專利名稱：基于正交編碼信號(hào)的分頻電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密伺服系統(tǒng)的分頻電路。
背景技術(shù)：
在伺服系統(tǒng)的檢測(cè)環(huán)節(jié)中，常由位置傳感器輸出脈沖數(shù)的變化量獲得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的增量，再通過(guò)脈沖個(gè)數(shù)與角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系準(zhǔn)確獲得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。傳感器的精度越高，則每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度值越小，進(jìn)行角度和速度計(jì)算越精確。
高精度位置傳感器常用于實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)中位置的準(zhǔn)確定位，但由于DSP處理能力等因數(shù)的制約，高精度位置傳感器的應(yīng)用可能會(huì)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中速度環(huán)和電流環(huán)的計(jì)算帶來(lái)困難，主要體現(xiàn)在以下兩方面(1)DSP寄存器長(zhǎng)度的限制。以伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為通用的16位定點(diǎn)DSPTMS320LF2407A為例，其計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值為216。若傳感器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)超過(guò)這個(gè)計(jì)數(shù)范圍，則每轉(zhuǎn)會(huì)使計(jì)數(shù)器一次或多次達(dá)到飽和，導(dǎo)致角度計(jì)算的困難。(2)DSP處理頻率的限制。在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，位置傳感器產(chǎn)生的脈沖頻率較大，由于DSP處理頻率的能力有限，可能導(dǎo)致脈沖淹沒(méi)。誤差經(jīng)過(guò)積累不僅會(huì)造成角度與轉(zhuǎn)速計(jì)算的偏差，甚至可能造成電機(jī)失控，損壞伺服驅(qū)動(dòng)器。
目前國(guó)內(nèi)外解決這一問(wèn)題的思路主要是利用FPGA和CPLD等可編程邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)正交編碼信號(hào)的分頻。但這種解決方案不僅實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜，而且當(dāng)外接傳感器的精度發(fā)生變化時(shí)，必須重新對(duì)可編程邏輯器件進(jìn)行編程和燒寫(xiě)以適應(yīng)外設(shè)變化，因此通用性較差，成本也較高。
在精密伺服系統(tǒng)中，如何在實(shí)現(xiàn)位置準(zhǔn)確定位的同時(shí)，又能方便地進(jìn)行內(nèi)環(huán)控制一直是伺服系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外目前有效的解決方案較少，且方法普遍比較繁瑣，通用性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提出一種硬件解決方案，以克服運(yùn)用了高精度位置傳感器的精密伺服系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制可能產(chǎn)生的問(wèn)題。
本發(fā)明以永磁同步轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)為例(其位置傳感器采用增量式光電碼盤(pán)，每轉(zhuǎn)輸出的脈沖為180000個(gè)/r)，采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的。
一種基于正交編碼信號(hào)的分頻電路，其特征在于伺服系統(tǒng)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)A+和信號(hào)B+，其中伺服系統(tǒng)傳感器信號(hào)A+分為三路伺服系統(tǒng)傳感器信號(hào)A+的第一路經(jīng)非門(mén)連于第一分頻芯片的輸入，第一分頻芯片的輸出信號(hào)AL又分為兩路一路連于第二觸發(fā)器的信號(hào)端；另一路連于一級(jí)異或運(yùn)算器；伺服系統(tǒng)傳感器信號(hào)A+的第二路直接連于第二分頻芯片。該第二分頻芯片的輸出信號(hào)AH同樣分為二路一路同樣連于上述第二觸發(fā)器的時(shí)鐘端；另一路將第二分頻芯片的輸出信號(hào)AH直接賦給正交編碼信號(hào)A；伺服系統(tǒng)傳感器信號(hào)A+的第三路直接連于第一觸發(fā)器的信號(hào)端；伺服傳感器信號(hào)B+同樣直接連于上述第一觸發(fā)器的時(shí)鐘端，第一觸發(fā)器的輸出信號(hào)Q1和第二觸發(fā)器的輸出信號(hào)Q2同時(shí)送入異或運(yùn)算器運(yùn)算后得到輸出信號(hào)R，該信號(hào)R同樣送入一級(jí)異或運(yùn)算器，與第一分頻芯片的輸出信號(hào)AL都經(jīng)該一級(jí)異或運(yùn)算處理后得到正交編碼信號(hào)B，將上述正交編碼信號(hào)A和B直接送入DSP處理器運(yùn)算。
本發(fā)明可根據(jù)外部位置傳感器的分頻率，通過(guò)跳針靈活地選擇電路的分頻次數(shù)。具有較好的通用性。處理后的正交編碼信號(hào)可直接送入DSP進(jìn)行運(yùn)算，從而在保證精密伺服系統(tǒng)位置準(zhǔn)確定位的同時(shí)，能較方便地進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的運(yùn)算，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。此技術(shù)方案對(duì)精密伺服系統(tǒng)具有較大的實(shí)用價(jià)值。
四

圖1信號(hào)X，Y二分頻示意2信號(hào)二分頻前后相位、邏輯變化示意圖，其中圖2(a)為信號(hào)二分頻前后相位變化示意圖，圖2(b)為信號(hào)二分頻前后相位變化示意3分頻電路的工作原理4信號(hào)A+，B+二分頻示意5信號(hào)A+，B+四分頻示意6信號(hào)A+，B+八分頻示意圖五具體實(shí)施方式
1正交編碼信號(hào)分頻的原理介紹高精度位置傳感器常用于實(shí)現(xiàn)精密伺服系統(tǒng)中位置的準(zhǔn)確定位，但在實(shí)際應(yīng)用中，它可能會(huì)對(duì)伺服系統(tǒng)的角度和速度計(jì)算帶來(lái)一定的困難。本發(fā)明針對(duì)安裝在伺服電機(jī)上的高精度位置傳感器，設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單實(shí)用的分頻裝置，可對(duì)任意精度的正交編碼信號(hào)進(jìn)行有效的處理，以便于進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制。
在位置傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)中，若存在信號(hào)X，Y且X超前Y 1/4周期，則分頻后仍然要求兩路輸出信號(hào)X’超前Y’1/4周期(信號(hào)X’，Y’分別是X，Y分頻后的信號(hào))，即分頻前后兩信號(hào)間的相位和邏輯關(guān)系均保持不變，如圖1所示。
2直接運(yùn)用分頻芯片所產(chǎn)生的問(wèn)題但如果信號(hào)X，Y直接運(yùn)用分頻芯片進(jìn)行分頻則會(huì)產(chǎn)生以下兩個(gè)問(wèn)題(1)兩信號(hào)間的相位差在分頻前后發(fā)生改變。如兩信號(hào)經(jīng)過(guò)2N(N＝0，1，2……)分頻，分頻后兩信號(hào)的相位差只有原來(lái)的1/2N，如圖2(a)所示。對(duì)于DSP內(nèi)部的正交編碼脈沖電路而言，經(jīng)它處理的兩路脈沖信號(hào)間需有一定的相位差，否則將導(dǎo)致計(jì)數(shù)的混亂。而當(dāng)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)一定程度的分頻后，信號(hào)間的相位差可能滿足不了DSP的相關(guān)要求。
(2)兩信號(hào)間的邏輯關(guān)系在分頻前后發(fā)生變化。兩信號(hào)分別進(jìn)行分頻時(shí)，由于信號(hào)的觸發(fā)時(shí)刻不定，也可能導(dǎo)致信號(hào)分頻前后的邏輯關(guān)系發(fā)生變化，如圖2(b)所示。
3基于正交編碼電路的分頻裝置設(shè)計(jì)為保證分頻前后信號(hào)的相位和邏輯關(guān)系保持不變。本發(fā)明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種較為新穎的正交編碼信號(hào)分頻裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意精度的正交編碼信號(hào)進(jìn)行分頻?，F(xiàn)以二分頻為例來(lái)敘述本發(fā)明技術(shù)具體的實(shí)現(xiàn)思想。
(a)如圖3所示，傳感器信號(hào)A+經(jīng)過(guò)非門(mén)的處理后送入分頻芯片1進(jìn)行分頻，得到輸出信號(hào)AL；信號(hào)A+直接送入分頻芯片2進(jìn)行分頻，得到輸出信號(hào)AH；同時(shí)將信號(hào)A+，B+分別送入觸發(fā)器1的信號(hào)端和時(shí)鐘端，并得到輸出信號(hào)Q1，實(shí)現(xiàn)了原始信號(hào)A+，B+前后邏輯關(guān)系的鎖存。
(b)將分頻后所得到的信號(hào)AL，AH分別送入觸發(fā)器2的信號(hào)端和時(shí)鐘端，并得到輸出信號(hào)Q2，實(shí)現(xiàn)了分頻后信號(hào)AL，AH邏輯關(guān)系的鎖存。
(c)對(duì)信號(hào)Q1和Q2進(jìn)行異或運(yùn)算，并得到輸出信號(hào)R，則有 將AH直接賦給信號(hào)A；同時(shí)對(duì)信號(hào)R和AL再進(jìn)行一級(jí)異或運(yùn)算，得到信號(hào)B。如此計(jì)算得到的信號(hào)A和B可分別表示為A＝AHB＝ALR＝AL(Q1Q2)(2)式中為異或運(yùn)算記號(hào)。
經(jīng)過(guò)上述步驟后，所獲得的信號(hào)A，B便是設(shè)計(jì)所希望得到的運(yùn)算信號(hào)，且完全能保證正交編碼信號(hào)分頻前后的相位和邏輯關(guān)系不變。
圖4～6是正交編碼信號(hào)在二分頻、四分頻和八分頻前后的變化示意圖，由圖可見(jiàn)正交編碼信號(hào)在分頻前后的相位和邏輯關(guān)系完全一致，達(dá)到了預(yù)期效果。
在本發(fā)明中，利用兩片分頻芯片可實(shí)現(xiàn)20～213次分頻(通過(guò)外部跳針靈活地選擇電路的分頻次數(shù))，對(duì)于更高次的分頻只需在此基礎(chǔ)上對(duì)分頻裝置中分頻芯片的個(gè)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，即可實(shí)現(xiàn)2K(K＝0，1，2……)的任意次分頻，完全能滿足任意精度位置傳感器的分頻需求。
權(quán)利要求
1.一種基于正交編碼信號(hào)的分頻電路，其特征在于伺服系統(tǒng)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)A+和信號(hào)B+，其中伺服系統(tǒng)傳感器信號(hào)A+分為三路伺服系統(tǒng)傳感器信號(hào)A+的第一路經(jīng)非門(mén)連于第一分頻芯片(1)的輸入，第一分頻芯片(1)的輸出信號(hào)AL又分為兩路一路連于第二觸發(fā)器(2)的信號(hào)端；另一路連于一級(jí)異或運(yùn)算器；伺服系統(tǒng)傳感器信號(hào)A+的第二路直接連于第二分頻芯片(2)，該第二分頻芯片(2)的輸出信號(hào)AH同樣分為二路一路同樣連于上述第二觸發(fā)器(2)的時(shí)鐘端；另一路將第二分頻芯片(2)的輸出信號(hào)AH直接賦給正交編碼信號(hào)A；伺服系統(tǒng)傳感器信號(hào)A+的第三路直接連于第一觸發(fā)器(1)的信號(hào)端；伺服傳感器信號(hào)B+同樣直接連于上述第一觸發(fā)器(1)的時(shí)鐘端，第一觸發(fā)器(1)的輸出信號(hào)Q1和第二觸發(fā)器(2)的輸出信號(hào)Q2同時(shí)送入異或運(yùn)算器運(yùn)算后得到輸出信號(hào)R，該信號(hào)R同樣送入一級(jí)異或運(yùn)算器，與第一分頻芯片(1)的輸出信號(hào)AL都經(jīng)該一級(jí)異或運(yùn)算處理后得到正交編碼信號(hào)B，將上述正交編碼信號(hào)A和B直接送入DSP處理器運(yùn)算。
全文摘要
一種基于正交編碼信號(hào)的分頻電路，屬精密伺服系統(tǒng)的分頻電路，該分頻電路是將伺服系統(tǒng)傳感器信號(hào)經(jīng)分頻芯片、觸發(fā)器及異或運(yùn)算器處理后，得到正交編碼信號(hào)，直接送入DSP處理器進(jìn)行運(yùn)算，保證精密伺服系統(tǒng)位置準(zhǔn)確定位的同時(shí)，能方便地進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)環(huán)運(yùn)算。從而提高了伺服系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，對(duì)精密伺服系統(tǒng)具有實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01D5/244GK1963398SQ200610097989
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者方斯琛, 周波, 李丹 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)