本實用新型涉及一種編碼器(Encoder)，尤其是涉及一種高速高精機床主軸、電主軸磁感應(yīng)增量型總線式編碼器，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人、電梯和工業(yè)自動化等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

編碼器是一種用來檢測角度、位置、速度和加速度的感測器，是把機械旋轉(zhuǎn)的角位移或直線位移進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用于通訊、傳輸和存儲的電信號形式的設(shè)備，是機械與電子緊密結(jié)合的精密測量器件，廣泛應(yīng)用于電機、汽車、風(fēng)電、機器人等眾多領(lǐng)域。從測量功能上，編碼碼器可分為增量值編碼器(也叫增量型編碼器)和絕對值編碼器。從測量原理上，編碼器包括光電編碼器和磁感應(yīng)編碼器。

增量值編碼器用于提供當(dāng)前位置相對于前一位置的信息，不具有記憶當(dāng)前絕對位置的功能。當(dāng)機電設(shè)備斷電時，假若機械位置因外力移動或轉(zhuǎn)動而改變，導(dǎo)致位置產(chǎn)生偏移，而當(dāng)機電設(shè)備重新啟動時，增量值編碼器將無法判斷當(dāng)前位置的信號與斷電前所記錄的位置信號是否相同，因而必須調(diào)整編碼器進(jìn)行回零的操作。絕對值編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。當(dāng)機電設(shè)備斷電后再復(fù)電時，絕對值編碼器能夠即時讀取當(dāng)前轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度或絕對位置。

在工業(yè)生產(chǎn)中，廣泛應(yīng)用的編碼器多為光電式，其工作原理是：LED光源和聚光鏡提供穩(wěn)定的光柵衍射條紋的光源；掃描掩膜和測量基準(zhǔn)的柵狀結(jié)構(gòu)相同或者相似，當(dāng)兩者狹縫對齊時有光線透過，兩者刻線對齊時光線無法通過，兩者相對運動時光電池感應(yīng)到的光強就發(fā)生強弱交替變化，這種交替變化是呈三角波形式，但是由于光柵的衍射效應(yīng)這種交替變化實際上呈正弦波形式。正余弦編碼信號指用兩路相位差為90度的正弦信號加載位置信息的編碼器信號。光電編碼器既可檢測角度位移，又可在機械轉(zhuǎn)換裝置幫助下檢測直線位置，具有低慣量、低噪聲、高精度、高分辨率等優(yōu)點，缺點是對環(huán)境適應(yīng)性差，對于濕氣、塵埃、油污和溫度變化的抵抗能力較弱，實際應(yīng)用中需做密封處理；此外，光電編碼器光柵盤多為玻璃材質(zhì)，在繞軸高速旋轉(zhuǎn)時，容易因軸振動、沖擊等外部環(huán)境的影響，使得光柵盤碎裂。

當(dāng)光電編碼器在機床主軸上使用時，其第一位置反饋光電編碼器與第二位置反饋光電編碼器均不能直接和機床主軸連接，通常以同步輪、皮帶等機械傳動機構(gòu)與機床主軸間接連接，其傳動過程為：內(nèi)裝第一位置編碼器的主軸伺服電機帶動皮帶運動，皮帶帶動機床主軸運動，機床主軸帶動同步輪旋轉(zhuǎn)，同步輪帶動第二位置編碼器旋轉(zhuǎn)，因而整個機械傳動結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致伺服電機最高轉(zhuǎn)速較低。配套CNC數(shù)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對精度要求不高的螺紋加工、剛性攻絲、主軸定向和刀庫換刀等功能。若長時間運行，由于承受負(fù)荷較大，皮帶、同步帶的彈性變形、熱脹冷縮以及磨損等，使得數(shù)控機床整體加工精度會越變越差。

當(dāng)機床主軸對定位精度要求較高時，第一位置反饋需要用到17位或更高分辨率的光電編碼器，第二位置反饋將用到磁阻、磁柵等高精度編碼器，同時第二位置反饋主軸編碼器和機床主軸要直連，以減小傳動誤差。電主軸實現(xiàn)了主軸電機與機床主軸的一體化，將高精度編碼器與機床主軸直連，在減小傳動裝置帶來的誤差同時，大幅提高了加工、定位精度，并且具有一系列優(yōu)良傳動特性，是一種可滿足高速高精加工要求的理想傳動方式。

對采用數(shù)字位置和速度控制技術(shù)的電機驅(qū)動，高精度正余弦編碼器可提供1Vpp電平信號的正弦增量信號，信號質(zhì)量高從而在后續(xù)信號處理電路中進(jìn)行高倍頻插補細(xì)分成為可能。例如，若對每圈512個信號周期的旋轉(zhuǎn)編碼器在后續(xù)信號處理電路中進(jìn)行4096倍細(xì)分，就能在一圈內(nèi)產(chǎn)生2百萬個測量步距或線數(shù)，相當(dāng)于21位的分辨率。即使轉(zhuǎn)速達(dá)到24000轉(zhuǎn)/秒，信號到達(dá)控制系統(tǒng)輸入電路時的頻率也只有約200KHz。1Vpp的正弦增量信號由于輸出的頻譜成分比較單一，與方波相比可以傳輸較遠(yuǎn)的距離而不衰減或者畸變，允許的電纜長度可達(dá)150米。

除了光電編碼器，磁感應(yīng)編碼器也廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。磁感應(yīng)編碼器基于磁傳感器，而磁傳感器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中，以感應(yīng)磁場強度及其分布來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的傳感器用于測量磁場和其他參數(shù)，例如采用霍爾(Hall)元件、各向異性磁電阻(Anisotropic MagnetoResistance，AMR)元件、巨磁電阻(Gaint MagnetoResistance，GMR)元件、隧道磁電阻TMR(Tunnel MagnetoResistance)元件為測量敏感元件的磁傳感器。相比于其它磁性傳感元件，TMR元件具備微功耗、分辨率高、動態(tài)范圍大、優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和極高的靈敏度等優(yōu)點。

在高速、高精度、高動態(tài)性能要求的伺服系統(tǒng)中，通常采用輸出正余弦信號的磁傳感器檢測元件，用于位置和速度反饋。其輸出信號包括周期性的正余弦(SINE、COSINE)正交差分信號，每旋轉(zhuǎn)一周也輸出一路參考零點(INDEX)差分信號，當(dāng)機電設(shè)備啟動時，雖能經(jīng)過后續(xù)信號處理電路進(jìn)行高倍頻插補細(xì)分，但并不能即時讀取當(dāng)前轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的絕對位值，直到轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)經(jīng)過參考零點信號后，才能得到當(dāng)前轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的絕對位值。如果采用傳統(tǒng)脈沖串的方式傳輸信號，一方面隨著位置測量裝置分辨率和精度的提高，其輸出線數(shù)越來越大，在電機高速運轉(zhuǎn)情況下，對后續(xù)控制裝置接口要求較高，容易出現(xiàn)高頻部分傳輸誤計數(shù)，從而影響數(shù)控裝置反饋控制；另一方面，脈沖串輸出距離有限，容易受到工業(yè)環(huán)境的電磁干擾，不適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場的高速傳輸。為了提高位置反饋精度和高速可靠地傳輸位置數(shù)據(jù)，在數(shù)控系統(tǒng)中，位置測量裝置與控制裝置之間采用數(shù)字串行總線式通信裝置，由控制端單元和測量端單元通過通信電纜連接構(gòu)成，與TTL電平和正余弦脈沖串方式相比，串行總線式傳輸方式提高了抗干擾能力，具有更高的可靠性和實時性，同時可選擇傳輸增量位置值或者絕對位置。

目前，磁感應(yīng)編碼器的安裝定位方式非常粗糙，讀取頭的定位基準(zhǔn)面是平面。在安裝時，利用定位工裝很難保證磁感應(yīng)讀取頭中心、量測齒輪、機床主軸安裝的同心度，同時，讀取頭的定位基準(zhǔn)面和量測齒輪圓周切面相互平行、讀取頭與量測齒輪之間的距離的保證也很困難，從而導(dǎo)致讀取頭實際安裝的精準(zhǔn)性和一致性很差，進(jìn)而大大降低了磁感應(yīng)編碼器的控制精度。

此外，磁感應(yīng)正余弦編碼器在工程應(yīng)用中，由于受到齒盤加工工藝、電源波動、環(huán)境溫度變化、讀取頭磁感應(yīng)芯片的非線性等因素的影響，位置檢測元件磁感應(yīng)芯片輸出的正余弦信號常伴有直流偏置誤差、幅值誤差和正交相位誤差、諧波分量誤差、噪聲誤差等，這些誤差直接影響到伺服控制系統(tǒng)的精度和可靠性。如何對正余弦編碼器輸出的角位置信號誤差進(jìn)行有效的修正和補償，采用合適的插值方法從正余弦信號中提取出高分辨率的位置信息，以滿足伺服系統(tǒng)的高速度、高精度控制要求具有重要的研究和應(yīng)用價值。

于2016年3月9日公開的中國發(fā)明專利申請，專利申請?zhí)枮?01511029653.3，公開號為CN105387879A，公布了大中心孔軸向充磁結(jié)構(gòu)的絕對位值磁編碼器，為一種磁環(huán)式編碼器，其中所采用的磁環(huán)式編碼盤是由鐵磁性物質(zhì)粉末和作為粘結(jié)劑用的塑性物質(zhì)通過注塑、壓鑄或鑄造等工藝加工成型的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，受制于材料的均勻性，且磁化位置也難精準(zhǔn)控制，使得編碼盤上磁矩大小、強弱及均勻性較難進(jìn)一步得到提高，而且在工程應(yīng)用過程中，由于編碼盤上磁極暴露在外，容易吸附飛塵和細(xì)小鐵屑而給檢測帶來誤差。隨著電機加工溫度的上升，熱傳導(dǎo)的編碼盤溫度特性將是不得不考量的因素，編碼盤會有磁性衰減，造成波形精度惡化，近而影響加工精度。

于2015年4月29日公告的中國實用新型專利，專利申請?zhí)枮?01420861460.9，公告號為CN204301754U，公開了齒輪旋轉(zhuǎn)編碼器，其輸出信號分為A路、B路和Z路，以模擬信號或方波的形式輸出，并不具備總線式數(shù)據(jù)輸出能力；其感應(yīng)讀頭和齒輪之間的間隙為0.1至0.15mm，間隙太小，機械安裝要求過于苛刻，導(dǎo)致安裝調(diào)試耗費大量工時；其內(nèi)部有程序處理芯片，需要通過電腦軟件調(diào)試信號參數(shù)，并將程序?qū)懭氤绦虼鎯ζ鬟M(jìn)行保存，非智能操控，手動調(diào)整十分繁瑣，費時費力，且產(chǎn)品一致性不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中編碼器控制精度及可靠性較低的技術(shù)問題，本實用新型提供一種適用于高速高精機床主軸、電主軸磁感應(yīng)增量型總線式編碼器，該編碼器應(yīng)用齒輪感應(yīng)磁力線工作原理，對量測齒輪進(jìn)行非接觸式掃描，產(chǎn)生高可靠性正余弦正交差分信號和參考零點差分信號，使用FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件，實現(xiàn)對正余弦信號的高精度插補細(xì)分，并結(jié)合參考零點比較器電路，從而在編碼器內(nèi)部分別生成相對于上電時刻的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的高線數(shù)相對位置值和相對于參考零點信號的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的高線數(shù)絕對位置值，在減少復(fù)雜機械傳動機構(gòu)的同時，大幅提高了機床主軸的定位、重復(fù)定位精度，從而提升了數(shù)控機床的整體量測精度和加工效率。

本實用新型高速高精機床主軸、電主軸磁感應(yīng)增量型總線式編碼器，包括套裝在機床主軸、電主軸上且隨機床主軸、電主軸同步旋轉(zhuǎn)的量測齒輪和與量測齒輪配合使用的磁感應(yīng)讀取頭；所述量測齒輪設(shè)有正余弦正交差分信號輸出磁道和參考零點差分信號輸出磁道；磁感應(yīng)讀取頭內(nèi)設(shè)有磁感應(yīng)元器件、信號調(diào)理電路、參考零點比較器電路及FPGA插補細(xì)分電路，磁感應(yīng)元器件與量測齒輪圓周正相切安裝；所述磁感應(yīng)元器件對量測齒輪進(jìn)行非接觸式掃描所產(chǎn)生的正余弦正交差分信號和參考零點差分信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路后，由FPGA插補細(xì)分電路對其直流偏置誤差、幅值誤差和正交相位誤差進(jìn)行實時的修正和補償，并結(jié)合參考零點比較器電路，從而分別生成相對于上電時刻的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的相對位置值和相對于參考零點信號的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的絕對位置值。

優(yōu)選地，所述FPGA插補細(xì)分電路包括直流偏置誤差補償模塊、幅值誤差補償模塊、正余弦信號最值模塊、存儲模塊、乘法倍頻模塊、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊及轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度生成模塊，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度生成模塊與參考零點比較器電路、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊連接，直流偏置誤差補償模塊、幅值誤差補償模塊、乘法倍頻模塊及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊依次連接，正余弦信號最值模塊分別與直流偏置誤差補償模塊、幅值誤差補償模塊、存儲模塊連接，正余弦信號最值模塊用于求取正余弦信號的采樣最大值和最小值，存儲模塊用于存儲直流偏置誤差補償模塊、幅值誤差補償模塊、正余弦信號最值模塊的運算結(jié)果。

優(yōu)選地，所述乘法倍頻模塊包括正余弦信號乘法模塊、正余弦信號移相模塊、調(diào)整電路模塊，其中正余弦信號乘法模塊設(shè)有兩個，一個正余弦信號乘法模塊的輸入端與幅值誤差補償模塊連接，輸出端與調(diào)整電路模塊連接；另一個正余弦信號乘法模塊的輸入端通過正余弦信號移相模塊與幅值誤差補償模塊連接，輸出端與調(diào)整電路模塊連接，調(diào)整電路模塊與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊連接。

優(yōu)選地，所述直流偏置誤差補償模塊和幅值誤差補償模塊分別推導(dǎo)出正余弦信號的直流偏置誤差和幅值誤差；然后利用乘法倍頻模塊通過移相、乘法倍頻將正交相位誤差轉(zhuǎn)變成直流偏置誤差和幅值誤差，經(jīng)調(diào)整電路模塊去除直流偏置誤差及調(diào)整幅值后，用二倍頻的兩路正余弦信號作為原始信號在坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊內(nèi)再進(jìn)行插補細(xì)分；所述坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊計算反正切，求取相位值，得出轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度當(dāng)前位置值，即相對于上電時刻的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的相對位置值；所述信號調(diào)理電路對參考零點差分信號放大整形、濾波后生成單端信號，進(jìn)入?yún)⒖剂泓c比較器電路，轉(zhuǎn)換成高低電平的數(shù)字信號，最后輸入轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度生成模塊，生成相對于參考零點信號的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的絕對位置值。

所述存儲模塊為位于FPGA片內(nèi)的FLASH ROM，F(xiàn)PGA插補細(xì)分電路調(diào)用FLASH ROM所存儲的直流偏置誤差補償模塊、幅值誤差補償模塊運算結(jié)果，以實現(xiàn)FPGA程序自動重新校準(zhǔn)和對誤差的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

優(yōu)選地，所述磁感應(yīng)讀取頭的安裝側(cè)面與量測齒輪側(cè)面處于同一平面；磁感應(yīng)讀取頭的殼體底部設(shè)有便于安裝的對稱突起，對稱突起高度一致以實現(xiàn)磁感應(yīng)元器件和量測齒輪圓周正相切安裝，即實現(xiàn)磁感應(yīng)元器件中心、量測齒輪、機床主軸安裝的同心度。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下優(yōu)點和積極的技術(shù)效果：

1、本實用新型編碼器采用一種具有超高靈敏度、精度及反應(yīng)速度，并且與量測齒輪配合具有更高優(yōu)越特性的磁電阻傳感器，應(yīng)用齒輪感應(yīng)磁力線工作原理，對量測齒輪進(jìn)行非接觸式掃描，產(chǎn)生高可靠性正余弦信號和參考零點信號，使用FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件，對ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器件采樣的正余弦信號直流偏置誤差、幅值誤差和正交相位誤差進(jìn)行實時的修正和補償，并采用將誤差參數(shù)寫入FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件片內(nèi)FLASH ROM保存并調(diào)用的方式，進(jìn)行FPGA程序上電自動重新校準(zhǔn)和對誤差的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對正余弦信號的高精度插補細(xì)分，并結(jié)合參考零點比較器電路，從而在編碼器系統(tǒng)內(nèi)部分別生成相對于上電時刻的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的高線數(shù)相對位置值和相對于參考零點信號的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的高線數(shù)絕對位置值，實現(xiàn)了對正余弦信號的各種誤差自動校準(zhǔn)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，提高了編碼器的精度和可靠性，且無需人工調(diào)試完全自動化操作，極大的提高了生產(chǎn)效率。本實用新型編碼器能夠在快速鉆孔、快速換刀及連續(xù)性攻牙等工況中，始終保持穩(wěn)定性的加工、定位、控制精度；結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、易安裝且抗沖擊能力及環(huán)境適應(yīng)性強，可靠性高、抗振動、高頻響、高精度，在減少復(fù)雜機械傳動機構(gòu)的同時，大幅提高了機床主軸的定位、重復(fù)定位精度，從而提升了數(shù)控機床的整體量測精度和加工效率。

2、采用串行總線式傳輸方式，提高了抗干擾能力，具有更高的可靠性和實時性，檢測精度高并能進(jìn)行高速響應(yīng)。磁感應(yīng)增量型總線式編碼器信號通過RS485或者RS422總線接口輸出，可兼容BISS、SSI等串行通信協(xié)議，并能在轉(zhuǎn)速達(dá)20000轉(zhuǎn)/分鐘及以上的條件下測定絕對位置。磁感應(yīng)讀取頭選用了高精度的傳感芯片，應(yīng)用齒輪感應(yīng)磁力線工作原理，可以識別位于芯片正下方量測齒輪的角度位置，實現(xiàn)高精度，高可靠性檢測。

3、大口徑空心軸安裝，無需復(fù)雜的機械傳動結(jié)構(gòu)，不需要自帶任何軸承，也不需要任何的機械聯(lián)軸器，量測齒輪直接套裝在機床主軸、電主軸上且隨機床主軸、電主軸同步旋轉(zhuǎn)。將高精度編碼器與機床主軸、電主軸直連，在減小傳動裝置帶來的誤差同時，大幅提高了加工、定位精度，解決了光電編碼器高速旋轉(zhuǎn)對軸向竄動和徑向跳動敏感等問題，提高了產(chǎn)品的適應(yīng)性，并且具有一系列優(yōu)良傳動特性，特別適用于機床主軸、電主軸高速高精加工場合。

4、用量測齒輪做編碼盤相比于磁環(huán)式編碼盤具有更大的優(yōu)勢，其可塑性好，便于加工、均勻性好，尺寸精度更好控制，滿足不同的應(yīng)用場合，更最重的是經(jīng)磁電阻傳感器產(chǎn)生的正余弦信號波形精度高，一致性好。

5、磁感應(yīng)編碼器機械結(jié)構(gòu)簡化堅固，量測齒輪和磁感應(yīng)讀取頭之間采用非接觸、無磨損設(shè)計，具有抗振動、抗腐蝕、抗污染和寬工作溫度的特性，響應(yīng)速度快，能適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)運動，可應(yīng)用于光電編碼器不能適應(yīng)的領(lǐng)域，精度高，壽命長，直接傳動機械誤差小，且沒有機構(gòu)背隙問題。

6、磁感應(yīng)讀取頭結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)計堅固、抗沖擊能力強、防護(hù)等級高，可達(dá)IP68，環(huán)境適應(yīng)性好，工作性能穩(wěn)定可靠、定位精準(zhǔn)、安裝容易且使用操作簡便。

附圖說明

圖1為本實用新型高速高精機床主軸、電主軸磁感應(yīng)增量型總線式編碼器整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型磁感應(yīng)讀取頭的電路原理框圖；

圖3為本實用新型FPGA插補細(xì)分電路的原理框圖；

圖4A為本實用新型量測齒輪的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4B為本實用新型量測齒輪的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實用新型BISSC串行通信協(xié)議時序波形圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合實施例和說明書附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例

參見圖1，本實用新型高速高精機床主軸、電主軸磁感應(yīng)增量型總線式編碼器包括套裝在機床主軸、電主軸上且隨機床主軸、電主軸同步旋轉(zhuǎn)的鐵磁性量測齒輪1，以及與量測齒輪1配合使用的磁感應(yīng)讀取頭2。所述量測齒輪1設(shè)有一個用于安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上的中心孔11；所述磁感應(yīng)讀取頭2安裝在量測齒輪1的外側(cè)上方，磁感應(yīng)讀取頭的安裝側(cè)面26與量測齒輪的側(cè)面12處于同一平面，并調(diào)整磁感應(yīng)讀取頭2與量測齒輪1之間的間隙為0.1至0.3mm。

如圖2，磁感應(yīng)讀取頭的電路部分封裝在金屬殼體21內(nèi)，包括第一電路板22、磁鋼23、電連接件24、第二電路板25，第一電路板22上設(shè)置有配合磁鋼對磁場強度變化情況進(jìn)行實時檢測的磁感應(yīng)元器件；第二電路板25上設(shè)置有與磁感應(yīng)元器件電連接的信號調(diào)理電路，以及ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、參考零點比較器電路、FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯器件)插補細(xì)分電路和輸入輸出接口電路，其中信號調(diào)理電路分別與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、參考零點比較器電路連接，F(xiàn)PGA(現(xiàn)場可編程邏輯器件)插補細(xì)分電路分別與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、參考零點比較器電路、輸入輸出接口電路連接，并從輸入輸出接口電路上引出輸入輸出接口端子。磁感應(yīng)元器件產(chǎn)生正余弦(A、B)正交差分信號和參考零點(Z)差分信號，正余弦(A、B)正交差分信號經(jīng)信號調(diào)理電路放大、濾波處理后，進(jìn)入ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的單端正余弦信號，最后由FPGA插補細(xì)分電路進(jìn)行處理；而參考零點(Z)差分信號經(jīng)信號調(diào)理電路放大并整理成單端信號后，進(jìn)入?yún)⒖剂泓c比較器電路，轉(zhuǎn)換成高低電平的數(shù)字信號，送入FPGA插補細(xì)分電路進(jìn)行處理。磁感應(yīng)讀取頭2的金屬殼體21采用銅合金或者鋁合金材質(zhì)，包括缸體27和扣裝在缸體27正上方的上蓋28，缸體27與上蓋28之間通過螺釘或固體膠進(jìn)行連接，并進(jìn)行電子灌封膠密封，磁感應(yīng)讀取頭的電路部分置于缸體與上蓋構(gòu)成的密封腔內(nèi)，其外側(cè)裝有金屬防水接頭與輸入輸出接口電路電連接，實現(xiàn)增量型總線式當(dāng)前位置信號的輸出。

所述磁感應(yīng)元器件為SMRE(Semiconductor MagnetoResistive Element)半導(dǎo)體磁電阻元件或TMR(Tunnel MagnetoResistance)隧道磁電阻傳感器。磁電阻傳感器芯片性能優(yōu)越，具有極高的磁場梯度靈敏度，可以檢測微小的磁場變化，輸出信號具有良好的溫度穩(wěn)定性，其采用推挽式惠斯通電橋設(shè)計，對外加磁場沿傳感器敏感方向的梯度值提供差分電壓輸出，并產(chǎn)生兩路具有精確相位差的正交電壓輸出信號，用以檢測量測齒輪轉(zhuǎn)動的位置和方向。配合磁感應(yīng)編碼器定位安裝工藝和電路板焊接生產(chǎn)工藝，比如磁感應(yīng)芯片管腳焊盤的設(shè)計等，保證正余弦信號正交相位誤差在合理的限定范圍內(nèi)。

工作中，機床主軸、電主軸帶動量測齒輪旋轉(zhuǎn)，磁感應(yīng)讀取頭第一電路板上的磁感應(yīng)元器件配合磁鋼，應(yīng)用齒輪感應(yīng)磁力線工作原理，對量測齒輪進(jìn)行非接觸式掃描，產(chǎn)生高可靠性正余弦正交差分信號和參考零點差分信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路，對差分信號進(jìn)行放大、整形，并濾除高頻雜波，使用FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件對ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣的正余弦信號直流偏置誤差、幅值誤差和正交相位誤差進(jìn)行實時的修正和補償，并將誤差參數(shù)寫入FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件片內(nèi)FLASH ROM保存并上電調(diào)用，實現(xiàn)對正余弦信號的高精度插補細(xì)分，并結(jié)合參考零點比較器電路，從而在編碼器系統(tǒng)內(nèi)部分別生成相對于上電時刻的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的高線數(shù)相對位置值和相對于參考零點信號的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的高線數(shù)絕對位置值。

本實用新型使用FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件，對ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣的正余弦信號直流偏置誤差、幅值誤差和正交相位誤差進(jìn)行實時的修正和補償，實現(xiàn)對正余弦信號的高精度插補細(xì)分，原理框圖如圖3所示，包括直流偏置誤差補償模塊、幅值誤差補償模塊、正余弦信號最值模塊、存儲模塊、乘法倍頻模塊、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊及轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度生成模塊，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度生成模塊與參考零點比較器電路、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊連接，直流偏置誤差補償模塊、幅值誤差補償模塊、乘法倍頻模塊及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊依次連接，正余弦信號最值模塊分別與直流偏置誤差補償模塊、幅值誤差補償模塊、存儲模塊連接，存儲模塊用于存儲直流偏置誤差補償模塊、幅值誤差補償模塊、正余弦信號最值模塊的運算結(jié)果。乘法倍頻模塊包括正余弦信號乘法模塊、正余弦信號移相模塊、調(diào)整電路模塊，其中正余弦信號乘法模塊設(shè)有兩個，一個正余弦信號乘法模塊的輸入端與幅值誤差補償模塊連接，輸出端與調(diào)整電路模塊連接；另一個正余弦信號乘法模塊的輸入端通過正余弦信號移相模塊與幅值誤差補償模塊連接，輸出端與調(diào)整電路模塊連接，調(diào)整電路模塊與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊連接。

磁感應(yīng)元器件輸出的正余弦正交差分信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路，對正交差分信號進(jìn)行放大、整形處理，并濾除高頻雜波和偶次諧波。使用ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對正弦波信號和余弦波信號進(jìn)行高速實時同步采集，并由FPGA進(jìn)行數(shù)字濾波，濾波方法為：連續(xù)采集八次數(shù)據(jù)，去除最大的兩個采樣值、最小的兩個采樣值，取余下四個采樣值的平均值做為當(dāng)前波形采樣值。采用此種數(shù)字濾波方法，很好的去除了采樣數(shù)據(jù)的抖動、跳變和干擾。

由于受到量測齒輪加工工藝、電源波動、環(huán)境溫度變化等因素影響，單周期正余弦信號的采樣最大值和最小值每時每刻都會有數(shù)據(jù)抖動，量測齒輪旋轉(zhuǎn)一圈采樣的正余弦信號的最大值和最小值每時每刻也都會有數(shù)據(jù)抖動，為了平滑數(shù)據(jù)抖動帶來的細(xì)分誤差，采取如下方法進(jìn)行處理：電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)經(jīng)過參考零點信號后，啟動正余弦信號最值模塊，電機轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一圈經(jīng)過參考零點信號時，記數(shù)正弦信號一個最大值、一個最小值，余弦信號一個最大值、一個最小值，連續(xù)計數(shù)八個周期，采樣得到八個正弦信號最大值、最小值，八個余弦信號最大值、最小值。去除最大的兩個采樣值、最小的兩個采樣值，取余下四個采樣值的平均值作為正余弦信號的采樣最大值和最小值。

在直流偏置誤差補償模塊和幅值誤差補償模塊中運行如下公式，推導(dǎo)出直流偏置誤差和幅值誤差；

SIN(θ+)＝VCC/2+offset_A+Ksin(θ+α)；〈1〉

SIN(θ-)＝VCC/2+offset_B-Lsin(θ+α)；〈2〉

SIN(θ)＝SIN(θ+)-SIN(θ-)＝offset_A-offset_B+(K+L)sin(θ+α)；〈3〉

COS(θ+)＝VCC/2+offset_C+Mcos(θ+β)；〈4〉

COS(θ-)＝VCC/2+offset_D-Ncos(θ+β)；〈5〉

COS(θ)＝COS(θ+)-COS(θ-)＝offset_C-offset_D+(M+N)cos(θ+β)；〈6〉

上述公式中，SIN(θ+)、SIN(θ-)、COS(θ+)、COS(θ-)為磁感應(yīng)元器件輸出正余弦信號的差分信號，SIN(θ)、COS(θ)為經(jīng)過信號調(diào)理電路后得到的正余弦信號。offset_A、offset_C為正余弦正差分信號的直流偏差量，offset_B、offset_D為正余弦負(fù)差分信號的直流偏差量，K、M為正余弦正差分信號的幅值偏差系數(shù)，L、N為正余弦負(fù)差分信號的幅值偏差系數(shù)，α、β為正余弦信號相位偏差。由正余弦信號的最大值、最小值可知：

SIN(90°)＝offset_A-offset_B+(K+L)sin(90°)；〈7〉

SIN(270°)＝offset_A-offset_B+(K+L)sin(270°)；〈8〉

SIN(90°)+SIN(270°)＝2(offset_A-offset_B)；〈9〉

SIN(90°)-SIN(270°)＝2(K+L)；〈10〉

offset_A-offset_B＝(SIN(90°)+SIN(270°))/2；〈11〉

K+L＝(SIN(90°)-SIN(270°))/2；〈12〉

得到正弦信號的采樣最大值和最小值，即可得出正弦信號的直流偏置誤差和幅值誤差，同理，也可得出余弦信號的直流偏置誤差和幅值誤差。

由經(jīng)過數(shù)字濾波處理的當(dāng)前任意位置時刻波形采樣值減去直流偏置誤差，即可得到包含幅值誤差和正交相位誤差的正余弦信號：

SIN(θ)-(offset_A-offset_B)＝(K+L)sin(θ+α)

COS(θ)-(offset_C-offset_D)＝(M+N)cos(θ+β)

兩邊同時乘以幅值偏差系數(shù)，得到公式：

(M+N)(SIN(θ)-(offset_A-offset_B))＝(M+N)(K+L)sin(θ+α)

(K+L)(COS(θ)-(offset_C-offset_D))＝(K+L)(M+N)cos(θ+β)

得到消除直流偏置誤差與幅值誤差的兩路正余弦信號，如果兩式相除求反正切函數(shù)，即可得到只包含正交相位誤差的正余弦信號角度位置值。

對正余弦信號的采樣最大值、最小值進(jìn)行上述運算得到的直流偏置誤差值和幅值誤差值寫入FPGA片內(nèi)FLASH ROM(即存儲模塊)保存，并在下次上電后自動調(diào)入，進(jìn)而對磁感應(yīng)元器件產(chǎn)生的正余弦信號的誤差進(jìn)行實時修正與補償。如果誤差偏差閾值大于某一設(shè)定值，比如磁感應(yīng)讀取頭重新安裝等情況影響，則FPGA程序自動重新校準(zhǔn)，從而實現(xiàn)對誤差的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

然后利用乘法倍頻技術(shù)對已消除了直流偏置誤差和幅值誤差的正余弦信號進(jìn)行修正，即通過移相、乘法倍頻將正交相位誤差轉(zhuǎn)變成直流偏置誤差和幅值誤差，經(jīng)后級調(diào)整電路模塊去除直流偏置誤差及調(diào)整幅值后，用二倍頻的兩路高質(zhì)量的正余弦信號作為原始信號，在坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊內(nèi)再進(jìn)行插補細(xì)分，既能提高細(xì)分精度，又可降低對正余弦信號的正交性要求。坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算模塊基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算(CORDIC)算法，計算反正切，求取相位值，得出轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度當(dāng)前位置值，即相對于上電時刻的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的相對位置值；所述信號調(diào)理電路對參考零點差分信號放大整形、濾波后生成單端信號，進(jìn)入?yún)⒖剂泓c比較器電路，轉(zhuǎn)換成高低電平的數(shù)字信號，最后輸入轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度生成模塊，生成相對于參考零點信號的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的絕對位置值。

信號調(diào)理電路內(nèi)的高速差分運算放大器優(yōu)選Anolog Devices公司的ADA4950‐2集成電路芯片；ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器件優(yōu)選的實施例，采用Anolog Devices公司的多級差分流水線架構(gòu)的高速并行AD9248集成電路芯片；插補細(xì)分電路優(yōu)選FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件10M16SCU169I7G集成電路芯片。

全部算法采用FPGA進(jìn)行處理，充分運用FPGA流水線并行運算的特點，并利用FPGA內(nèi)部自帶的內(nèi)存塊、硬件乘法器等模塊提高了算法硬件實現(xiàn)性能，速度快，實時性高，滿足運動控制算法對當(dāng)前位置實時性的要求。采用數(shù)字電路處理方式對磁感應(yīng)元器件輸出的正余弦信號各種誤差進(jìn)行有效的修正和補償，提高了差補細(xì)分的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)而提高了正余弦信號的細(xì)分精度和分辨率，并采用將誤差參數(shù)寫入FPGA片內(nèi)FLASH ROM保存并調(diào)用的方式，進(jìn)行FPGA程序自動重新校準(zhǔn)和對誤差的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。通過高速ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件的互相配合，實現(xiàn)了高速高精度的數(shù)據(jù)采集與處理，通過串行通訊協(xié)議總線實現(xiàn)高速高效的數(shù)據(jù)輸出，從而為伺服控制系統(tǒng)提供更加精確的位置信息來滿足高速度、高精度控制的要求。

所述量測齒輪具有兩種磁道，其一為正余弦(A、B)正交差分信號輸出磁道14，齒數(shù)優(yōu)選512齒；其二為參考零點(Z)差分信號輸出磁道13。參考零點(Z)差分信號輸出磁道具有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種為一圈比正余弦磁道僅缺少一個齒，如圖4A所示，一種為一圈僅有一個齒，如圖4B所示。

在正常應(yīng)用條件范圍內(nèi)，可以依據(jù)實際主軸或電機空間的情況對量測齒輪的外徑、厚度、內(nèi)孔尺寸和模數(shù)提出要求，量測齒輪的規(guī)格模數(shù)可為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0或2.0。量測齒輪與磁感應(yīng)讀取頭安裝時須注意方向，必須進(jìn)行上下對應(yīng)安裝，否則信號不良。安裝磁感應(yīng)讀取頭與量測齒輪時，推薦使用標(biāo)準(zhǔn)厚度(如0.15毫米)的塞尺，既可精確保證磁感應(yīng)元器件和量測齒輪的安裝間距在0.1至0.3mm之間，又可獲得極佳的信號質(zhì)量。此外，在磁感應(yīng)讀取頭的金屬殼體21的底部設(shè)有便于安裝的對稱突起，對稱突起位于金屬殼體21底部的兩側(cè)，兩側(cè)的對稱突起高度一致，以實現(xiàn)磁感應(yīng)元器件和量測齒輪圓周正相切，即實現(xiàn)磁感應(yīng)元器件中心、量測齒輪、機床主軸安裝的同心度，然后通過螺釘將磁感應(yīng)讀取頭與讀取頭固定基體緊固連接，最后抽出塞尺或旋轉(zhuǎn)量測齒輪拿出塞尺。

量測齒輪加工的精度對編碼器信號的精度和一致性產(chǎn)生很大的影響。工業(yè)應(yīng)用中，應(yīng)選用國標(biāo)6級或更高精度的精密量測齒輪。編碼器信號線數(shù)可通過量測齒輪齒數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)而影響機床加工、定位精度。所述量測齒輪具有三種安裝方式：1、熱裝。采用這種工藝時，所生產(chǎn)量測齒輪的內(nèi)徑應(yīng)略小于主軸軸徑。常溫下，量測齒輪不能與主軸相接，通過加熱量測齒輪使材料膨脹，這時可將量測齒輪裝在主軸上，然后冷卻量測齒輪使材料收縮，最終量測齒輪被穩(wěn)固地壓緊在主軸上。2、擰緊在軸肩上。將量測齒輪裝在主軸上，用螺釘將量測齒輪固定在主軸軸肩上。3、通過軸螺母夾緊。量測齒輪被裝在主軸軸上，通過軸螺母壓緊在一個組件上；也可以應(yīng)客戶要求，在量測齒輪上裝配一個集成式軸螺母，因此內(nèi)徑上會有相應(yīng)的螺紋。

本實用新型編碼器數(shù)據(jù)格式如表1所示，其BISSC串行通信協(xié)議時序波形如圖5所示：

表1磁感應(yīng)增量型總線式編碼器數(shù)據(jù)格式

注1：“Ack”，確認(rèn)信號，磁感應(yīng)編碼器接收到上位機傳輸?shù)臅r鐘信號的確認(rèn)反饋，并開始準(zhǔn)備傳輸位置數(shù)據(jù)。

注2：“Start”和“0”，串行通訊數(shù)據(jù)傳輸起始位，磁感應(yīng)編碼器發(fā)信號給主接口開始傳輸數(shù)據(jù)。

注3：“Relative Position”，相對于上電時刻的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的高線數(shù)相對位置值，二進(jìn)制格式，24位，線數(shù)溢出繞回到零。

注4：“Absolute Position”，相對于參考零點信號的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的高線數(shù)絕對位置值，二進(jìn)制格式，24位，線數(shù)溢出繞回到零。

注5：“Zero”，零點信號標(biāo)志位，初始狀態(tài)為“0”，低電平；轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)經(jīng)過參考零點信號后，“ZERO”位置位，恒為“1”，高電平。

注6：“Error”，錯誤位，低電平有效?！?”表示傳輸?shù)奈恢眯畔⒁驯淮鸥袘?yīng)讀取頭的內(nèi)置安全校驗算法校驗，結(jié)果正確；“0”表示內(nèi)部檢測失敗，位置信息不可信。

注7：“Warn”，警告位，低電平有效。“1”表示傳輸?shù)奈恢眯畔⒁驯淮鸥袘?yīng)讀取頭的內(nèi)置安全校驗算法校驗，結(jié)果正確；“0”表示內(nèi)部檢測超出閾值，位置信息不可信。

注8：“CRC”，校驗位，相對位置、絕對位置、錯誤及警告數(shù)據(jù)校驗位，共計6位。

圖5中，“MA”指將磁感應(yīng)編碼器位置采集請求和時序信息(時鐘)從上位機傳輸?shù)酱鸥袘?yīng)編碼器；“SLO”指將位置數(shù)據(jù)從磁感應(yīng)編碼器傳輸?shù)脚cMA同步的主接口；“Timeout”為超時期間，一個請求循環(huán)開始和另一個請求循環(huán)開始之間的時間。

遵行磁感應(yīng)增量型總線式編碼器數(shù)據(jù)格式，對于高速高精機床主軸、電主軸所用的同步電機、異步電機的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度當(dāng)前位置的獲取都能得到很好的處理。

異步電機轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存在著相對運動而感生電動勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量變換，因轉(zhuǎn)矩電流與勵磁電流電角度垂直，位置數(shù)據(jù)增量確定，異步電機一上電就能正常工作；同步電機啟動的時候需要知道轉(zhuǎn)子的磁極位置，才能夠大力矩啟動伺服電機，這樣就需要絕對值編碼器來確切檢測轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。然而磁感應(yīng)增量型總線式編碼器一上電只知道相對位置，這樣對于同步電機，就需要一些特殊的處理方式，比如，用相對位置數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)軸低速先轉(zhuǎn)一圈，找到參考零點信號后，再用當(dāng)前轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的絕對位置做算法處理，但這種處理方式，第一圈不能用于零件加工，因為轉(zhuǎn)矩電流與勵磁電流電角度相位關(guān)系未確定，當(dāng)電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)經(jīng)過參考零點信號后，即可大力矩啟動伺服電機，當(dāng)然，工程應(yīng)用中，可以運用其它的軟件處理方法，比如，高頻注入法，來獲取電角度相位關(guān)系。

選擇磁感應(yīng)增量型總線式編碼器數(shù)據(jù)格式傳輸方法，對于同步電機，克服了同步電機上電就需要絕對值編碼器確切檢測轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置的弊端，擴大了應(yīng)用領(lǐng)域，并且還有一大優(yōu)點，即量測齒輪相對易于加工，選用絕對位置的磁感應(yīng)編碼器則量測齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大，對加工機床整體性能要求高。

所述磁感應(yīng)增量型總線式編碼器信號經(jīng)由10芯屏蔽雙絞電纜線，通過RS485或者RS422總線接口輸出，可兼容BISS、SSI等串行通信協(xié)議，并能在轉(zhuǎn)速達(dá)20000轉(zhuǎn)/分鐘及以上的條件下測定絕對位置，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人、電梯和工業(yè)自動化等領(lǐng)域。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例之一而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。