磁性編碼器輸出信號(hào)電子細(xì)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(jié)露影響、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、響應(yīng)速度快（可達(dá) 500~700kHz），體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用磁性編碼器可將多個(gè)元件精確地排列組合從而構(gòu)成構(gòu)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(diǎn)，因而近年來在高精度測量和控制領(lǐng)域中的應(yīng)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(diǎn)而獨(dú)具優(yōu)勢，成為發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)品的關(guān)鍵之一。在磁性編碼器的研制生產(chǎn)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(diǎn)。

要提高編碼器的分辨力必須增加其磁極數(shù)，一方面會(huì)增加傳感器的成本，另一方面會(huì)因編碼器體積的增大而影響其應(yīng)用。因此對磁性編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行二次細(xì)分就顯得十分必要。

編碼器信號(hào)信分的方案主要分為硬件細(xì)分和軟件細(xì)分兩類。硬件細(xì)分雖然可以得到較快的響應(yīng)速度和實(shí)時(shí)輸出的細(xì)分信號(hào)，但要實(shí)現(xiàn)較高的分辨率需要較高的成本。軟件細(xì)分雖然在實(shí)時(shí)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(shè)定分辨率。

本文將探討利用成本較低的單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)磁性編碼器信號(hào)細(xì)分的算法和實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)輸出的方案。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：根據(jù)兩采樣點(diǎn)之間的機(jī)械角度和細(xì)分精度計(jì)算出兩個(gè)采樣點(diǎn)之間應(yīng)輸出的脈沖的數(shù)目，并在系統(tǒng)的控制下輸出，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)細(xì)分的目的。因此信號(hào)細(xì)分方案實(shí)際上是由旋轉(zhuǎn)機(jī)械角度的計(jì)算和細(xì)分脈沖的輸出控制兩部分組成的。

旋轉(zhuǎn)角度測量方案和硬件電路實(shí)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(hào)，編碼器每旋轉(zhuǎn)一周，可輸出8個(gè)連續(xù)的正弦波。由于電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周對應(yīng)360度的機(jī)械角度，因此每個(gè)正弦波對應(yīng)45度的機(jī)械角度，而每個(gè)正弦波又對應(yīng)360度的電角度，因此正弦波90度的電角度的變化量對應(yīng)磁性編碼器11.25度機(jī)械角度的變化。

編碼盤輸出的是兩路正交的正弦信號(hào)，而在正弦信號(hào)的一個(gè)單調(diào)區(qū)間中，信號(hào)的幅值和編碼器的機(jī)械位置是一一對應(yīng)的，于是可以通過測量信號(hào)的幅值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的角度信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對磁編碼信號(hào)的細(xì)分。

構(gòu)造近似三角函數(shù) ，構(gòu)造函數(shù)的波形如圖1所示。

由波形圖可以看出，新構(gòu)造的函數(shù)以90度的電角度為周期（對應(yīng)機(jī)械角度為11.25度）。如果相鄰兩采樣點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)，則可按照公式計(jì)算編碼器的機(jī)械位置；如果相鄰兩采樣點(diǎn)不在一個(gè)周期內(nèi)，則只需在式1的計(jì)算結(jié)果上加上N×11.25即可（N為兩采樣點(diǎn)之間的周期數(shù)）。采用這樣的構(gòu)造函數(shù)可以大大簡化程序設(shè)計(jì)，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

電路結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。兩路正弦信號(hào)通過編碼電路生成與正弦波相對應(yīng)的編碼信號(hào)，CPU可以根據(jù)編碼信號(hào)對信號(hào)的整數(shù)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。

由編碼器生成的編碼信號(hào)控制多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩路輸入信號(hào)之間的切換，以實(shí)現(xiàn)當(dāng) =N×90o（N=1，3，5，……）時(shí)互換兩路輸入信號(hào)的功能。采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器在CPU的控制下，對同一時(shí)刻的兩路正弦信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，并對采樣保持器保持的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)8255傳輸至CPU。

        圖2 信號(hào)細(xì)分硬件電路圖

細(xì)分方案軟件部分設(shè)計(jì)

電子細(xì)分方案軟件流程圖如圖2所示。

在脈沖的輸出控制上需要解決如下兩個(gè)問題：如何輸出細(xì)分脈沖以及如何控制細(xì)分脈沖的輸出速率。

編碼盤的轉(zhuǎn)速變化是連續(xù)的，不會(huì)發(fā)生突變，因此可以近似認(rèn)為在一段極短的時(shí)間內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定的，在此時(shí)間段內(nèi)也就完全可以按照等時(shí)間間隔輸出脈沖。假設(shè)電機(jī)的速度響應(yīng)時(shí)間為100毫秒，在恒定加速度下達(dá)到1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速，程序的執(zhí)行周期為3000微秒，在一個(gè)程序周期中，按勻速處理產(chǎn)生的角度誤差最大不超過0.27度，也就不會(huì)導(dǎo)致脈沖的誤輸出，完全可以保證精度要求。按照恒定速率在極短的時(shí)間內(nèi)輸出細(xì)分脈沖可以大大簡化程序設(shè)計(jì)，并可以大幅度提高系統(tǒng)的實(shí)習(xí)響應(yīng)性能。

由于細(xì)分脈沖數(shù)目必須要等到下一次采樣完成后才能確定，因此脈沖的輸出在時(shí)間上必然會(huì)滯后一個(gè)程序周期。如果設(shè)定程序執(zhí)行周期為3毫秒，按編碼盤每分鐘旋轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)輸出1000個(gè)細(xì)分脈沖計(jì)算，則輸出信號(hào)最多會(huì)產(chǎn)生50個(gè)脈沖的滯后，相當(dāng)于18o的機(jī)械角度誤差。如果編碼盤的轉(zhuǎn)速增加，該誤差會(huì)變得更大。同時(shí)，由于程序的執(zhí)行周期不是一個(gè)固定值，因此由此所產(chǎn)生的信號(hào)滯后也將是一個(gè)變化的值。如果等到下一次的采樣完成后才輸出脈沖，則細(xì)分誤差會(huì)比較大，且無法控制。因此細(xì)分脈沖不能等到應(yīng)輸出脈沖數(shù)目計(jì)算完成后才進(jìn)行。

為了解決以上兩個(gè)問題，可以采用定時(shí)中斷控制脈沖的輸出。首先根據(jù)需要輸出的脈沖數(shù)目計(jì)算出輸出脈沖的時(shí)間間隔，以此時(shí)間間隔作為定時(shí)時(shí)間常數(shù)控制細(xì)分脈沖的輸出。這樣一方面可以保證脈沖輸出和輸出脈沖計(jì)算的同步進(jìn)行；另一方面也可以通過定時(shí)器控制脈沖輸出的速率，從而使得細(xì)分脈沖在最大程度上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)輸出。

為了進(jìn)一步簡化程序設(shè)計(jì)，可以將程序執(zhí)行周期設(shè)定為固定值，采用定時(shí)程序?qū)Τ绦虻膱?zhí)行進(jìn)行監(jiān)控，以保證每一個(gè)程序的執(zhí)行周期都為設(shè)定值。這樣就可以建立查詢表格，根據(jù)應(yīng)輸出的細(xì)分脈沖的數(shù)目直接確定出對應(yīng)的定時(shí)時(shí)間常數(shù)。如此，將復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算程序簡化為簡單的查表程序，縮短了程序執(zhí)行周期，保證了細(xì)分脈沖輸出的實(shí)時(shí)性。

結(jié)論：

以上設(shè)計(jì)思想在編碼器信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均得以應(yīng)用，并成功實(shí)現(xiàn)了對編碼器輸出正弦波信號(hào)的1000細(xì)分，從實(shí)踐上證明了利用低成本的單片機(jī)系統(tǒng)完全可以在低分辨力的編碼器基礎(chǔ)上得到較高的分辨率。

參考文獻(xiàn)：
1、谷云彪等.提高光電編碼器分辨率的位置細(xì)分方法的研究.
2、電磁元件與特種器件，中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，1996年第4卷第2期
3、鄭遠(yuǎn)開等.高分辨率磁性編碼器.傳感器技術(shù)，1996年第5期
4、李懷瓊等.一種用軟件來實(shí)現(xiàn)的莫爾條紋數(shù)字化細(xì)分技術(shù). 計(jì)量技術(shù)
5、劉文文.高精度的光柵信號(hào)細(xì)分算法.應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，1999年第17卷第1期