一种相位检测及补偿系统及采用该系统的绝对编码器的制作方法

本发明涉及一种相位检测及补偿系统，特别涉及一种应用于绝对编码器中用于对细分信号进行检测及补偿的相位检测及补偿系统。

背景技术

随着科学技术的快速发展，人们对光电编码器的分辨率提出了更高的要求，而光栅加工受到制作工艺及成本的限制，使得光栅间距不能无限减小；因此，只靠光栅的物理分辨率已不能满足现在社会的应用需求。为了提高光电编码器的分辨率，研究者提出了信号细分技术。细分技术对栅距起到了放大作用，传感器运动一个栅距的大小，光电接收电路就会产生一个正弦波电信号，通过插值获得优于一个栅距的分辨率，提高测量系统的分辨率。

在实际细分过程中，为了提高光电编码器的细分精度，要求细分信号有较好的正弦性；而在实际应用中，由于光栅间距、光栅黑白比、装配精度、码盘偏心等因素的影响，使得信号不是理想的正弦波，因此必须对细分信号进行校正或补偿。

研究表明，在影响编码器细分精度诸多因素中，细分信号间的相位偏差的影响最为显著；因此如何获得细分信号的相位偏差，成为相位补偿和提高细分精度的关键。目前常规的解决办法是通过检测细分信号的交点值，来获取相位差。如专利cn101213423b提出一种相位误差检测器，就是通过该种方法实现的，但该方法因受限于ad的采样率而使高频检测结果恶化，无法保证高频相位补偿精度。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种相位检测及补偿系统以及采用该系统的绝对编码器，以保证高频细分信号的相位补偿效果，提高编码器分辨率和细分精度。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种相位检测及补偿系统，所述系统将相位测量转换为时间测量，在检测相位差时对正余弦比较后的脉冲信号进行计数，通过相邻脉冲之间的计数差，实现相位差检测。

进一步地，相位检测及补偿系统包括ad采样单元、正余弦比较单元、脉冲信号计数单元、相位差补偿单元和位置细分单元；系统输入的模拟信号为sin0和cos0；

所述ad采样单元将输入的模拟信号sin0和cos0转化为数字信号sin2和cos2；

所述正余弦比较单元将输入的模拟信号sin0和cos0转化为脉冲信号sin1和cos1；

所述脉冲信号计数单元使脉冲信号sin1的上升沿与cos2的上升沿之间的计数值为φ1，cos2的上升沿与sin1的下降沿之间的计数值为φ2；

所述相位差补偿单元根据计数值φ1、φ2获取sin0和cos0的相位偏差δ，并对sin2和cos2进行相位补偿，得到sin3和cos3；

所述位置细分单元根据相位补偿后的sin3和cos3，利用反正切的方法实现角度细分。

进一步地，sin0和cos0之间存在的相位偏差δ表示为：

sin0＝a*sinθ

cos0＝a*cos(θ+δ)。

进一步地，sin1的脉冲边沿变化对应sin0的n*360°和n*360°+180°，cos1的脉冲边沿变化对应cos0的n*360°+90°和n*360°+270°，其中，n为整数。

进一步地，相位差δ与φ1、φ2的比值关系为：

进一步地，sin3和cos3表示为：

sin3＝a*sinθ+tan(δ/2)*a*cos(θ+δ)

cos3＝a*cos(θ+δ)+tan(δ/2)*a*sinθ。

本发明还提供一种绝对编码器，该绝对编码器采用上述的相位检测及补偿系统对绝对编码器的细分信号进行检测及补偿。

进一步地，所述绝对编码器的分辨率为：

θ＝arctan(sin3/cos3)。

本发明的有益效果如下：

采用本发明的相位检测及补偿系统进行相位检测及补偿，无需通过ad转换器，有效解决了绝对编码器相位补偿效果受限于ad采样率的问题和绝对编码器高频相位补偿效果恶化问题，提高了细分信号的高频相位补偿效果，达到增强编码器分辨率和细分精度的目的；同时降低了硬件对ad转换器的要求及生产成本。

附图说明

图1是本发明的相位检测及补偿系统原理图。

图2是相位补偿前正余弦李萨茹图。

图3是相位补偿前信号图。

图4是理想正交信号图。

图5是非理想正交信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种相位检测及补偿系统，如图1所示，包括ad采样单元1、正余弦比较单元2、脉冲信号计数单元3、相位差补偿单元4和位置细分单元5。

其中，sin0和cos0为系统的输入信号，由于实际生产能力所限，sin0和cos0之间存在一定的相位偏差δ，如图2的李萨茹图所示，sin0和cos0可用公式(1)表示：

sin0＝a*sinθ

cos0＝a*cos(θ+δ)公式(1)

其中，ad采样单元1将输入的模拟信号sin0和cos0转化为数字信号sin2和cos2，以供微处理器处理。

其中，正余弦比较单元2将输入的模拟信号sin0和cos0转化为脉冲信号sin1和cos1，如图3所示；且sin1的脉冲边沿变化对应sin0的n*360°和n*360°+180°，cos1的脉冲边沿变化对应cos0的n*360°+90°和n*360°+270°，n为整数；

如果输入的模拟信号sin0和cos0为理想的正交信号，那么脉冲信号sin1的上升沿1与cos2的上升沿2之间的计数值φ1和cos2的上升沿2与sin1的下降沿3之间的计数值φ2相等，如图4所示。

但在实际中sin0和cos0并不是理想的正交信号，存在一定的相位偏差δ，即φ1≠φ2，如图5所示，且相位差δ与φ1、φ2的比值有关，可用公式(2)表示：

可得到公式(3)：

其中，相位差补偿单元4可根据计数值φ1、φ2获取相位偏差，对sin2和cos2进行相位补偿，得到sin3和cos3，如公式(4)所示；

sin3＝a*sinθ+tan(δ/2)*a*cos(θ+δ)

cos3＝a*cos(θ+δ)+tan(δ/2)*a*sinθ公式(4)

位置细分单元5，根据相位补偿后的sin3和cos3，利用反正切的方法实现角度细分，如公式(5)所示，提高编码器的分辨率；

θ＝arctan(sin3/cos3)公式(5)

实施例二

本实施例提供一种相位检测及补偿方法，将相位测量转换为时间测量,在检测相位差时对正余弦比较后的脉冲信号进行计数，通过相邻脉冲之间的计数差，实现细分信号的相位差检测。包括如下步骤：

步骤1：输入模拟信号sin0和cos0；

步骤2：将输入的模拟信号sin0和cos0转化为数字信号sin2和cos2，以供微处理器处理；将输入的模拟信号sin0和cos0转化为脉冲信号sin1和cos1；脉冲信号sin1的上升沿与cos2的上升沿之间的计数值为φ1，cos2的上升沿与sin1的下降沿之间的计数值为φ2；

步骤3：根据计数值φ1、φ2获取sin0和cos0之间存在相位偏差δ，并对sin2和cos2进行相位补偿，得到sin3和cos3；

步骤4：根据相位补偿后的sin3和cos3，利用反正切的方法实现角度细分。

实施例三

本实施例提供一种绝对编码器，该绝对编码器采用上述的相位检测及补偿系统对绝对编码器的细分信号进行检测及补偿。

综上所述，采用本发明的相位检测及补偿系统进行相位检测及补偿，无需通过ad转换器，解决了补偿效果受限于ad采样率的问题，提高细分信号的高频相位补偿效果，达到增强编码器分辨率和细分精度的目的。同时有效降低了硬件电路对ad转换器的要求，从而降低生产成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。