采用。

參考文獻
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