正余弦編碼器細(xì)分技術(shù)研究

摘要：為提高正余弦編碼器的分辨率，提出用硬件細(xì)分的方法將512刻線的正余弦編碼器進(jìn)行信號(hào)12倍頻，利用比較器和異或門搭建電路，將輸出信號(hào)倍頻12倍，該方法讀數(shù)迅速，能達(dá)到動(dòng)態(tài)測量的要求，而且成本低。詳細(xì)分析其工作原理，用Saber軟件進(jìn)行電路仿真。仿真結(jié)果表明該方法能使512 p／r分辨率的編碼器提高到6 144 p／r，在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：正余弦編碼器；倍頻；分辨率；Saber軟件

0 引言
隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，各種傳感器廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人等伺服控制系統(tǒng)的位置檢測。目前常用的是高分辨率的光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、正余弦編碼器。與其他系統(tǒng)相比，在提高動(dòng)態(tài)特性方面，正余弦編碼器有獨(dú)特的優(yōu)勢。正余弦編碼器輸出正余弦波形的A通道和B通道反饋，通過硬件或者軟件方法求其相應(yīng)的角度。為了進(jìn)一步提高分辨率，通常采用電子學(xué)細(xì)分，來提高信號(hào)的重復(fù)頻率。電子學(xué)細(xì)分有軟件細(xì)分和硬件細(xì)分，軟件細(xì)分采用高速單片機(jī)，DSP、FPGA高速數(shù)字處理器件，結(jié)合細(xì)分算法實(shí)現(xiàn)。硬件細(xì)分有電阻鏈細(xì)分、空間細(xì)分、鎖相倍頻。也有軟件和硬件方法結(jié)合使用。采用軟件細(xì)分方法時(shí)，編碼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)會(huì)影響其細(xì)分精度，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性達(dá)不到要求?；谝陨蠁栴}，本文采用一種結(jié)構(gòu)簡單并易于實(shí)現(xiàn)的硬件細(xì)分方法，將512刻線的正余弦編碼器的分辨率提高到6 144 p／r，并且轉(zhuǎn)換速率快，細(xì)分精度不受編碼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)影響，成本低容易實(shí)現(xiàn)。

1 細(xì)分原理
如圖1所示，在理想情況下，正余弦編碼器旋轉(zhuǎn)一周期輸出兩相正交的電壓信號(hào)(A相和B相)。

上述A，B相電壓信號(hào)可以表示為：
UA=Usinθ (1)
UB=Usin(θ+π／2) (2)
式中：U為正余弦編碼器輸出電壓信號(hào)幅值；θ為電壓信號(hào)相位角。
其細(xì)分原理是選擇式(1)，式(2)中θp對應(yīng)的Up作為輸出計(jì)數(shù)脈沖的電壓參考點(diǎn)，當(dāng)輸入信號(hào)的幅值U≥Up時(shí)，則輸出計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)選擇不同的參考電壓時(shí)，編碼器轉(zhuǎn)過一定的角度并輸出固定的脈沖，將正余弦信號(hào)細(xì)分。
其設(shè)計(jì)思想是：編碼器正余弦信號(hào)經(jīng)過電壓比較器，當(dāng)U≥Up時(shí)，電壓比較器輸出1，當(dāng)UUp時(shí)，電壓比較器輸出0。每經(jīng)過一個(gè)Up，比較器便輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。選擇p個(gè)不同的參考電壓，比較器便輸出p個(gè)不同的計(jì)數(shù)脈沖。由這p個(gè)計(jì)數(shù)脈沖便輸出一個(gè)p倍頻后的信號(hào)。本文要將信號(hào)細(xì)分12倍，則需要比較器輸出12個(gè)不同的計(jì)數(shù)脈沖，其方法是將2π分為12等份：