专利名称：一种正余弦编码器细分装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及数控机床电机转子位置检测领域，尤其涉及一种针对正余弦编码器输出的正余弦信号进行处理的正余弦编码器细分装置。
背景技术：
随着功率电子技术与计算机控制技术的发展，在当前的数控机床中一般采用永磁同步电机组成的伺服系统来控制电机的位置转速等参数，而进行电机控制的关键问题之一就是转子的位置监测，转子当前位置直接决定着系统的控制方式、变频器的开关方式及输出频率。因此要实现高速高精加工，伺服驱动装置必须具备高分辨率的转子位置检测系统。 目前常用的角度位置装置有采用高分辨率的光电编码器，为了提高输出的分辨率，必须特高物理刻线的密度， 而此项措施主要受到编码器体积、制造工艺的影响。使用旋转编码器配备角度解码器(RDC)，旋转变压器正余弦的信号送入专用芯片， 输出一定位数的角度数字信号，此时，旋转变压器需配置专用励磁电源芯片，而且由于RDC 芯片本身的限制此种方法只能适用于转速比较低的场合。因此有必要提供一种可以计算出电机转子高精度的角度值的正余弦编码器细分装置，而不需要无限制的提高物理刻线密度。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种具有偏差补偿、高速高精度优点的正余弦编码器细分装置，从而为位置伺服控制系统提供更加精确的位置信号来满足精确控制的要求。为实现上述目的，本实用新型提供一种正余弦编码器细分装置，其特征在于差分信号接收放大�？椤⒄嘞夷Ｊ荒？�、整形比较方波产生�？�、电平转换模块、区间细分计数模块、转向判断�？椤⑵罘掷爰扑隳？�、及角度计算�？椋渲姓嘞夷Ｊ荒？�、整形比较方波产生�？榉直鹩氩罘中藕沤邮辗糯竽？榱樱坏缙阶荒？橛胝伪冉戏讲ú？榱樱磺湎阜旨剖？�、转向判断�？榉直鹩氲缙阶荒？榱樱黄罘掷爰扑隳？橛胝嘞夷Ｊ荒？榱樱唤嵌燃扑隳？橛肭湎阜旨剖？�、转向判断�？�、正余弦模数转换�？�、偏差分离计算�？榱�。进一步的，所述区间细分计数�？�、转向判断�？榫捎孟殖】杀喑堂耪罅蠪PGA
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心ZT ο进一步的，所述角度计算�？橛肫罘掷爰扑隳？楣灿靡桓鍪中藕糯砥鱀SP
-H-· I I心片。本实用新型所述的正余弦编码器细分装置具有以下优点该正余弦编码器细分装置通过设置正余弦模数转换�？�、采用现场可编程门阵列FPGA芯片的区间细分计数模块和转向判断�？椋约安捎肈SP芯片的角度计算模块，使得该装置的细分速度高，最快可达 IOOkHz的细分频率(每次细分时间)，并且具有较高的细分倍数。尤其在采用12位AD数模转换器的前提下可以达到8388608倍的细分倍数。偏差分离计算�？榻衅钍凳辈钩ィ� 使得正余弦编码器输出信号的各种偏差在数据处理中被滤除，将进一步提高细分装置的精度。整个装置通过数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、高速模数转换器ADC的互相配合，实现了高速高精度的数据采集，高速的数据处理，高速高精度的数据输出。装置在一块电路板上实现所用功能，便于批量生产和安装，可广泛用于数控机床等对角度位置测量要求较高的领域。
图1为符合本实用新型的正余弦编码器细分装置的结构框图；图2为图1所示的正余弦编码器细分装置的工作流程示意图。
以下结合附图对本实用新型专利做进一步的详细说明。
具体实施方式
下面将结合附图1、2对本实用新型作进一步说明。但本实用新型的内容不仅仅局限如此。请参阅图1，符合本实用新型的正余弦编码器细分装置，其包括差分信号接收放大�？�1、正余弦模数转换模块2、整形比较方波产生�？�3、电平转换�？�4、区间细分计数�？�5、转向判断�？�6、偏差分离计算�？�7及角度计算模块8。其中正余弦模数转换�？� 2、整形比较方波产生�？�3分别与差分信号接收放大�？�1连接；电平转换�？�4与整形比较方波产生�？�3连接；区间细分计数�？�5、转向判断�？�6分别与电平转换�？�4连接；偏差分离计算�？�7与正余弦模数转换�？�2连接；角度计算�？�8与区间细分计数�？�5、转向判断�？�6、正余弦模数转换�？�2、偏差分离计算�？�7连接。所述差分信号接收放大�？�1用于接收正余弦编码器100送出的两路模拟正余弦差分信号、输出共模电压为OV的正余弦模拟差分信号。所述正余弦模数转换�？�2用于接收差分信号接收放大�？�1处理后的两路正余弦模拟差分信号、并对此两路正余弦模拟差分信号的电压值进行A/D转换，以获得两路正余弦模拟差分信号电压值对应的数字量。所述整形比较方波产生�？�3用于将差分信号接收放大模块1处理后的两路正余弦模拟差分信号进行电压比较，并生成方波信号。所述电平转换�？�4用于将整形比较方波产生模块3输出的以+5V为峰值的方波转化为+3. 3V为峰值的方波电压信号，从而可以使其送入FPGA等以+3. 3V为I/O 口电平的逻辑判断�？�。所述区间细分计数�？�5用于对正余弦信号进行4倍频细分，将每个正余弦周波信号周期细分为4个区间。所述转向判断�？�6用于判断转子的转向，通过判断正弦信号、余弦信号的相位的前后不同来判断转子的转向，同时根据转子的转向进行区间计数的增或者减操作。所述偏差分离计算�？�7用于对非理想化正余弦信号的偏差分离和实时补偿，考虑到输入的正余弦信号可能存在直流偏置、幅值偏差和相位偏差等三种偏差，采用相应偏差分离算法，分离得到上述三种偏差的值。[0023]所述角度计算�？�8用于计算转子的角度值，通过正余弦模数转换�？�2处理后的电压数字量送入角度计算�？榻谐扑愕贸稣小⒂嗲兄担煌ü湎阜旨剖？� 5送入数字信号处理器的区间计数值进行区间计数；通过偏差分离计算�？�7获得三种偏差，并进行补偿；最终在数字信号处理器中计算出准确的角度位置。所述区间细分计数�？�5、转向判断�？�6均采用现场可编程门阵列FPGA芯片 (未图示)。所述角度计算模块8与偏差分离计算�？�7共用一个数字信号处理器DSP芯片 (未图示)。请参阅图2，本实用新型所述的正余弦编码器细分装置的具体工作过程如下首先，差分信号接收放大模块1接收来自正余弦编码器100送入的A、B相的两组差分电压信号，经过差分信号接收放大�？�1的差分接收放大处理后输出共模电压为OV的两组正余弦模拟差分信号。然后，处理后的正余弦模拟差分信号同时送入正余弦模数转换�？�2和整形比较方波产生�？�3。在正余弦模数转换�？�2中，对两组正余弦模拟差分信号进行模数转换处理。12 位的AD转换，就能得到这两组正余弦模拟差分信号所对应的12为数字量，可以达到的最大细分倍数为2的12次方，即4096倍，由此可见细分的倍数受到正余弦模数转换�？榈母咚倌Ｊ黄鰽DC最大采样位数的影响，正弦、余弦信号转化后的电压值经过区间细分计数�？榧白蚺卸夏？榈南殖】杀喑堂耪罅蠪PGA芯片送入数字信号处理器DSP中进行处理。整形比较方波产生模块3在接收到差分信号接收放大�？�1处理后的信号后，使用整形比较方波产生�？�3中的电压比较器产生方波信号并进行整形处理，产生相对应的方波信号送入电平转换�？�4。电平转换�？�4将整形比较方波产生�？�3的方波信号转换为以+3. 3V为高电平，OV为低电平的方波信号，并送入区间细分计数模块5中。区间细分计数�？�5接收到送入的方波信号后，根据特定的区间细分判断依据进行区间加减计数，并在DSP读取计数值时将当前区间计数值送入角度计算模块的数字信号处理器DSP中。转向判断模块6在接收到送入的方波信号后根据A、B两相方波的超前滞后关系判断出转子究竟是正转还是反转，并给出正反转的逻辑电平信号。角度计算�？�8在读取AD转换器送入的A、B两相电压数字量并将两者做除法得出正切值，同时读取对应的区间计数的值，利用反正切细分算法最终计算出对应的角度值。偏差分离计算�？�7根据所读取到A、B两相电压数字量计算出直流偏置、幅值偏差和相位偏移三种偏差，然后在角度计算�？�8中进行角度补偿计算，计算出角度值，得到更加精确的角度值。本细分装置的细分倍数主要受到所采用的正余弦编码器每旋转一周所输出的正余弦周波个数(与刻线数有关)和模数转换�？榈淖晃皇挠跋臁＜偕杷谜嘞冶嗦肫魑�256刻线(28细分)，正余弦模数转换�？�2采用12位AD采样芯片Q12细分)，由于在区间细分环节采用了 4倍频及反正切细分技术(23细分)，因此最终的角度细分为8+12+3 =23位的细分精度，细分的分辨率可以达到360° /223 = 0. 0000429°，由此可见通过细分算法的高速高精度细分装置可以在使用刻线不多的编码器下实现很高精度的角度测量。[0036]本实用新型所述的正余弦编码器细分装置具有以下优点该正余弦编码器细分装置通过设置正余弦模数转换模块2、采用现场可编程门阵列FPGA芯片的区间细分计数�？� 5和转向判断�？�6，以及采用DSP芯片的角度计算�？�8，使得该装置的细分速度高，最快可达IOOkHz的细分频率(每次细分时间)，并且具有较高的细分倍数。尤其在采用12位 AD数模转换器的前提下可以达到8388608倍的细分倍数。正余弦模数转换�？�7进行偏差实时补偿，使得正余弦编码器100输出信号的各种偏差在数据处理中被滤除，将进一步提高细分装置的精度。整个装置通过数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、高速模数转换器ADC的互相配合，实现了高速高精度的数据采集，高速的数据处理，高速高精度的数据输出。装置在一块电路板上实现所用功能，便于批量生产和安装，可广泛用于数控机床等对角度位置测量要求较高的领域。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求1.一种正余弦编码器细分装置，其特征在于所述的装置包括差分信号接收放大�？�(1)、正余弦模数转换�？�( 、整形比较方波产生�？镃3)、电平转换�？�、区间细分计数�？�(5)、转向判断�？�(6)、偏差分离计算�？�(7)、及角度计算�？�(8)，其中正余弦模数转换�？镺)、整形比较方波产生�？镃3)分别与差分信号接收放大�？�(1)连接；电平转换�？�(4)与整形比较方波产生�？镃3)连接；区间细分计数�？�(5)、转向判断�？� (6)分别与电平转换�？棰攘樱黄罘掷爰扑隳？�(7)与正余弦模数转换�？�(2)连接；角度计算模块(8)与区间细分计数�？�(5)、转向判断模块(6)、正余弦模数转换�？� O)、偏差分离计算模块(7)连接。
2.如权利要求1所述的正余弦编码器细分装置，其特征在于所述区间细分计数�？� (5)、转向判断�？�(6)均采用现场可编程门阵列FPGA芯片。
3.如权利要求1所述的正余弦编码器细分装置，其特征在于所述角度计算�？�(8) 与偏差分离计算模块(7)共用一个数字信号处理器DSP芯片。
4.如权利要求1所述的正余弦编码器细分装置，其特征在于所述正余弦模数转换�？�(2)采用高速模数转换器ADC。
专利摘要本实用新型涉及一种正余弦编码器细分装置，其中正余弦模数转换�？�、整形比较方波产生�？榉直鹩氩罘中藕沤邮辗糯竽？榱樱坏缙阶荒？橛胝伪冉戏讲ú？榱樱磺湎阜旨剖？�、转向判断�？榉直鹩氲缙阶荒？榱樱黄罘掷爰扑隳？橛胝嘞夷Ｊ荒？榱樱唤嵌燃扑隳？橛肭湎阜旨剖？�、转向判断模块、正余弦模数转换�？�、偏差分离计算�？榱印�
文档编号G01D5/26GK202041221SQ201120051859
公开日2011年11月16日 申请日期2011年3月2日 优先权日2011年3月2日
发明者刘新正, 李予全, 梁得亮, 邝俊生, 邱德锋 申请人:西安交通大学, 西安瑞特快速制造工程研究有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
