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一種硬件細(xì)分方法的研究與應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2012-01-30

中心議題:
  • 一種硬件細(xì)分方法的研究與應(yīng)用
解決方案:
  • 采取純硬件進(jìn)行細(xì)分的方法
  • 實(shí)現(xiàn)高倍頻細(xì)分

1 引 言


目前,各類伺服驅(qū)動(dòng)器及其應(yīng)用中廣泛采用光柵裝置作為速度測(cè)量、位置測(cè)量的敏感元件。而且,廣泛采用兩路正交方波的形式,系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求極高。因此,對(duì)于光柵編碼器的信號(hào)的細(xì)分等主要處理環(huán)節(jié),一方面集中考慮提高分辨率的問題,同時(shí),需要考慮實(shí)時(shí)性的問題。

盡管高速單片機(jī)、DSP等高速數(shù)字處理器件的應(yīng)用可以極大地改善系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,但是做除法運(yùn)算仍需較長(zhǎng)的時(shí)間,大約為幾百微秒,無(wú)法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求,因此,軟件細(xì)分的方法受到了限制。

目前,有很多采取純硬件進(jìn)行細(xì)分的方法,如,電阻鏈細(xì)分,空間細(xì)分,鎖相倍頻,還有兩種方法的結(jié)合使用等。上述幾種方法在實(shí)際應(yīng)用中被廣泛采用,特別是電阻鏈細(xì)分,在低倍頻的情況下是一種很好的方案。但是在高倍頻的情況下,不可避免地出現(xiàn)大量使用比較器的情況,以及比較器死區(qū)(滯后區(qū))問題,難以調(diào)節(jié)。空間細(xì)分的方法中,主要解決的問題是切割電平精準(zhǔn)的問題,其中的三角波切割三角波的方案有很多優(yōu)點(diǎn),可以改變使用過零比較造成的細(xì)分誤差。但是仍然存在大量使用比較器的問題,調(diào)節(jié)起來(lái)比較繁瑣。鎖相倍頻細(xì)分的方法,一方面,成本較前兩種高,另一方面,受環(huán)境溫度的影響比較大,實(shí)際的應(yīng)用中很少采用。本文從原理上考慮了一種新的細(xì)分方案,使用取絕對(duì)值,八卦限理論,利用ASIC器件(速度為納秒級(jí))對(duì)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理等一整套純粹硬件的信號(hào)細(xì)分方案,并通過調(diào)試和實(shí)際應(yīng)用,驗(yàn)證了該方案的可行性。

2 細(xì)分原理及框圖

細(xì)分主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成,取絕對(duì)值、提取卦限信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換、查細(xì)分表、邏輯運(yùn)算等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
濾波、放大、整形電路對(duì)于輸入原始信號(hào)sinx、cosx進(jìn)行初步處理,在幅值、對(duì)稱性、正交性等方面滿足后續(xù)電路的要求。取絕對(duì)值電路根據(jù)二極管截止導(dǎo)通特性,并結(jié)合基本運(yùn)算放大器的基本工作原理,設(shè)計(jì)硬件電路,使其uo=|ui|輸出,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的倍頻,兩路信號(hào)交錯(cuò)形成八個(gè)卦區(qū)以及相應(yīng)的卦限信號(hào)。

A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)絕對(duì)值信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化,如圖2所示:模擬多路開關(guān)在卦限控制信號(hào)的作用下,對(duì)絕對(duì)值信號(hào)進(jìn)行選擇,其輸出分別作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)和參考信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換受控于采樣控制信號(hào),其輸出數(shù)據(jù)與采樣時(shí)刻的相位信號(hào)對(duì)應(yīng)。
如果將該數(shù)據(jù)與相位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系用一張表來(lái)描述,就是我們所建立的細(xì)分表。但是由于細(xì)分倍數(shù)的不同,兩者之間并不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
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3 硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試

從原理上可以看出,該細(xì)分模塊的技術(shù)關(guān)鍵是比較器整形產(chǎn)生的卦限信號(hào)和A/D模塊產(chǎn)生的地址信號(hào)必須同步,這是能否正確細(xì)分的關(guān)鍵。因此,在電路設(shè)計(jì)過程中,比較器的滯后及其抗干擾能力是必須考慮和解決的問題。在抗干擾方面,采用差分放大,可以有效地抑制共模干擾。考慮其滯后問題,采用整形電路與取絕對(duì)值電路分離,可以通過調(diào)節(jié)各個(gè)運(yùn)放的直流參數(shù),使得卦限信號(hào)與絕對(duì)值信號(hào)能夠近似同步,否則,產(chǎn)生的細(xì)分方波將會(huì)在過零處變得混亂。如圖3所示,對(duì)其中sinx信號(hào)取絕對(duì)值及整形,這樣一來(lái),既方便了調(diào)試,也避免了干擾及比較器的滯后問題。
邏輯控制電路及運(yùn)算模塊主要完成對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊的采樣控制、讀存儲(chǔ)器(細(xì)分表)、運(yùn)算輸出細(xì)分正交方波等邏輯。整個(gè)模塊由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。外圍晶振提供10MHz的時(shí)鐘,由分頻模塊進(jìn)行分頻,實(shí)現(xiàn)周期為2μs(滿足系統(tǒng)最大500kHz的反饋要求)的脈沖列作為采樣控制信號(hào)。在A/D轉(zhuǎn)換模塊完成采樣轉(zhuǎn)換并且轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)/INT為低電平時(shí),此時(shí),卦限信號(hào)及地址信號(hào)在存儲(chǔ)器的地址信號(hào)線上有效,在FPGA內(nèi)部經(jīng)過邏輯判斷后,發(fā)出讀(/RD)命令。讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存后提供給后序運(yùn)算模塊,經(jīng)判斷運(yùn)算后輸出正交細(xì)分方波。

4 檢測(cè)及檢測(cè)結(jié)果
如圖4所示,我們搭建了細(xì)分檢測(cè)硬件平臺(tái),由標(biāo)定系統(tǒng)一維平轉(zhuǎn)臺(tái)和同軸的圓光柵編碼器構(gòu)成。數(shù)顯裝置顯示了標(biāo)定轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度,同時(shí),主機(jī)通過接口電路對(duì)細(xì)分方波進(jìn)行計(jì)數(shù)并顯示,經(jīng)過多次測(cè)量,兩顯示值之間的差e≤1,即,小于等于一個(gè)當(dāng)量,達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。同時(shí),通過伺服驅(qū)動(dòng)的一維平轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)及檢測(cè)機(jī)構(gòu)來(lái)定量地檢測(cè)分析細(xì)分誤差,初始位置:3′26.3″,末位置:2′50.7″,差值:3′26.3″-2′50.7″=35.6″,36.0″-35.6″=0.4″,結(jié)果如表1所示。
5 結(jié)束語(yǔ)

采用純硬件的手段可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求,采樣速度為2μs。同時(shí),采用該方法可以實(shí)現(xiàn)高倍頻細(xì)分,滿足大多數(shù)系統(tǒng)對(duì)于兩路正交反饋方波的需求,可以在光柵編碼器信號(hào)處理中采用。
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