編碼器正余弦信號細分技術(shù)應(yīng)用研究

張道勇，黃楊根，張輝

(1.廣州數(shù)控信息科技有限公司，廣東廣州510530;2.廣東第二師范學(xué)院物理系電子教研室，廣東廣州510303)

在高精度、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位置檢測元件，如圓光柵、旋轉(zhuǎn)編碼器等，用于位置和速度反饋。工程應(yīng)用中，由于受到碼盤加工工藝、電源波動、環(huán)境溫度變化、讀數(shù)頭的非線性等因素的影響，位置檢測元件輸出的正余弦編碼器信號常具有直流電平誤差、幅值誤差和正交相位誤差［1］、諧波分量誤差、噪聲誤差等［2］，直接影響伺服控制系統(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)的高精度控制要求，具有重要的研究和應(yīng)用價值。

為了提高正余弦編碼器的測量精度，需求解當前位置在其正余弦信號周期內(nèi)的精確相位來獲得更高的精度，該求解相位的方法即為細分技術(shù)。常用的細分方法有正切直接計算法［3］、閉環(huán)跟蹤法［4］、CORDIC算法［5］、信號注入法［6］、相位編碼細分算法［7］和麥克勞林級數(shù)法［8］等。

文中主要研究編碼器正余弦信號的細分技術(shù)，側(cè)重于工程應(yīng)用，以提高伺服系統(tǒng)的測速范圍和位置測控精度。選用HENGSTLER RS53正余弦編碼器，結(jié)合13位弦波信號插補細分芯片iC-NQI［9］和HEIDENHAIN ND281B數(shù)顯裝置，搭建了高精度交流伺服驅(qū)動測控裝置實驗平臺。使用可編程邏輯器件FPGA和硬件描述語言VHDL，實現(xiàn)串行BISS［10］(Bidirectional Synchronous Serial)通信協(xié)議對iC-NQI芯片的初始化寄存器配置，并實時讀出數(shù)字化的正余弦編碼器當前速度和絕對值角度、位置值。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及主要功能

高精度交流伺服驅(qū)動測控裝置實驗平臺，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)裝置體系結(jié)構(gòu)原理框圖

其中，CNC控制器經(jīng)由GSK-Link工業(yè)以太網(wǎng)總線向主軸伺服驅(qū)動單元發(fā)出速度、位置指令，驅(qū)動單元采用實時測角的方法實現(xiàn)對位置信號的采集和旋轉(zhuǎn)軸位置環(huán)的閉環(huán)控制。采用iC-NQI和HEIDENHAIN ND281B角度測量值數(shù)顯裝置對轉(zhuǎn)軸位置同時進行檢測并記錄所測角位置數(shù)據(jù)，以數(shù)顯裝置的測量值為理想值來檢測和驗證iC-NQI器件細分性能效果和應(yīng)用可靠性。

2 插補細分芯片iC-NQI

iC-NQI是德國iC-Haus公司推出的一款13位模擬弦波信號數(shù)字化專用集成器件，基于動態(tài)跟蹤(Count-safe Vector Follower Principle)細分技術(shù)，可將傳感器輸出的正余弦信號轉(zhuǎn)換為可選精度和延遲的角度位置數(shù)據(jù)，輸入弦波信號頻率可達250 kHz。芯片內(nèi)部集成有可編程儀表放大器，可設(shè)定轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、模擬信號校準參數(shù)、輸出接口模式等，功能強大，性能優(yōu)良。作者利用該器件實現(xiàn)了高分辨率、高速度的角度、位移測量、控制系統(tǒng)。編碼器輸出的正余弦信號，經(jīng)調(diào)理、濾波電路后，輸入iCNQI進行轉(zhuǎn)換，應(yīng)用原理圖如圖2所示。

圖2 iC-NQI應(yīng)用電路原理圖

電路未接EEPROM存儲器。為減少電磁干擾，正余弦細分盒與伺服驅(qū)動單元信號均采用差分輸出，并使用屏蔽雙絞線電纜傳輸。

iC-NQI器件各參數(shù)由相應(yīng)的位段設(shè)置，具體設(shè)定功能有:

(1)模擬信號的設(shè)定參數(shù):GAIN、SINOFFS、COSOFFS、REFOFFS、RATIO、PHASE;

(2)轉(zhuǎn)換功能設(shè)定參數(shù):SELRES、HYS、FCTR;

(3)信號檢測和錯誤信息設(shè)定參數(shù):SELAMPL、AMPL、AERR、FERR;

(4)器件測試功能設(shè)定參數(shù):TMODE、TMA;

(5)A、B相輸出信號設(shè)定參數(shù):CFGABZ、ROT、CBZ、ENRESDEL、ZPOS、CFGZ、CFGAB;

(6)BISS接口設(shè)定參數(shù):CFGTOS、CFGTOR、CFGSSI、BISSMOD、SELSSI、M2S、RPL。

iC-NQI芯片內(nèi)有多個可編程D/A轉(zhuǎn)換器，可設(shè)置傳感器輸出的正弦波信號的偏移、放大倍數(shù)和相位誤差等，借助強大的上位機軟件 (iC-Haus SinCosYzer?Workstation)可以測量和分析直流電平偏置、幅值、相位3種誤差，然后采用將修正值寫入數(shù)字電路寄存器的方式進行調(diào)整、補償。轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)由以下位段組成:3～13位的角度轉(zhuǎn)換值;0、8、12、24位的弦波周期計數(shù)值;2位的錯誤信息;5或6位CRC校驗值。此設(shè)計中，主時鐘頻率10 MHz，采用12位弦波周期計數(shù)值，10位角度轉(zhuǎn)換值，每進行一次角度、位置采樣時間為10μs左右，大大提高了系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 定位精度測試

為了檢測旋轉(zhuǎn)軸的定位精度，伺服驅(qū)動器按照每隔2°的角度進行一次定位，每次共定位181個位置完成一個圓周。正向旋轉(zhuǎn)3個圓周，反向旋轉(zhuǎn)3個圓周。NC程序如下:

(1)電主軸前端向后端看過去，逆時針旋轉(zhuǎn):

G01 H-2 F500;

(2)電主軸前端向后端看過去，順時針旋轉(zhuǎn):

G01 H2 F500;

利用ND281B數(shù)顯裝置測試其轉(zhuǎn)動角度，將各個角位置的誤差值記錄下來，測試結(jié)果如圖3所示。可以看出旋轉(zhuǎn)軸的誤差呈現(xiàn)出一種波動的特性，但誤差范圍均在0.005°(18")以內(nèi)。

圖3 旋轉(zhuǎn)軸 (C軸)定位誤差分布圖

3.2 重復(fù)定位精度測試

為了檢測旋轉(zhuǎn)軸的重復(fù)定位精度，伺服驅(qū)動器在4個任意位置，正向旋轉(zhuǎn)定位5次，反向旋轉(zhuǎn)定位5次，NC程序如下:

(1)電主軸前端向后端看過去，逆時針旋轉(zhuǎn):

G01 H-360 F2 000;

(2)電主軸前端向后端看過去，順時針旋轉(zhuǎn):

G01 H360 F2 000;

利用ND281B數(shù)顯裝置測試其前進距離，并算出每次定位重復(fù)性誤差，記錄下來，測試結(jié)果如圖4所示。取測試最大的誤差作為系統(tǒng)的重復(fù)定位精度，可知旋轉(zhuǎn)軸重復(fù)定位精度在0.001°(3.6")以內(nèi)。

圖4 旋轉(zhuǎn)軸 (C軸)重復(fù)定位精度誤差分布圖

4 結(jié)論

選用HENGSTLER RS53正余弦編碼器，結(jié)合13位弦波信號插補細分芯片iC-NQI和 HEIDENHAIN ND281B數(shù)顯裝置，搭建了高精度交流伺服驅(qū)動測控裝置實驗平臺。試驗結(jié)果表明:iC-NQI器件運行平穩(wěn)，性能可靠，系統(tǒng)定位精度可達到0.005°(18")，重復(fù)定位精度可達到0.001°(3.6")，滿足高分辨率、高動態(tài)性能伺服運動控制的要求，在高精度、高速度數(shù)控機床加工等行業(yè)領(lǐng)域中具有重要的實際應(yīng)用價值。

［1］KRAH J O，SCHMIRGEL H.FPGA Based Sine-Cosine Encoder Feedback Processing for Servo Drive Applications［C］//International Exhibition＆ Conference for Power E-lectronics Intelligent Motion Power Quality 2007.Nuremberg，Germany:Mesago PCIM GmbH，2007.

［2］王顯軍.光電軸角編碼器細分信號誤差及精度分析［J］.光學(xué)精密工程，2012，20(2):379-386.

［3］CHARLESF Lepple.Implementation of a High-speed Sinusoidal Encoder Interpolation System［D］.Virginia Polytechnic Institute and State University，2004.

［4］吳立，羅欣，沈安文，等.基于閉環(huán)跟蹤法的正余弦編碼器細分技術(shù)［J］.計算機技術(shù)與自動化，2011，30(4):5-8.

［5］盧少武，唐小琦，馬澤龍.CORDIC算法在光柵莫爾條紋細分中的應(yīng)用［J］.自動化儀表，2010(5):23-25.

［6］洪小圓，王鹿軍，呂鄭宇.一種新穎的正弦正交編碼器細分方法［J］.電源學(xué)報，2011(1):12-15.

［7］陳曉榮.增量式編碼器的相位編碼細分研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2007，28(1):132-135.

［8］劉海龍.麥克勞林級數(shù)法求取光電編碼器轉(zhuǎn)子位置算法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2013，26(5):616-621.

［9］iC-Haus.iC-NQI Technical Datasheet［M］.Rev A2，2011.

［10］iC-Haus.Biss Interface Protocol Description(C-Mode)［M］.2008.