正余弦编码器细分技术研究

摘要：为提高正余弦编码器的分辨率，提出用硬件细分的方法将512刻线的正余弦编码器进行信号12倍频，利用比较器和异或门搭建电路，将输出信号倍频12倍，该方法读数迅速，能达到动态测量的要求，而且成本低。详细分析其工作原理，用Saber软件进行电路仿真。仿真结果表明该方法能使512 p／r分辨率的编码器提高到6 144 p／r，在实际应用中得到了验证。
关键词：正余弦编码器；倍频；分辨率；Saber软件

0 引言
    随着自动化技术的发展，各种传感器广泛应用于数控机床，机器人等伺服控制系统的位置检测。目前常用的是高分辨率的光电编码器、旋转变压器、正余弦编码器。与其他系统相比，在提高动态特性方面，正余弦编码器有独特的优势。正余弦编码器输出正余弦波形的A通道和B通道反馈，通过硬件或者软件方法求其相应的角度。为了进一步提高分辨率，通常采用电子学细分，来提高信号的重复频率。电子学细分有软件细分和硬件细分，软件细分采用高速单片机，DSP、FPGA高速数字处理器件，结合细分算法实现。硬件细分有电阻链细分、空间细分、锁相倍频。也有软件和硬件方法结合使用。采用软件细分方法时，编码器转轴转速波动会影响其细分精度，系统的实时性达不到要求。基于以上问题，本文采用一种结构简单并易于实现的硬件细分方法，将512刻线的正余弦编码器的分辨率提高到6 144 p／r，并且转换速率快，细分精度不受编码器转轴转速波动影响，成本低容易实现。

1 细分原理
    如图1所示，在理想情况下，正余弦编码器旋转一周期输出两相正交的电压信号(A相和B相)。

    上述A，B相电压信号可以表示为：
    UA=Usinθ      (1)
    UB=Usin(θ+π／2)     (2)
    式中：U为正余弦编码器输出电压信号幅值；θ为电压信号相位角。
    其细分原理是选择式(1)，式(2)中θp对应的Up作为输出计数脉冲的电压参考点，当输入信号的幅值U≥Up时，则输出计数脉冲。当选择不同的参考电压时，编码器转过一定的角度并输出固定的脉冲，将正余弦信号细分。
    其设计思想是：编码器正余弦信号经过电压比较器，当U≥Up时，电压比较器输出1，当U<Up时，电压比较器输出0。每经过一个Up，比较器便输出一个计数脉冲。选择p个不同的参考电压，比较器便输出p个不同的计数脉冲。由这p个计数脉冲便输出一个p倍频后的信号。本文要将信号细分12倍，则需要比较器输出12个不同的计数脉冲，其方法是将2π分为12等份：
   
    选择偏置电压是因为比较器的真实电压并不能达到5 V，当选择供电电源为9 V时，信号输入电压也要偏置4．5 V才能取得良好的倍频结果。使用Saber电路仿真软件进行电路仿真，最后得到经过12倍频后的信号Ap和Bp，如图2～图4所示。

2 电路逻辑分析
    在电路仿真图中，用逻辑分析仪观察比较器输出的波形，正余弦细分电路中比较器的逻辑波形如图5和图6所示。

    经过异或门后输出12倍频的计数脉冲[12XA]和[12XB]的逻辑表达式为：
   
    参考比较器波形图和电路原理图可知，信号经过异或门后，每一周期输出等分的12个脉冲，实现了12倍频，其倍频数与比较器个数一致。

3 结果分析
    搭建好硬件电路后，用示波器显示，其波形如图7所示。

    由图7可以看出一个周期输出了12个脉冲，达到了将信号12细分的目的。对比软件细分方法，在动态输入条件下，该硬件细分方法有效提高了细分精度。软件细分方法通常需要A／D采样和角度计算。由于输入信号的频率不稳定会导致A／D采样中丢失部分输入信号，或者A／D转换器来不及转换，使得数据得不到及时处理，影响编码器输出精度，也限制了编码器的响应速率。而采用该硬件细分方法可以有效解决上述问题。使用比较器来实现信号倍频，低倍频时是一种很好的方案，结构简单且易于实现，但是高倍频时，需要使用的比较器个数增多，而且比较器还存在滞后问题，这在实际应用中是要注意的。图8～图10是正余弦编码器6倍频，10倍频，12倍频对比图。

4 电路原理图
    用6片比较器LM339和5片异或门7486来搭建电路，实验用的电路板如图11所示。

    该电路结构简单，成本低，易于实现。由结果分析可知，随着倍频倍数的增加，比较器的滞后性越发明显，因此不能为了追求高倍频而无限制地使用比较器。

5 结论
    用该硬件细分方法实现的信号细分，电路结构简单，成本低，读数迅速，能达到动态测量的要求。虽然随着倍频倍数的增加，比较器的滞后性会越明显，但是在低倍频时，还是一种比较好的方案，在提高正余弦编码器方面比较实用，该方法通过仿真调试和实验，验证了该方案是可行的。