基于單片機的磁性編碼器信號細分系統(tǒng)的設計

磁性編碼器輸出信號電子細分研究的現(xiàn)狀和意義

在數(shù)字式傳感器中，磁性編碼器是近幾年發(fā)展起來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、結構簡單緊湊、響應速度快（可達 500~700kHz），體積小巧等優(yōu)點，同時利用磁性編碼器可將多個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，因而近年來在高精度測量和控制領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，其市場需求量每年以20%～30% 的速度增長。在高速度、高精度、小型化、長壽命的要求下，在激烈的市場競爭中，磁性編碼器以其突出特點而獨具優(yōu)勢，成為發(fā)展高技術產品的關鍵之一。在磁性編碼器的研制生產方面，提高磁性編碼器的分辨率和小型化現(xiàn)已成為各國研究發(fā)展的重點。

要提高編碼器的分辨力必須增加其磁極數(shù)，一方面會增加傳感器的成本，另一方面會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。硬件細分雖然可以得到較快的響應速度和實時輸出的細分信號，但要實現(xiàn)較高的分辨率需要較高的成本。軟件細分雖然在實時性存在一定缺陷，但可以在較小成本投入下獲得較高的分辨率，并可以根據(jù)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(tǒng)實現(xiàn)磁性編碼器信號細分的算法和實現(xiàn)信號實時輸出的方案。本系統(tǒng)的設計思想是：根據(jù)兩采樣點之間的機械角度和細分精度計算出兩個采樣點之間應輸出的脈沖的數(shù)目，并在系統(tǒng)的控制下輸出，從而實現(xiàn)信號細分的目的。因此信號細分方案實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現(xiàn)

系統(tǒng)中采用的磁性編碼盤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個連續(xù)的正弦波。由于電機每旋轉一周對應360度的機械角度，因此每個正弦波對應45度的機械角度，而每個正弦波又對應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。

編碼盤輸出的是兩路正交的正弦信號，而在正弦信號的一個單調區(qū)間中，信號的幅值和編碼器的機械位置是一一對應的，于是可以通過測量信號的幅值轉換成對應的角度信號，從而實現(xiàn)對磁編碼信號的細分。

構造近似三角函數(shù) ，構造函數(shù)的波形如圖1所示。

由波形圖可以看出，新構造的函數(shù)以90度的電角度為周期（對應機械角度為11.25度）。如果相鄰兩采樣點在一個周期內，則可按照公式計算編碼器的機械位置；如果相鄰兩采樣點不在一個周期內，則只需在式1的計算結果上加上N×11.25即可（N為兩采樣點之間的周期數(shù)）。采用這樣的構造函數(shù)可以大大簡化程序設計，從而提高系統(tǒng)的實時性。

電路結構框圖

系統(tǒng)電路結構框圖如圖2所示。兩路正弦信號通過編碼電路生成與正弦波相對應的編碼信號，CPU可以根據(jù)編碼信號對信號的整數(shù)周期進行計數(shù)。

由編碼器生成的編碼信號控制多路開關實現(xiàn)兩路輸入信號之間的切換，以實現(xiàn)當 =N×90o（N=1，3，5，……）時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，對同一時刻的兩路正弦信號同時進行采樣，并對采樣保持器保持的信號進行A/D轉換，轉換后的數(shù)據(jù)經(jīng)8255傳輸至CPU。

圖2 信號細分硬件電路圖