正余弦編碼器細分技術研究

摘要：為提高正余弦編碼器的分辨率，提出用硬件細分的方法將512刻線的正余弦編碼器進行信號12倍頻，利用比較器和異或門搭建電路，將輸出信號倍頻12倍，該方法讀數迅速，能達到動態測量的要求，而且成本低。詳細分析其工作原理，用Saber軟件進行電路仿真。仿真結果表明該方法能使512 p／r分辨率的編碼器提高到6 144 p／r，在實際應用中得到了驗證。
關鍵詞：正余弦編碼器；倍頻；分辨率；Saber軟件

0 引言
隨著自動化技術的發展，各種傳感器廣泛應用于數控機床，機器人等伺服控制系統的位置檢測。目前常用的是高分辨率的光電編碼器、旋轉變壓器、正余弦編碼器。與其他系統相比，在提高動態特性方面，正余弦編碼器有獨特的優勢。正余弦編碼器輸出正余弦波形的A通道和B通道反饋，通過硬件或者軟件方法求其相應的角度。為了進一步提高分辨率，通常采用電子學細分，來提高信號的重復頻率。電子學細分有軟件細分和硬件細分，軟件細分采用高速單片機，DSP、FPGA高速數字處理器件，結合細分算法實現。硬件細分有電阻鏈細分、空間細分、鎖相倍頻。也有軟件和硬件方法結合使用。采用軟件細分方法時，編碼器轉軸轉速波動會影響其細分精度，系統的實時性達不到要求。基于以上問題，本文采用一種結構簡單并易于實現的硬件細分方法，將512刻線的正余弦編碼器的分辨率提高到6 144 p／r，并且轉換速率快，細分精度不受編碼器轉軸轉速波動影響，成本低容易實現。

1 細分原理
如圖1所示，在理想情況下，正余弦編碼器旋轉一周期輸出兩相正交的電壓信號(A相和B相)。

上述A，B相電壓信號可以表示為：
UA=Usinθ (1)
UB=Usin(θ+π／2) (2)
式中：U為正余弦編碼器輸出電壓信號幅值；θ為電壓信號相位角。
其細分原理是選擇式(1)，式(2)中θp對應的Up作為輸出計數脈沖的電壓參考點，當輸入信號的幅值U≥Up時，則輸出計數脈沖。當選擇不同的參考電壓時，編碼器轉過一定的角度并輸出固定的脈沖，將正余弦信號細分。
其設計思想是：編碼器正余弦信號經過電壓比較器，當U≥Up時，電壓比較器輸出1，當UUp時，電壓比較器輸出0。每經過一個Up，比較器便輸出一個計數脈沖。選擇p個不同的參考電壓，比較器便輸出p個不同的計數脈沖。由這p個計數脈沖便輸出一個p倍頻后的信號。本文要將信號細分12倍，則需要比較器輸出12個不同的計數脈沖，其方法是將2π分為12等份：