編碼器正余弦信號(hào)細(xì)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(dòng)態(tài)性能要求的伺服系統(tǒng)中，通常采用輸出正余弦信號(hào)的位置檢測(cè)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(pán)加工工藝、電源波動(dòng)、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(cè)元件輸出的正余弦編碼器信號(hào)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(duì)正余弦編碼器輸出的角位置信號(hào)誤差進(jìn)行有效的修正和補(bǔ)償，采用合適的插值方法從正余弦信號(hào)中提取出高分辨率的位置信息，以滿(mǎn)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(jià)值。

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

文中主要研究編碼器正余弦信號(hào)的細(xì)分技術(shù)，側(cè)重于工程應(yīng)用，以提高伺服系統(tǒng)的測(cè)速范圍和位置測(cè)控精度。選用HENGSTLER RS53正余弦編碼器，結(jié)合13位弦波信號(hào)插補(bǔ)細(xì)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(dòng)測(cè)控裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。使用可編程邏輯器件FPGA和硬件描述語(yǔ)言VHDL，實(shí)現(xiàn)串行BISS［10］(Bidirectional Synchronous Serial)通信協(xié)議對(duì)iC-NQI芯片的初始化寄存器配置，并實(shí)時(shí)讀出數(shù)字化的正余弦編碼器當(dāng)前速度和絕對(duì)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(dòng)測(cè)控裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交流伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)單元發(fā)出速度、位置指令，驅(qū)動(dòng)單元采用實(shí)時(shí)測(cè)角的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)位置信號(hào)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(cè)量值數(shù)顯裝置對(duì)轉(zhuǎn)軸位置同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)并記錄所測(cè)角位置數(shù)據(jù)，以數(shù)顯裝置的測(cè)量值為理想值來(lái)檢測(cè)和驗(yàn)證iC-NQI器件細(xì)分性能效果和應(yīng)用可靠性。

2 插補(bǔ)細(xì)分芯片iC-NQI

iC-NQI是德國(guó)iC-Haus公司推出的一款13位模擬弦波信號(hào)數(shù)字化專(zhuān)用集成器件，基于動(dòng)態(tài)跟蹤(Count-safe Vector Follower Principle)細(xì)分技術(shù)，可將傳感器輸出的正余弦信號(hào)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(hào)頻率可達(dá)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(hào)校準(zhǔn)參數(shù)、輸出接口模式等，功能強(qiáng)大，性能優(yōu)良。作者利用該器件實(shí)現(xiàn)了高分辨率、高速度的角度、位移測(cè)量、控制系統(tǒng)。編碼器輸出的正余弦信號(hào)，經(jīng)調(diào)理、濾波電路后，輸入iCNQI進(jìn)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(chǔ)器。為減少電磁干擾，正余弦細(xì)分盒與伺服驅(qū)動(dòng)單元信號(hào)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(hào)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(hào)檢測(cè)和錯(cuò)誤信息設(shè)定參數(shù):SELAMPL、AMPL、AERR、FERR;

(4)器件測(cè)試功能設(shè)定參數(shù):TMODE、TMA;

(5)A、B相輸出信號(hào)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(gè)可編程D/A轉(zhuǎn)換器，可設(shè)置傳感器輸出的正弦波信號(hào)的偏移、放大倍數(shù)和相位誤差等，借助強(qiáng)大的上位機(jī)軟件 (iC-Haus SinCosYzer?Workstation)可以測(cè)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(xiě)入數(shù)字電路寄存器的方式進(jìn)行調(diào)整、補(bǔ)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(jì)數(shù)值;2位的錯(cuò)誤信息;5或6位CRC校驗(yàn)值。此設(shè)計(jì)中，主時(shí)鐘頻率10 MHz，采用12位弦波周期計(jì)數(shù)值，10位角度轉(zhuǎn)換值，每進(jìn)行一次角度、位置采樣時(shí)間為10μs左右，大大提高了系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 定位精度測(cè)試

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

(1)電主軸前端向后端看過(guò)去，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn):

G01 H-2 F500;

(2)電主軸前端向后端看過(guò)去，順時(shí)針旋轉(zhuǎn):

G01 H2 F500;

利用ND281B數(shù)顯裝置測(cè)試其轉(zhuǎn)動(dòng)角度，將各個(gè)角位置的誤差值記錄下來(lái)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鲂D(zhuǎn)軸的誤差呈現(xiàn)出一種波動(dòng)的特性，但誤差范圍均在0.005°(18")以?xún)?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(cè)試

為了檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸的重復(fù)定位精度，伺服驅(qū)動(dòng)器在4個(gè)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(guò)去，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn):

G01 H-360 F2 000;

(2)電主軸前端向后端看過(guò)去，順時(shí)針旋轉(zhuǎn):

G01 H360 F2 000;

利用ND281B數(shù)顯裝置測(cè)試其前進(jìn)距離，并算出每次定位重復(fù)性誤差，記錄下來(lái)，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。取測(cè)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?xún)?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(hào)插補(bǔ)細(xì)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(dòng)測(cè)控裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)結(jié)果表明:iC-NQI器件運(yùn)行平穩(wěn)，性能可靠，系統(tǒng)定位精度可達(dá)到0.005°(18")，重復(fù)定位精度可達(dá)到0.001°(3.6")，滿(mǎn)足高分辨率、高動(dòng)態(tài)性能伺服運(yùn)動(dòng)控制的要求，在高精度、高速度數(shù)控機(jī)床加工等行業(yè)領(lǐng)域中具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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