編碼器正余弦信號細分技術應用研究

張道勇，黃楊根，張輝

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

在高精度、高動態性能要求的伺服系統中，通常采用輸出正余弦信號的位置檢測元件，如圓光柵、旋轉編碼器等，用于位置和速度反饋。工程應用中，由于受到碼盤加工工藝、電源波動、環境溫度變化、讀數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，以滿足伺服系統的高精度控制要求，具有重要的研究和應用價值。

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。常用的細分方法有正切直接計算法［3］、閉環跟蹤法［4］、CORDIC算法［5］、信號注入法［6］、相位編碼細分算法［7］和麥克勞林級數法［8］等。

文中主要研究編碼器正余弦信號的細分技術，側重于工程應用，以提高伺服系統的測速范圍和位置測控精度。選用HENGSTLER RS53正余弦編碼器，結合13位弦波信號插補細分芯片iC-NQI［9］和HEIDENHAIN ND281B數顯裝置，搭建了高精度交流伺服驅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，實現串行BISS［10］(Bidirectional Synchronous Serial)通信協議對iC-NQI芯片的初始化寄存器配置，并實時讀出數字化的正余弦編碼器當前速度和絕對值角度、位置值。

1 系統體系結構及主要功能

高精度交流伺服驅動測控裝置實驗平臺，體系結構如圖1所示。

圖1 交流伺服驅動系統裝置體系結構原理框圖

其中，CNC控制器經由GSK-Link工業以太網總線向主軸伺服驅動單元發出速度、位置指令，驅動單元采用實時測角的方法實現對位置信號的采集和旋轉軸位置環的閉環控制。采用iC-NQI和HEIDENHAIN ND281B角度測量值數顯裝置對轉軸位置同時進行檢測并記錄所測角位置數據，以數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位模擬弦波信號數字化專用集成器件，基于動態跟蹤(Count-safe Vector Follower Principle)細分技術，可將傳感器輸出的正余弦信號轉換為可選精度和延遲的角度位置數據，輸入弦波信號頻率可達250 kHz。芯片內部集成有可編程儀表放大器，可設定轉換精度、轉換速度、模擬信號校準參數、輸出接口模式等，功能強大，性能優良。作者利用該器件實現了高分辨率、高速度的角度、位移測量、控制系統。編碼器輸出的正余弦信號，經調理、濾波電路后，輸入iCNQI進行轉換，應用原理圖如圖2所示。

圖2 iC-NQI應用電路原理圖

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器件各參數由相應的位段設置，具體設定功能有:

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

(2)轉換功能設定參數:SELRES、HYS、FCTR;

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

(4)器件測試功能設定參數:TMODE、TMA;

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

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

iC-NQI芯片內有多個可編程D/A轉換器，可設置傳感器輸出的正弦波信號的偏移、放大倍數和相位誤差等，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字電路寄存器的方式進行調整、補償。轉換后的輸出數據由以下位段組成:3～13位的角度轉換值;0、8、12、24位的弦波周期計數值;2位的錯誤信息;5或6位CRC校驗值。此設計中，主時鐘頻率10 MHz，采用12位弦波周期計數值，10位角度轉換值，每進行一次角度、位置采樣時間為10μs左右，大大提高了系統的精度和響應速度。

3 實驗結果及分析

3.1 定位精度測試

為了檢測旋轉軸的定位精度，伺服驅動器按照每隔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3個圓周，反向旋轉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:

G01 H-2 F500;

(2)電主軸前端向后端看過去，順時針旋轉:

G01 H2 F500;

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

圖3 旋轉軸 (C軸)定位誤差分布圖

3.2 重復定位精度測試

為了檢測旋轉軸的重復定位精度，伺服驅動器在4個任意位置，正向旋轉定位5次，反向旋轉定位5次，NC程序如下:

(1)電主軸前端向后端看過去，逆時針旋轉:

G01 H-360 F2 000;

(2)電主軸前端向后端看過去，順時針旋轉:

G01 H360 F2 000;

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

圖4 旋轉軸 (C軸)重復定位精度誤差分布圖

4 結論

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

［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.基于閉環跟蹤法的正余弦編碼器細分技術［J］.計算機技術與自動化，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］.儀器儀表學報，2007，28(1):132-135.

［8］劉海龍.麥克勞林級數法求取光電編碼器轉子位置算法［J］.傳感技術學報，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.