正余弦编码器细分技术研究

摘要：为提高正余弦编码器的分辨率，提出用硬件细分的方法将512刻线的正余弦编码器进行信号12倍频，利用比较器和异或门搭建电路，将输出信号倍频12倍，该方法读数迅速，能达到动态测量的要求，而且成本低。详细分析其工作原理，用Saber软件进行电路仿真。仿真结果表明该方法能使512 p／r分辨率的编码器提高到6 144 p／r，在实际应用中得到了验证。
关键词：正余弦编码器；倍频；分辨率；Saber软件

0 引言
随着自动化技术的发展，各种传感器广泛应用于数控机床，机器人等伺服控制系统的位置检测。目前常用的是高分辨率的光电编码器、旋转变压器、正余弦编码器。与其他系统相比，在提高动态特性方面，正余弦编码器有独特的优势。正余弦编码器输出正余弦波形的A通道和B通道反馈，通过硬件或者软件方法求其相应的角度。为了进一步提高分辨率，通常采用电子学细分，来提高信号的重复频率。电子学细分有软件细分和硬件细分，软件细分采用高速单片机，DSP、FPGA高速数字处理器件，结合细分算法实现。硬件细分有电阻链细分、空间细分、锁相倍频。也有软件和硬件方法结合使用。采用软件细分方法时，编码器转轴转速波动会影响其细分精度，系统的实时性达不到要求。基于以上问题，本文采用一种结构简单并易于实现的硬件细分方法，将512刻线的正余弦编码器的分辨率提高到6 144 p／r，并且转换速率快，细分精度不受编码器转轴转速波动影响，成本低容易实现。

1 细分原理
如图1所示，在理想情况下，正余弦编码器旋转一周期输出两相正交的电压信号(A相和B相)。

上述A，B相电压信号可以表示为：
UA=Usinθ (1)
UB=Usin(θ+π／2) (2)
式中：U为正余弦编码器输出电压信号幅值；θ为电压信号相位角。
其细分原理是选择式(1)，式(2)中θp对应的Up作为输出计数脉冲的电压参考点，当输入信号的幅值U≥Up时，则输出计数脉冲。当选择不同的参考电压时，编码器转过一定的角度并输出固定的脉冲，将正余弦信号细分。
其设计思想是：编码器正余弦信号经过电压比较器，当U≥Up时，电压比较器输出1，当UUp时，电压比较器输出0。每经过一个Up，比较器便输出一个计数脉冲。选择p个不同的参考电压，比较器便输出p个不同的计数脉冲。由这p个计数脉冲便输出一个p倍频后的信号。本文要将信号细分12倍，则需要比较器输出12个不同的计数脉冲，其方法是将2π分为12等份：