用DSP實現(xiàn)增量式光電編碼器的細(xì)分

對光柵傳感器原始信號進(jìn)行細(xì)分是采用各類光柵器件進(jìn)行高精度位置測量、角度測量過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)。細(xì)分方法多種多樣,針對各種現(xiàn)有的電子學(xué)細(xì)分方案并結(jié)合實際應(yīng)用,本文采用軟件程序判卦限，查表細(xì)分方法,實現(xiàn)了針對測角傳感器信號的2048次細(xì)分。

    關(guān)鍵詞：光柵傳感器, 測量, 細(xì)分

1 引言

目前,各類伺服驅(qū)動器及其應(yīng)用中廣泛采用光柵裝置作為速度測量、位置測量的敏感元件。而且,廣泛采用兩路正交方波的形式,系統(tǒng)的實時性要求極高。因此,對于光柵編碼器的信號的細(xì)分等主要處理環(huán)節(jié),一方面集中考慮提高分辨率的問題,同時,需要考慮實時性的問題。

有很多采取純硬件進(jìn)行細(xì)分的方法,如,電阻鏈細(xì)分,空間細(xì)分,鎖相倍頻,還有兩種方法的結(jié)合使用等。上述幾種方法在實際應(yīng)用中被廣泛采用,特別是電阻鏈細(xì)分,在低倍頻的情況下是一種很好的方案。但是在高倍頻的情況下,不可避免地出現(xiàn)大量使用比較器的情況,以及比較器死區(qū)(滯后區(qū))問題,難以調(diào)節(jié)。空間細(xì)分的方法中,主要解決的問題是切割電平精準(zhǔn)的問題,其中的三角波切割三角波的方案有很多優(yōu)點,可以改變使用過零比較造成的細(xì)分誤差。但是仍然存在大量使用比較器的問題,調(diào)節(jié)起來比較繁瑣。鎖相倍頻細(xì)分的方法,一方面,成本較前兩種高,另一方面,受環(huán)境溫度的影響比較大,實際的應(yīng)用中很少采用。

高速數(shù)字處理器件DSP的應(yīng)用可以極大地改善系統(tǒng)的實時性,DSP中集成了16路10位A/D轉(zhuǎn)換，同時有豐富的硬件資源，比較器、定時器，和兩個專門用于產(chǎn)生PWM波的事件管理器。DSP中豐富的指令集為做除法提供了條件。設(shè)DSP（2407a）的時鐘頻率是40MHZ，除法程序可以在35個指令周期內(nèi)執(zhí)行完,兩路A/D轉(zhuǎn)換需要29個指令周期，查詢數(shù)據(jù)得細(xì)分值需要兩個指令周期。共69個指令周期，DSP中程序執(zhí)行是流水線執(zhí)行的，一個時鐘周期最多可以執(zhí)行4條指令。則需要不到1.6us就可以得到精確的光柵位移值。對于一般的應(yīng)用場合，用DSP細(xì)分可以足夠保證控制器500KHz的頻帶，和定位的精確性。

本文從原理上考慮在DSP中完成細(xì)分的方案,使用取絕對值,八卦限理論,利用DSP器件(速度為25納秒)對信號進(jìn)行邏輯運算和處理等一整套信號細(xì)分方案。

2 細(xì)分及框圖

通過軟件查詢的方式進(jìn)行細(xì)分。從光電編碼器輸出的兩路角位移信號首先進(jìn)行濾波整型，硬件辨向，提取整周期信號，得到粗位移；同時對兩路信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過U函數(shù)得到計數(shù)脈沖，從而得到卦限值，通過V函數(shù)得到精位移的地址信號，查詢得到精位移。系統(tǒng)框圖如下：

    輸入的兩路信號分別是x1=2.5*sin(fai)+2.5(v),x2=-2.5*cos(fai)+2.5(v);在DSP中有專門的16路A/D轉(zhuǎn)換電路，因而不用再設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換后得到y(tǒng)1=|2.5*sin(fai)|,y2=|-2.5*cos(fai)|。對其進(jìn)行卦限計數(shù)，

A/D轉(zhuǎn)換周期由軟件設(shè)定，而在硬件電路實現(xiàn)時，必須要考慮卦限信號，控制信號的高度同步，但在實際電路中是很難做到的。

如果將該數(shù)據(jù)與相位之間的對應(yīng)關(guān)系用一張表來描述,就是我們所建立的細(xì)分表，放在DSP中的SRAM中，DSP中集成了2K×16的SRAM，足夠放置查詢表。兩者之間并不是一一對應(yīng)關(guān)系。

（FAI）(t)=arctanθt∝sinxt/cosxt;

軟件流程圖如下：

    軟件程序流程圖：

U函數(shù)取為U=y1*y2*(y2-y1);當(dāng)U為零時，卦限信號就增加1

; ;;;;;;;;;;-------細(xì)分程序

XIFEN: LDP #0E1h;

CLRC SXM ; 抑制符號位擴展

LACC RESULT0,10

SACH X1 ; 存X1值

LACC RESULT1,10 ;

SACH X2; 存X2值

SETC SXM ;允許符號位擴展

LACL R1SIN;

SUB #JUNZHI ;(2.5V);

ABS[!--empirenews.page--]

SACL Y1 ; 得到y(tǒng)1

LACL X2;

SUB #JUNZHI(2.5V);

ABS

SACL Y2 ; 得到y(tǒng)2

SUB Y1 ;

SACL Y ; 得到Y(jié)=y2-y1值,保存 ;用dsp中計數(shù)器T4記卦限

BCND ss,NEQ

Lacl y1

BCND ss,NEQ

Lacl y2

BCND ss,NEQ ;若U＝0，卦限計數(shù)器計數(shù)

set t4clkin ; 為計數(shù)器提供脈沖

ss： LACL y

BCND DEVISION,GEQ ; 判斷卦限，y2>=y1 時，直接y1/y2;否則y2/y1，除數(shù)變被除數(shù)

JIAOHUAN： LACC y1 ; y1和y2交換

SACL TEMP_AD ;

LACL y2 ;

SACL y1 ;

LACC TEMP_AD ;

SACL y2 ; y2/y1 ; 毫秒為Q8格式

DEVISION LACC R1SIN ，6;;;；取分子并左移6位；

RPT ＃15 ; 后面的指令執(zhí)行15＋1次。

SUBC R2COS ;16 CYCLE DIVIDED LOOP

; .ACC中的數(shù)據(jù)減去Demon 減10次，直到被減數(shù)小于0

SACL QUOT ; 得到商

SACH REMAIN ; 得到余數(shù)

LACC REMAIN; 取余數(shù)后再除

RPT ＃13 ; 后面的指令執(zhí)行14次。

SUBC DENOM;

AND QUOT;

; SACL QUOT ;；；保存商。得到十位地址信號。用此信號得到RAM中對應(yīng)地址細(xì)分值保存在DSP的sram中）

ADD #0800h ;SRAM 初始地址為＃0800H（

SAL XIFEN_ADR ;

LACC ＃XIFEN_ADR

ADD #0800h ;SRAM 初始地址為＃0800H

SAL XIFEN_ADR ;

LACL Y ;Y2>=Y1 ;

BCND yy2 ,GEQ

LACL #05h ；設(shè)編碼最小柵格為40秒，一個卦限為5秒。

SUB #XIFEN_ADR

B YY

YY2: LACC ＃XIFEN_ADR

YY: Ldp #0eah ;

LT t4cnt ；卦限值

MPY #05h ; 一個卦限相差5秒，

APAC 得到精確細(xì)分值

根據(jù)得到的細(xì)分值與整周期值相加就可以得到對應(yīng)的光柵編碼信號。

當(dāng)速度特別慢時，用軟件判卦限會出現(xiàn)重復(fù)計數(shù)。也就是一個細(xì)分周期里，電機轉(zhuǎn)動的位移小于20/1024秒，如下圖。卦限函數(shù)使得卦限增1，產(chǎn)生錯誤。我們要舍棄這個計數(shù)。

    為了解決這個問題，我們把軟件的判卦限程序改以下：用一個flaggx標(biāo)志來表示卦限信號是否剛記過。剛剛記過，就舍棄掉。改正的程序流程如下圖。
[!--empirenews.page--]
3 軟件辨向 

要精確的控制電機，就必須精確判斷當(dāng)電機轉(zhuǎn)動出現(xiàn)來回擺動時的方向。對硬件辨向只能做到在整周期計數(shù)時知道電機的轉(zhuǎn)動方向，當(dāng)在一個整周期內(nèi)方向改變時，硬件辨向就不能及時的傳遞方向信息。我們根據(jù)判方向的規(guī)則，在軟件中完成辨向，在1，2，7，8卦限，x2小于等于2.5v時為順時針轉(zhuǎn)動，大于2.5v為逆時針轉(zhuǎn)動;在3，4，5，6卦限，x2大于2.5v時為順時針轉(zhuǎn)動， 小于等于2.5v為逆時針轉(zhuǎn)動;程序流程：

direction=1,表示順時針，為0是逆時針；

若做到1024細(xì)分, 分八個卦限，每個卦限有256個細(xì)分值。在DSP中只需要256×16個單元存儲細(xì)分值即可。

細(xì)分碼如下：

在DSP中有