基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法及系统，其中，该方法包括：对正余弦编码器输出的正余弦信号进行信号放大；将放大后的正余弦信号输入双通道AD转换器中获得采样值；将采样值输入至FPGA中以利用CORDIC算法求取两路信号的反正切值，获得离散角度值并进行解调；对解调后的离散角度值进行高分辨率插值计算，再与预设阈值进行比较，获取正交脉冲输出，由此实现高分辨的等效增量编码器输出。该方法将正余弦编码器转换为倍频增量式编码器，方便运动控制器等其他设备接口，同时使细分倍数不受制于采样频率，在相同频率的输入信号下实现了更高的细分倍数，而在相同细分倍数要求下提高了输入信号的上限频率。细分倍数要求下提高了输入信号的上限频率。细分倍数要求下提高了输入信号的上限频率。

【技术实现步骤摘要】
基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法及系统


[0001]本专利技术涉及编码器解调
，特别涉及一种基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法及系统。

技术介绍

[0002]随着高精密设备对伺服系统性能要求的不断提升，对电机转轴位置测量精度的要求也越来越高。选用高分辨率的编码器带来了设备成本和体积的增加，而采用正余弦编码器并输出信号进行细分解调，是一种实现高精度角度检测的低成本方案。为了便于与运动控制卡、信号采集卡等设备进行接口，需要将解调后的角度处理成等效增量编码器的正交脉冲。传统等效编码器的正交脉冲输出采用解调角度与设定阈值进行比较而获得，但当细分倍数较大时会导致输出脉冲丢失。
[0003]现有对正余弦编码器进行细分正交脉冲输出的方法有硬件电路比较法和软件解调法。硬件电路比较法存在细分倍数低、信号受扰易产生脉冲沿抖动等问题；软件解调法通过解调出离散角度值与设定阈值比较产生等效增量式编码器正交脉冲，但细分倍数受制于采样频率。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005]为此，本专利技术的第一个目的在于提出一种基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法，该方法使输出的等效增量式编码器正交脉冲细分倍数不受制于采样频率，在相同频率的输入信号下实现了更高的细分倍数，而在相同细分倍数要求下提高了输入信号的上限频率。
[0006]本专利技术的第二个目的在于提出一种基于角度插值的正余弦编码器细分输出系统。
[0007]本专利技术的第三个目的在于提出一种正余弦编码器细分正交脉冲输出设备。
[0008]本专利技术的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
[0009]为达到上述目的，本专利技术第一方面实施例提出了基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法，包括以下步骤：步骤S1，对正余弦编码器输出的1Vpp正余弦信号进行信号放大；步骤S2，将放大后的1Vpp正余弦信号输入双通道AD转换器中获得采样值；步骤S3，将所述采样值输入至FPGA中以利用CORDIC算法求取两路信号的反正切值，获得离散角度值并进行解调；步骤S4，对解调后的离散角度值进行高分辨率插值计算，再与预设阈值进行比较，获取正交脉冲输出。
[0010]本专利技术实施例的基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法，对正余弦编码器解调角度进行线性插值，利用插值后的角度再与设定阈值比较，由此实现高分辨的等效增量编码器输出，从而使输出的等效增量式编码器正交脉冲细分倍数不受制于采样频率，在相同频率的输入信号下实现了更高的细分倍数，而在相同细分倍数要求下提高了输入信号的上限频率。
[0011]另外，根据本专利技术上述实施例的基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法还可以具有以下附加的技术特征：
[0012]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S3中求解离散角度值的具体步骤为：
[0013]步骤S301，由横轴和纵轴构成的直角坐标系中，将坐标为(x
A
,y
A
)的A点围绕坐标原点O逆时针旋转角度α得到坐标为(x
B
,y
B
)的B点，具体为：
[0014][0015]步骤S302，若由任一点的坐标值求取该点的角度值，即求取该点与x轴正半轴的夹角θ，只需将该点经n次旋转至x轴正半轴上即可；
[0016]步骤S303，假设第i次旋转的角度为θ
i
，则第i次旋转表达式为：
[0017][0018]令tanθ＝2
‑
i
，则第i次旋转的角度θ
i
＝arctan(2
‑
i
)；为使得累计旋转角度之和无限接近所求角度，即使y无限接近于0，当y正负变化时，则下次旋转需变换旋转方向，得到CORDIC算法实现反正切的迭代公式：
[0019][0020]式中，d
i
＝
±
1作为判决因子决定旋转方向，其值取决于前一次迭代后所得y
i
值的正负，当y
i
>0时，则d
i
＝
‑
1，顺时针迭代；反之则d
i
＝1，逆时针迭代，由此得到，利用反正切方法解调出的角度为：
[0021][0022]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S4中对解调后的离散角度值进行高分辨率插值计算的具体步骤为：
[0023]步骤S401，在相邻两个离散角度值之间均匀插入N个角度估计值，得到角度插值θ
est
(i)，具体为：
[0024][0025]式中，θ1、θ2为相邻两个角度计算值，T
clk
为FPGA芯片的系统时钟周期，T
s
为信号采样和角度计算周期；
[0026]步骤S402，将所述角度插值与预设阈值比较，得到获取正交脉冲输出，具体为：
[0027][0028]其中，A、B为输出的脉冲信号，1代表高电平、0代表低电平，θ
′
为经解调并插值处理后的单个正余弦周期内的位置值，j为自然数。
[0029]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述正交脉冲输出为若干个周期的正交方波信号。
[0030]为达到上述目的，本专利技术第二方面实施例提出了基于角度插值的正余弦编码器细分输出系统，包括：放大模块，用于对正余弦编码器输出的1Vpp正余弦信号进行信号放大；采样模块，用于将放大后的1Vpp正余弦信号输入双通道AD转换器中进行采用，获得采样值；反正切求取角度模块，用于将所述采样值输入至FPGA中以利用CORDIC算法求取两路信号的反正切值，获得离散角度值并进行解调；角度插值和细分输出模块，用于对解调后的离散角度值进行高分辨率插值计算，再与预设阈值进行比较，获取正交脉冲输出。
[0031]本专利技术实施例的基于角度插值的正余弦编码器细分输出系统，对正余弦编码器解调角度进行线性插值，利用插值后的角度再与设定阈值比较，由此实现高分辨的等效增量编码器输出，从而使输出的等效增量式编码器正交脉冲细分倍数不受制于采样频率，在相同频率的输入信号下实现了更高的细分倍数，而在相同细分倍数要求下提高了输入信号的上限频率。
[0032]另外，根据本专利技术上述实施例的基于角度插值的正余弦编码器细分输出系统还可以具有以下附加的技术特征：
[0033]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述反正切求取角度模块中求解离散角度值的具体步骤为：
[0034]由横轴和纵轴构成的直角坐标系中，将坐标为(x
A
,y
A
)的A点围绕坐标原点O逆时针旋转角度α得到坐标为(x
B
,y
B
)的B点，具体为：
[0035][0036]若由任一点的坐标值求取该点的角度值，即求取该点与x轴正半轴的夹角θ，只需将该点经n次旋转至x轴正半轴上即可；
[0037]假设第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，对正余弦编码器输出的1Vpp正余弦信号进行信号放大；步骤S2，将放大后的1Vpp正余弦信号输入双通道AD转换器中获得采样值；步骤S3，将所述采样值输入至FPGA中以利用CORDIC算法求取两路信号的反正切值，获得离散角度值并进行解调；步骤S4，对解调后的离散角度值进行高分辨率插值计算，再与预设阈值进行比较，获取正交脉冲输出。2.根据权利要求1所述的基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法，其特征在于，所述步骤S3中求解离散角度值的具体步骤为：步骤S301，由横轴和纵轴构成的直角坐标系中，将坐标为(x
A
,y
A
)的A点围绕坐标原点O逆时针旋转角度α得到坐标为(x
B
,y
B
)的B点，具体为：步骤S302，若由任一点的坐标值求取该点的角度值，即求取该点与x轴正半轴的夹角θ，只需将该点经n次旋转至x轴正半轴上即可；步骤S303，假设第i次旋转的角度为θ
i
，则第i次旋转表达式为：令tanθ＝2
‑
i
，则第i次旋转的角度θ
i
＝arctan(2
‑
i
)；为使得累计旋转角度之和无限接近所求角度，即使y无限接近于0，当y正负变化时，则下次旋转需变换旋转方向，得到CORDIC算法实现反正切的迭代公式：式中，d
i
＝
±
1作为判决因子决定旋转方向，其值取决于前一次迭代后所得y
i
值的正负，当y
i
>0时，则d
i
＝
‑
1，顺时针迭代；反之则d
i
＝1，逆时针迭代，由此得到，利用反正切方法解调出的角度为：3.根据权利要求1所述的基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法，其特征在于，所述步骤S4中对解调后的离散角度值进行高分辨率插值计算的具体步骤为：步骤S401，在相邻两个离散角度值之间均匀插入N个角度估计值，得到角度插值θ
est
(i)，具体为：式中，θ1、θ2为相邻两个角度计算值，T
clk
为FPGA芯片的系统时钟周期，T
s
为
信号采样和角度计算周期；步骤S402，将所述角度插值与预设阈值比较，得到获取正交脉冲输出，具体为：其中，A、B为输出的脉冲信号，1代表高电平、0代表低电平，θ
′
为经解调并插值处理后的单个正余弦周期内的位置值，j为自然数。4.根据权利要求1所述的基于角度插值的正余弦编码器细分输出方法，其特征在于，所述正交脉冲输出为若干个周期的正交方波信号。5.一种基于角度插值的正余弦编码器细分输出系统，其特征在于，包括：放大模块，用于对正余弦编码器输出的1Vpp正余弦信号进行信号放大；采样模块，用于将放大后的1Vpp正余弦信号输入双通道AD转换器中进行采用，获得采样值；反正切求取角...

【专利技术属性】
技术研发人员：安群涛，葛凯华，马腾，董艳国，魏亮，赵孟佶，曹福强，李斯文，龚嘉俊，蒋佳诚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：