一種硬件細分方法的研究與應用

對光柵傳感器原始信號進行細分是采用各類光柵器件進行高精度位置測量、角度測量過程中不可或缺的一個環節。細分方法多種多樣，針對各種現有的電子學細分方案并結合實際應用，本文采用純硬件查表、軌跡計數等方法，實現了針對測角傳感器信號的64倍頻，同時將其成功地應用于交流伺服的全閉環系統，極大地改善了系統的定位精度。
??? 關鍵詞：光柵傳感器，測量，細分

1　引　言
　　目前，各類伺服驅動器及其應用中廣泛采用光柵裝置作為速度測量、位置測量的敏感元件。而且，廣泛采用兩路正交方波的形式，系統的實時性要求極高。因此，對于光柵編碼器的信號的細分等主要處理環節，一方面集中考慮提高分辨率的問題，同時，需要考慮實時性的問題。
　　盡管高速單片機、DSP等高速數字處理器件的應用可以極大地改善系統的實時性，但是做除法運算仍需較長的時間，大約為幾百微秒，無法滿足系統實時性的要求，因此，軟件細分的方法受到了限制。
　　目前，有很多采取純硬件進行細分的方法，如，電阻鏈細分，空間細分，鎖相倍頻，還有兩種方法的結合使用等。上述幾種方法在實際應用中被廣泛采用，特別是電阻鏈細分，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，不可避免地出現大量使用比較器的情況，以及比較器死區（滯后區）問題，難以調節。空間細分的方法中，主要解決的問題是切割電平精準的問題，其中的三角波切割三角波的方案有很多優點，可以改變使用過零比較造成的細分誤差。但是仍然存在大量使用比較器的問題，調節起來比較繁瑣。鎖相倍頻細分的方法，一方面，成本較前兩種高，另一方面，受環境溫度的影響比較大，實際的應用中很少采用。本文從原理上考慮了一種新的細分方案，使用取絕對值，八卦限理論，利用ASIC器件（速度為納秒級）對信號進行邏輯運算和處理等一整套純粹硬件的信號細分方案，并通過調試和實際應用，驗證了該方案的可行性。
2　細分原理及框圖
　　細分主要由以下幾個部分構成，取絕對值、提取卦限信號、A／D轉換、查細分表、邏輯運算等。系統框圖如圖1所示。

　　濾波、放大、整形電路對于輸入原始信號sinx、cosx進行初步處理，在幅值、對稱性、正交性等方面滿足后續電路的要求。取絕對值電路根據二極管截止導通特性，并結合基本運算放大器的基本工作原理，設計硬件電路，使其uo＝｜ui｜輸出，實現對輸入信號的倍頻，兩路信號交錯形成八個卦區以及相應的卦限信號。
　　A／D轉換模塊對絕對值信號進行采樣轉化，如圖2所示：模擬多路開關在卦限控制信號的作用下，對絕對值信號進行選擇，其輸出分別作為A／D轉換的輸入信號和參考信號。A／D轉換受控于采樣控制信號，其輸出數據與采樣時刻的相位信號對應。
　　如果將該數據與相位之間的對應關系用一張表來描述，就是我們所建立的細分表。但是由于細分倍數的不同，兩者之間并不是一一對應關系。

3　硬件設計與調試
　　從原理上可以看出，該細分模塊的技術關鍵是比較器整形產生的卦限信號和A／D模塊產生的地址信號必須同步，這是能否正確細分的關鍵。因此，在電路設計過程中，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值電路分離，可以通過調節各個運放的直流參數，使得卦限信號與絕對值信號能夠近似同步，否則，產生的細分方波將會在過零處變得混亂。如圖3所示，對其中sinx信號取絕對值及整形，這樣一來，既方便了調試，也避免了干擾及比較器的滯后問題。
　　邏輯控制電路及運算模塊主要完成對A／D轉換模塊的采樣控制、讀存儲器（細分表）、運算輸出細分正交方波等邏輯。整個模塊由FPGA來實現。外圍晶振提供10MHz的時鐘，由分頻模塊進行分頻，實現周期為2μs（滿足系統最大500kHz的反饋要求）的脈沖列作為采樣控制信號。在A／D轉換模塊完成采樣轉換并且轉換結束信號／INT為低電平時，此時，卦限信號及地址信號在存儲器的地址信號線上有效，在FPGA內部經過邏輯判斷后，發出讀（／RD）命令。讀取的數據經鎖存后提供給后序運算模塊，經判斷運算后輸出正交細分方波。
4　檢測及檢測結果
　　如圖4所示，我們搭建了細分檢測硬件平臺，由標定系統一維平轉臺和同軸的圓光柵編碼器構成。數顯裝置顯示了標定轉臺實際轉過的角度，同時，主機通過接口電路對細分方波進行計數并顯示，經過多次測量，兩顯示值之間的差e≤1，即，小于等于一個當量，達到了設計目的。同時，通過伺服驅動的一維平轉臺系統及檢測機構來定量地檢測分析細分誤差，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″，結果如表1所示。

5　結束語
　　采用純硬件的手段可以滿足系統實時性的要求，采樣速度為2μs。同時，采用該方法可以實現高倍頻細分，滿足大多數系統對于兩路正交反饋方波的需求，可以在光柵編碼器信號處理中采用。

1　曾繁泰，陳美金．VHDL程序設計．北京：清華大學出版社，2001
2　徐志輝，徐光輝．CPLD／FPGA的開發與應用．北京：電子工業出版社，2002
3　張善鍾．計量光柵應用技術．北京：機械工業出版社，19844　Alice EFischer，David W Eggert．Applied C：An Intro－duction and More．北京：電子工業出版社，2002