正余弦编码器的信号细分方法及细分装置、电机控制装置

【技术领域】

本发明涉及正余弦编码，尤其是涉及一种正余弦编码器的信号细分方法及 装置。

【背景技术】

高速、高精是电机控制的发展方向，而快速获取高精度的电流、速度信号 是保证高速、高精电机控制的关键手段。编码器是电机控制中最常用的速度反 馈装置，编码器反馈信号的精度很大程度上决定了电机控制的速度响应和精度。 常用的编码器有脉冲型增量式编码器、正余弦编码器和串行通信编码器。

正余弦编码器是一种输出正余弦模拟信号的编码器，其物理刻线分辨率一 般和脉冲型增量式编码器相当，输出信号为正余弦模拟信号。由于正余弦信号 的频谱较为单一，在长距离传输中相对于脉冲信号衰减小，因此较脉冲信号更 适合长距离传输。变频器对于正余弦编码器信号的处理方法一般有以下几种。

用硬件滞环电路将正余弦信号整形成脉冲信号，即将一个周期的正弦信号 整形成一个周期方波信号，得到2路正交的方波信号，送入DSP(数字信号处 理器)的QEP模块(正交解码模块)，得到速度信号。这种方法处理电路简单， 但是并没能提高分辨率，如1024线的正余弦编码器得到对应的还是1024个方 波脉冲。

为提高编码器的分辨率，需要将正余弦信号进行细分，从而实现高速、高 精控制。正余弦信号的细分方法可以分为硬件细分法和软件细分法。

硬件细分法用比较器电路实现细分，硬件细分法存在电路复杂、电路成本 高、灵活性不够等缺点；软件细分法一般采用DSP或者MCU，将正余弦信号进 行AD采样，将模拟量转换成数字量，然后按照幅值或者相位进行查表细分， 用DSP或者MCU进行细分，受处理速度限制仍然不能实现高速、可靠的细分。

随着FPGA(现场可编程逻辑陈列)的兴起，可以用软件的方法实现数字电 路的设计，因此也出现了用FPGA进行细分的方法，细分方法和用DSP或者 MCU(微处理器)基本一致，一般采用按照幅值或者相位查表进行细分，由于 FPGA具有很快的运行速度、很强的脉冲处理能力较DSP或者MCU细分具有 一定的优势。

按幅值细分的问题主要是随着频率提高或者距离增加，模拟量信号的幅值 会有一定的衰减，会导致细分的不准确，为提高细分的准确性，必须实时监测 模拟量的幅值并调整细分表的值，这样会大大增加细分的复杂程度。按相位进 行细分的方法，也存在细分区间交接处出现毛刺，造成细分波形异常、畸变等 问题，为提高细分的准确性，必须采用一定的误差修正手段，这些手段大多方 法复杂、实现困难。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种提高细分的准确性和可靠性，且相对简单的正余 弦编码器的信号细分方法。

一种正余弦编码器的信号细分方法，包括以下步骤：对正余弦模拟信号的 两路相位相差90度的输出信号采样，分别得到正余弦信号的采样值A和B；根 据所述采样值A和B判断角度θ所在的象限，具体为：A＞0、B＞0时在第一 象限；A＞0、B＜0时在第二象限；A＜0、B＜0时在第三象限；A＜0、B＞0 时在第四象限；根据正切函数和细分倍数将正余弦信号进行细分，并且在细分 点设置滞环区间，在0～45度范围内记录各个细分点对应的输出值得到细分表， 且使在滞环区间内输出值维持不变，所述正切函数的值u由下式决定：

$u=\left(\begin{array}{cc}\frac{\left|A\right|}{\left|B\right|},& \left|A\right|\le \left|B\right|\\ \frac{\left|B\right|}{\left|A\right|},& \left|A\right|>\left|B\right|\end{array}\right);$

根据角度θ所在的象限、采样值的绝对值的相对大小以及u值查找细分表输出0、 1值。

在优选的实施例中，还包括对采样值进行权值滤波的步骤，滤波后值Y由 上一次滤波后值Y’、滤波前值X以及各自的权值系数a、b决定：Y＝a*Y′+b*X。

在优选的实施例中，还包括在细分点设置滞环区间，当正切函数的值u在 滞环区间内时输出电平不变化，滞环区间宽度2ε根据细分倍数M以及预期的脉 冲宽度误差x％来设定，计算公式如下：

在优选的实施例中，还包括根据理想情况下落在一个电平区间的AD采样 个数d以及预期的脉冲宽度误差x％来设定滤波次数N的步骤，假设正余弦编码 器的线数为P，AD采样频率为Kc，细分倍数为M，电机转速为n转每分钟， 则理想情况下落在一个电平区间的AD采样个数d根据下式计算：

$d=\frac{\mathrm{Kc}*60}{P*n*M*2},$

则滤波次数N设定为不大于d*x％的整数；当采样值进入新的细分区间时，开 始进行计数，每采样一次，计数值加1，若计数次数小于设定的滤波次数，则保 持原来输出电平；计数次数大于等于设定的滤波次数则查细分表输出电平；采 样值离开此细分区间时，将此计数值清零。

在优选的实施例中，还采用高频脉冲对输出的方波信号进行高频采样滤波， 在设定的采样次数内，采样的电平中，若高电平的次数多于低电平的次数，则 方波信号输出高电平，若低电平的次数多于高电平的次数，则方波信号输出低 电平。

一种正余弦编码器的信号细分装置，包括：AD采样接口模块，用于接收 外部AD采样所得到的正余弦信号对应的采样值A和B；细分模块，根据所述 采样值A和B判断角度θ所在的象限，具体为：A＞0、B＞0时在第一象限；A ＜0、B＞0时在第二象限；A＜0、B＜0时在第三象限；A＞0、B＜0时在第四 象限；根据细分倍数将正余弦信号进行细分，并且在细分点设置滞环区间；在 0-45度范围内记录各个细分点对应的输出值，且使在滞环区间内输出值维持不 变；根据角度θ所在的象限、采样值的绝对值的相对大小以及正切值查表输出0、 1值；时钟模块，用于为各模块提供各自的工作时钟及同步信号；高频采样滤波 模块，采用高频脉冲对输出的方波信号进行高频采样滤波，在设定的采样次数 内，若采样的电平中，若高电平的次数多于低电平的次数，则方波信号输出高 电平，若低电平的次数多于高电平的次数，则方波信号输出低电平。

在优选的实施例中，还包括对采样值进行权值滤波的权值滤波模块，滤波 后值Y由上一次滤波后值Y’、滤波前值X以及各自的权值系数a、b决定： Y＝a*Y′+b*X。

在优选的实施例中，还包括在细分点设置滞环区间，当正切值在滞环区间 内时输出电平不变化，滞环区间宽度2ε根据细分倍数M以及预期的脉冲宽度误 差x％来设定，计算公式如下：

在优选的实施例中，所述细分模块还用于根据理想情况下落在一个电平区 间的AD采样个数d以及预期的脉冲宽度误差x％来设定滤波次数N，假设正余 弦编码器的线数为P，AD采样频率为Kc，细分倍数为M，电机转速为n转每 分钟，则理想情况下落在一个电平区间的AD采样个数d根据下式计算：

$d=\frac{\mathrm{Kc}*60}{P*n*M*2},$

则滤波次数N设定为不大于d*x％的整数；当采样值进入新的细分区间时，开 始进行计数，每采样一次，计数值加1，若计数次数小于设定的滤波次数，则保 持原来输出电平；计数次数大于等于设定的滤波次数则输出查表所得电平；采 样值离开此细分区间时，将此计数值清零。

一种电机控制装置，包括依次连接的用于对正余弦信号采样的AD采样电 路、上述的根据采样值对正余弦信号进行细分的细分装置以及与细分装置通信 连接的数字信号处理电路。

在优选的实施例中，所述细分模块为多个，且具有不同倍数的细分能力， 所述电机控制装置还包括细分倍数选择模块，所述细分倍数选择模块与数字信 号处理电路连接，接收数字信号处理电路发出的细分倍数信息，并根据所述细 分倍数信息选择相应的细分模块。

上述方法和装置采用正切函数来对正余弦信号进行角度细分，有效克服了 由于信号幅值衰减引起的细分误差；将θ值变换到0到45度范围内进行查表的 方法，简化了细分表和程序；在细分点设置了滞环区间，滞环滤波综合考虑了 编码器线数、AD采样速度、细分倍数、电机转速等因素，可以最大程度的避免 采样值在细分点附近的波动而导致输出在0、1之间来回变动的影响，大大减少 了细分的毛刺，提高了细分的稳定性；高频采样滤波模块能很好的抑制输出脉 冲的高频干扰。

【附图说明】

图1为一实施例的正余弦编码器的信号细分方法流程图；

图2为u-θ曲线；

图3为16倍细分时各角度范围对应的输出；

图4为一实施例的正余弦编码器的信号细分装置模块图；

图5为一实施例的电机控制装置模块图。

【具体实施方式】

正余弦编码器的信号细分方法是采用软件的方法提高编码器的分辨率的方 法。如图1所示，为一实施例的正余弦编码器的信号细分方法流程图。包括以 下步骤：

S110：对正余弦模拟信号的两路相位相差90度的输出信号采样分别得到正 余弦信号的采样值A和B。正余弦模拟信号具有两路相位相差90度的输出信号， 可以分别称为正弦信号和余弦信号。对这两路信号的采样是同时进行的模拟/数 字采样，采样得到的是离散值。例如正弦信号为Msin(wt+Ф)，余弦信号为 M cos(wt+Ф)，在采样时刻t₀，两路信号的采样值A为Msin(wt₀+Ф)，B为 Mcos(wt₀+Ф)。

S120：根据所述采样值A和B判断角度θ所在的象限，具体为：A＞0、B ＞0时在第一象限；A＞0、B＜0时在第二象限；A＜0、B＜0时在第三象限；A ＜0、B＞0时在第四象限。

角度θ即上述的wt+Ф，正弦函数和余弦函数是以360度为周期的周期函 数，且在0～360度之间：正弦函数在0～180度间为正值，180～360之间为负值； 余弦函数在0～90度之间、270～360度之间为正值，在90～270度之间为负值。

根据上述特性，可根据采样值A和B确定θ所在的象限，即θ所在的角度 范围。

S130：根据正切函数和细分倍数将正余弦信号进行细分，并且在细分点设 置滞环区间，在0～45度范围内记录各个细分点对应的输出值得到细分表，且使 在滞环区间内输出值维持不变。正弦信号除以余弦信号得到正切值，可以根据 下式来得到细分表，其曲线如图2所示。

$u=\left(\begin{array}{cc}\frac{\left|A\right|}{\left|B\right|},& \left|A\right|\le \left|B\right|\\ \frac{\left|B\right|}{\left|A\right|},& \left|A\right|>\left|B\right|\end{array}\right)$

在0～45度之间，u＝tanθ，此时u值与θ一一对应。根据细分倍数，将u 值与输出值(0或1)对应。例如若要将正余弦信号进行16倍细分，则在0～45 度之间有4个脉宽信号，如图3所示：

在0～11.25度之间，输出为0；

在11.25～22.5度之间，输出为1；

在22.5～33.75度之间，输出为0；以及

在33.75～45度之间，输出为1。

同时，分别在各细分点(11.25°、22.5°、33.75°、45°)设置滞环区间， 滞环区间的宽度为2ε。在此滞环区间内，不管采样值如何，将维持输出值不变。 例如在11.25°±ε的滞环区间内，原来的输出值为0，则输出即为0，即使根据 采样值判断角度θ已经进入11.25～22.5度之间。

S140：根据角度θ所在的象限、采样值的绝对值的相对大小以及u值查找 细分表输出0、1值。当角度超出45度时，需要借助上述步骤的结果来得到该 角度下应该输出的值。

例如θ为103度(在采样时，系统事先并不知道实际角度为多少)：

首先，采样值A为Msin103°＝0.97437M，采样值B为Mcos103°＝-0.22495M， 因此θ在第二象限。

其次，|A|＝0.97437M，|B|＝0.22495M，因此$u=\frac{\left|B\right|}{\left|A\right|}=0.23087.$

该正切值对应的0～45度之间的角度为13度，因此落在11.25～22.5度的区 间内，初步判断输出值取1。进一步地，若滞环区间11.25°±ε中的ε大于1.75 度，则输出值保持不变。

至此，已经可以将正余弦编码器的角度编码输出为0/1值，哪些角度范围对 应输出0，哪些角度范围对应输出1都根据细分倍数已经确定。由于上述实施例 中，采用正切函数来进行角度细分，因此可以提高细分倍数，从而提高正余弦 编码器的分辨率，同时因为在细分点设置了滞环区间，可以避免采样值在细分 点的波动而导致输出在0、1之间来回变动的影响，大大减少了细分的毛刺，提 高了细分的稳定性。

进一步地，本实施例的方法还包括对采样值进行权值滤波的步骤。滤波后 值Y由上一次滤波后值Y’、滤波前值X以及各自的权值系数a、b决定： Y＝a*Y′+b*X。模拟信号在传输的过程中，由于电磁干扰，电缆长度等会产生 毛刺和波形畸变，这样会使细分后的脉冲产生毛刺，权值滤波后波形会变得更 平滑，提高了细分效果。其中权值系数a、b可根据实验数值进行调整，以能平 滑波形为准。本实施例中优选a为1、b为2。

进一步地，本实施例的方法还包括根据理想情况下落在一个电平区间的AD 采样个数d以及预期的脉冲宽度误差x％来设定滤波次数N的步骤，假设正余弦 编码器的线数为P，AD采样频率为Kc，细分倍数为M，电机转速为n转每分 钟，则理想情况下落在一个电平区间的AD采样个数d根据下式计算：

$d=\frac{\mathrm{Kc}*60}{P*n*M*2},$

则滤波次数N设定为不大于d*x％的整数。

当采样值进入新的细分区间时，开始进行计数，每采样一次，计数值加1， 若计数次数小于设定的滤波次数，则保持原来输出电平；计数次数大于等于设 定的滤波次数则输出查表所得电平；采样值离开此细分区间时，将此计数值清 零。

上述的滞环区间可以完全抑制在滞环区间内的干扰影响，但是滞环区间不 可能设的很大，这样会影响细分的均匀性。如果有一两次大的毛刺越过了滞环， 那么采用上述的滤波方法就可以把毛刺滤掉。很显然滤波次数N越大滤波效果 越好，但同时也会造成输出脉冲的不均匀。采用上述公式选取的滤波次数N综 合考虑了AD采样速度、细分倍数、编码器线数等几个方面的因素，可以很好 抑制干扰对细分的影响。例如，正余弦编码器的线数为P＝2048，AD采样频率 为Kc＝400K，细分倍数为M＝16，电机转速为n＝10rpm。则

$d=\frac{\mathrm{Kc}*60}{P*n*M*2}=\frac{400*{10}^3*60}{2048*10*16*2}\approx 36$

若预期的脉冲宽度误差x％＝6％，则N取2。

上述滞环区间2ε的大小可根据下式计算：

如图4所示，为一实施例的正余弦编码器的信号细分装置100模块图。该 细分装置包括：AD采样接口模块110、权值滤波模块120、细分模块130、高频 采样滤波模块140以及时钟模块150。

AD采样接口模块110用于接收外部AD采样所得到的正余弦信号对应的采 样值A和B。

细分模块120根据所述采样值A和B判断角度θ所在的象限，具体为：A ＞0、B＞0时在第一象限；A＞0、B＜0时在第二象限；A＜0、B＜0时在第三 象限；A＜0、B＞0时在第四象限；根据细分倍数将正余弦信号进行细分，并且 在细分点设置滞环区间；在0-45度范围内记录各个细分点对应的输出值，且使 在滞环区间内输出值维持不变；根据角度θ所在的象限、采样值的绝对值的相 对大小以及正切值查表输出0、1值。

权值滤波模块130对脉冲波形进行平滑处理。滤波后值Y由上一次滤波后 值Y’、滤波前值X以及各自的权值系数a、b决定：Y＝a*Y′+b*X。本实施例 中，优选为a＝1，b＝2。

细分模块120还用于在细分点设置滞环区间，当正切函数的值u在滞环区 间内时输出电平不变化，滞环区间宽度2ε应该根据细分倍数M以及预期的脉冲 宽度误差x％来设定，计算公式如下：

细分模块120还用于根据理想情况下落在一个电平区间的AD采样个数d 以及预期的脉冲宽度误差x％来设定滤波次数N，假设正余弦编码器的线数为P， AD采样频率为Kc，细分倍数为M，电机转速为n转每分钟，则理想情况下落 在一个电平区间的AD采样个数d根据下式计算：

$d=\frac{\mathrm{Kc}*60}{P*n*M*2},$

则滤波次数N设定为不大于d*x％的整数。

高频采样滤波模块140，用于对输出的方波信号进行高频采样滤波，在设定 的采样次数内，若采样的电平中，若高电平的次数多于低电平的次数，则方波 信号输出高电平，若低电平的次数多于高电平的次数，则方波信号输出低电平。

时钟模块150由于为上述模块提供各自的工作时钟及同步。

如图5所示，为一实施例的电机控制装置。该电机控制装置包括依次连接 的用于对正余弦信号采样的AD采样电路200、上述的细分装置100以及与细分 装置通信连接的数字信号处理(DSP)电路300。

AD采样电路200对两路相位相差90度的输出信号采样，分别得到正余弦 信号的采样值A和B。

细分装置100对采样值进行处理后形成对正余弦信号的细分。

数字信号处理电路300接收细分装置100的编码数据进行处理或发出对细 分装置100的相关控制信息。

细分模块130为多个，且具有不同倍数的细分能力，例如8倍细分模块、 16倍细分模块等等。电机控制装置还包括细分倍数选择模块，所述细分倍数选 择模块与数字信号处理电路300连接，接收数字信号处理电路300发出的细分 倍数信息，并根据所述细分倍数信息选择相应的细分模块100。细分倍数选择模 块连接于细分装置100的权值滤波模块120和细分模块130之间，并通过总线 接口与数字信号处理电路300连接。

上述的细分装置100的各模块可集成于现场可编程逻辑阵列(FPGA)或者 复杂可编程逻辑器件(CPLD)中，便于快速构成系统。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。