用DSP实现增量式光电编码器的细分

1 引言

目前,各类伺服驱动器及其应用中广泛采用光栅装置作为速度测量、位置测量的敏感元件。而且,广泛采用两路正交方波的形式,系统的实时性要求极高。因此,对于光栅编码器的信号的细分等主要处理环节,一方面集中考虑提高分辨率的问题,同时,需要考虑实时性的问题。

有很多采取纯硬件进行细分的方法,如,电阻链细分,空间细分,锁相倍频,还有两种方法的结合使用等。上述几种方法在实际应用中被广泛采用,特别是电阻链细分,在低倍频的情况下是一种很好的方案。但是在高倍频的情况下,不可避免地出现大量使用比较器的情况,以及比较器死区(滞后区)问题,难以调节。空间细分的方法中,主要解决的问题是切割电平精准的问题,其中的三角波切割三角波的方案有很多优点,可以改变使用过零比较造成的细分误差。但是仍然存在大量使用比较器的问题,调节起来比较繁琐。锁相倍频细分的方法,一方面,成本较前两种高,另一方面,受环境温度的影响比较大,实际的应用中很少采用。

高速数字处理器件DSP的应用可以极大地改善系统的实时性,DSP中集成了16路10位A/D转换，同时有丰富的硬件资源，比较器、定时器，和两个专门用于产生PWM波的事件管理器。DSP中丰富的指令集为做除法提供了条件。设DSP（2407a）的时钟频率是40MHZ，除法程序可以在35个指令周期内执行完,两路A/D转换需要29个指令周期，查询数据得细分值需要两个指令周期。共69个指令周期，DSP中程序执行是流水线执行的，一个时钟周期最多可以执行4条指令。则需要不到1.6us就可以得到精确的光栅位移值。对于一般的应用场合，用DSP细分可以足够保证控制器500KHz的频带，和定位的精确性。

本文从原理上考虑在DSP中完成细分的方案,使用取绝对值,八卦限理论,利用DSP器件(速度为25纳秒)对信号进行逻辑运算和处理等一整套信号细分方案。

2 细分及框图

通过软件查询的方式进行细分。从光电编码器输出的两路角位移信号首先进行滤波整型，硬件辨向，提取整周期信号，得到粗位移；同时对两路信号进行A/D转换，通过U函数得到计数脉冲，从而得到卦限值，通过V函数得到精位移的地址信号，查询得到精位移。系统框图如下：

    输入的两路信号分别是x1=2.5*sin(fai)+2.5(v),x2=-2.5*cos(fai)+2.5(v);在DSP中有专门的16路A/D转换电路，因而不用再设计A/D转换电路。A/D转换后得到y1=|2.5*sin(fai)|,y2=|-2.5*cos(fai)|。对其进行卦限计数，

A/D转换周期由软件设定，而在硬件电路实现时，必须要考虑卦限信号，控制信号的高度同步，但在实际电路中是很难做到的。

如果将该数据与相位之间的对应关系用一张表来描述,就是我们所建立的细分表，放在DSP中的SRAM中，DSP中集成了2K×16的SRAM，足够放置查询表。两者之间并不是一一对应关系。

（FAI）(t)=arctanθt∝sinxt/cosxt;

软件流程图如下：

    软件程序流程图：

U函数取为U=y1*y2*(y2-y1);当U为零时，卦限信号就增加1

; ;;;;;;;;;;-------细分程序

XIFEN: LDP #0E1h;

CLRC SXM ; 抑制符号位扩展

LACC RESULT0,10

SACH X1 ; 存X1值

LACC RESULT1,10 ;

SACH X2; 存X2值

SETC SXM ;允许符号位扩展

LACL R1SIN;

SUB #JUNZHI ;(2.5V);

ABS

SACL Y1 ; 得到y1

LACL X2;

SUB #JUNZHI(2.5V);

ABS

SACL Y2 ; 得到y2

SUB Y1 ;

SACL Y ; 得到Y=y2-y1值,保存 ;用dsp中计数器T4记卦限

BCND ss,NEQ

Lacl y1

BCND ss,NEQ

Lacl y2

BCND ss,NEQ ;若U＝0，卦限计数器计数

set t4clkin ; 为计数器提供脉冲

ss： LACL y

BCND DEVISION,GEQ ; 判断卦限，y2>=y1 时，直接y1/y2;否则y2/y1，除数变被除数

JIAOHUAN： LACC y1 ; y1和y2交换

SACL TEMP_AD ;

LACL y2 ;

SACL y1 ;

LACC TEMP_AD ;

SACL y2 ; y2/y1 ; 毫秒为Q8格式

DEVISION LACC R1SIN ，6;;;；取分子并左移6位；

RPT ＃15 ; 后面的指令执行15＋1次。

SUBC R2COS ;16 CYCLE DIVIDED LOOP

; .ACC中的数据减去Demon 减10次，直到被减数小于0

SACL QUOT ; 得到商

SACH REMAIN ; 得到余数

LACC REMAIN; 取余数后再除

RPT ＃13 ; 后面的指令执行14次。

SUBC DENOM;

AND QUOT;

; SACL QUOT ;；；保存商。得到十位地址信号。用此信号得到RAM中对应地址细分值保存在DSP的sram中）

ADD #0800h ;SRAM 初始地址为＃0800H（

SAL XIFEN_ADR ;

LACC ＃XIFEN_ADR

ADD #0800h ;SRAM 初始地址为＃0800H

SAL XIFEN_ADR ;

LACL Y ;Y2>=Y1 ;

BCND yy2 ,GEQ

LACL #05h ；设编码最小栅格为40秒，一个卦限为5秒。

SUB #XIFEN_ADR

B YY

YY2: LACC ＃XIFEN_ADR

YY: Ldp #0eah ;

LT t4cnt ；卦限值

MPY #05h ; 一个卦限相差5秒，

APAC 得到精确细分值

根据得到的细分值与整周期值相加就可以得到对应的光栅编码信号。

当速度特别慢时，用软件判卦限会出现重复计数。也就是一个细分周期里，电机转动的位移小于20/1024秒，如下图。卦限函数使得卦限增1，产生错误。我们要舍弃这个计数。

    为了解决这个问题，我们把软件的判卦限程序改以下：用一个flaggx标志来表示卦限信号是否刚记过。刚刚记过，就舍弃掉。改正的程序流程如下图。

3 软件辨向 

要精确的控制电机，就必须精确判断当电机转动出现来回摆动时的方向。对硬件辨向只能做到在整周期计数时知道电机的转动方向，当在一个整周期内方向改变时，硬件辨向就不能及时的传递方向信息。我们根据判方向的规则，在软件中完成辨向，在1，2，7，8卦限，x2小于等于2.5v时为顺时针转动，大于2.5v为逆时针转动;在3，4，5，6卦限，x2大于2.5v时为顺时针转动， 小于等于2.5v为逆时针转动;程序流程：

direction=1,表示顺时针，为0是逆时针；

若做到1024细分, 分八个卦限，每个卦限有256个细分值。在DSP中只需要256×16个单元存储细分值即可。