本發(fā)明涉及一種預(yù)處理電路，尤其涉及一種增量式正余弦編碼器信號(hào)的預(yù)處理電路。

背景技術(shù)：

信號(hào)預(yù)處理是對(duì)各種類型的電信號(hào)進(jìn)行前期處理，是按各種預(yù)期的目的及要求進(jìn)行加工過(guò)程的統(tǒng)稱，就是要把記錄在某種媒體上的信號(hào)進(jìn)行處理，以便抽取出有用信息的過(guò)程，它是對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取、變換、分析、綜合等處理過(guò)程的統(tǒng)稱。

增量式正余弦編碼器在進(jìn)行粗位置計(jì)數(shù)或精位置插值的之前，必須對(duì)編碼器的原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。一方面，預(yù)處理電路為后續(xù)DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)中的粗位置計(jì)數(shù)單元(粗位置計(jì)數(shù)，即先對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行4倍頻，然后計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置)提供理想的方波信號(hào)源；另一方面，預(yù)處理電路為后續(xù)DSP中的精確位置插值單元提供理想的模擬信號(hào)源。所謂的精確位置插值，即對(duì)模擬信號(hào)的一個(gè)周期進(jìn)行時(shí)間分割，分割成若干個(gè)相等的信號(hào)段，本來(lái)模擬信號(hào)的一個(gè)周期只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，現(xiàn)在經(jīng)過(guò)插值分成若干個(gè)相等的信號(hào)段后就會(huì)產(chǎn)若干個(gè)觸發(fā)脈沖。提高了計(jì)數(shù)系統(tǒng)的分辨率。例如，某型增量式正余弦編碼器的線數(shù)是2048(每轉(zhuǎn)產(chǎn)生2048個(gè)信號(hào)周期)，經(jīng)4倍頻后其物理分辨率＝模擬信號(hào)一個(gè)周期/4＝360*3600/(2048*4)＝158.203125弧度秒，這個(gè)數(shù)值就是DSP中粗位置計(jì)數(shù)單元對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行位置計(jì)數(shù)的分辨率。傳統(tǒng)的對(duì)編碼器的方波信號(hào)處理方法及電路因?yàn)闊o(wú)法突破4倍頻這個(gè)概念(更多的倍頻將使得位置信號(hào)失真)，因此無(wú)法獲得更高的轉(zhuǎn)子位置計(jì)數(shù)系統(tǒng)分辨率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種增量式正余弦編碼器信號(hào)的預(yù)處理電路，其輸出帶有安全和冗余功能的預(yù)處理信號(hào)。

本發(fā)明的解決方案是：一種增量式正余弦編碼器信號(hào)的預(yù)處理電路，其包括加法器、減法器、反相器、三個(gè)比例放大差分整形電路、三個(gè)比較器；該預(yù)處理電路用于輸出帶有安全和冗余功能的預(yù)處理信號(hào)，該預(yù)處理信號(hào)的每一幀包括以下信號(hào)：

Asinα：比例放大差分整形電路一對(duì)增量式正余弦編碼器輸出的一對(duì)正弦增量信號(hào)A+和A-，進(jìn)行差分整形、比例放大，生成A相正弦信號(hào)Asinα；

Bcosα：比例放大差分整形電路二對(duì)增量式正余弦編碼器輸出的一對(duì)余弦增量信號(hào)B+和B-，進(jìn)行差分整形、比例放大，生成B相余弦信號(hào)Bcosα；其中，A相正弦信號(hào)Asinα和B相余弦信號(hào)Bcosα的相位相差90°；

Asin(α+45°)：加法器對(duì)A相正弦信號(hào)Asinα加上B相余弦信號(hào)Bcosα做模擬量加法運(yùn)算形成信號(hào)再乘以系數(shù)得到相對(duì)A相正弦信號(hào)Asinα移相45°的A相45°移相信號(hào)Asin(α+45°)；

－Bcos(α+45°)：減法器對(duì)B相余弦信號(hào)Bcosα減去A相正弦信號(hào)Asinα做模擬量減法運(yùn)算形成信號(hào)再乘以系數(shù)得到相對(duì)B相余弦信號(hào)Bcosα移相45°的B相45°移相信號(hào)Bcos(α+45°)，再經(jīng)由反相器反轉(zhuǎn)，生成反轉(zhuǎn)信號(hào)－Bcos(α+45°)；

S_A_1：比較器一將A相正弦信號(hào)Asinα轉(zhuǎn)換為A相方波信號(hào)S_A_1；

S_A_2：S_A_1進(jìn)行交差冗余生成A相方波冗余信號(hào)S_A_2；

S_B_1：比較器二將B相余弦信號(hào)Bcosα轉(zhuǎn)換為B相方波信號(hào)S_B_1；

S_B_2：S_B_1進(jìn)行交差冗余生成B相方波冗余信號(hào)S_B_2；

S_R：比例放大差分整形電路三對(duì)增量式正余弦編碼器輸出的一對(duì)參考點(diǎn)增量信號(hào)R+和R-，進(jìn)行差分整形、比例放大后再由比較器三轉(zhuǎn)換為參考點(diǎn)R方波信號(hào)S_R。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，每個(gè)比例放大差分整形電路包括對(duì)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)差分整形的差分整形電路和實(shí)現(xiàn)比例放大的比例放大電路。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，每個(gè)比例放大差分整形電路包括電阻R1～R6、電阻R20、電容C1～C5、電容C7、運(yùn)算放大器U1～U3；正弦增量信號(hào)A+輸入運(yùn)算放大器U1的同相端，正弦增量信號(hào)A－輸入運(yùn)算放大器U2的同相端，運(yùn)算放大器U1、U2的兩個(gè)同相端之間串聯(lián)電阻R1，且運(yùn)算放大器U1、U2的兩個(gè)同相端分別并聯(lián)電容C1、C2，搭建一階RC濾波，運(yùn)算放大器U1、U2的兩個(gè)反相端分別連接各自的輸出端，形成負(fù)反饋；運(yùn)算放大器U1的輸出端經(jīng)由電阻R2連接運(yùn)算放大器U3的同相端，運(yùn)算放大器U2的輸出端經(jīng)由電阻R3連接運(yùn)算放大器U3的反相端，運(yùn)算放大器U3的同相端還經(jīng)由電容C4、C3接地，電阻R4并聯(lián)在電容C4上，電容C4、C3之間接入電源；運(yùn)算放大器U3反相端經(jīng)由電容C5連接運(yùn)算放大器U3的輸出端，電阻R5并聯(lián)在電容C5上，電容C7的一端連接在電阻R6和電阻20之間，電容C7的另一端接地；運(yùn)算放大器U3的輸出端還經(jīng)由電阻R6、電阻R20作為比例放大差分整形電路的輸出端。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該比較器一的同相端接收A相正弦信號(hào)Asinα，該比較器一的反相端一方面接電源，用作偏置電壓，另一方面經(jīng)由一個(gè)電容C6接地，該比較器一的輸出端輸出A相方波信號(hào)S_A_1。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該比較器二的同相端接收B相余弦信號(hào)Bcosα，該比較器二的反相端一方面接電源，用作偏置電壓，另一方面經(jīng)由一個(gè)電容接地，該比較器二的輸出端輸出B相方波信號(hào)S_B_1。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該比例放大差分整形電路三的輸出端連接該比較器三的同相端，該比較器三的反相端一方面接電源，用作偏置電壓，另一方面經(jīng)由一個(gè)電容接地，該比較器三的輸出端輸出參考點(diǎn)R矩形波信號(hào)S_R。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該加法器包括電阻R7～R11、運(yùn)算放大器U5；A相正弦信號(hào)Asinα、B相余弦信號(hào)Bcosα分別經(jīng)由電阻R7、電阻R8連接運(yùn)算放大器U5的同相端，運(yùn)算放大器U5的反相端經(jīng)由電阻R10接地，電阻R9的兩端分別連接運(yùn)算放大器U5的反相端和輸出端，運(yùn)算放大器U5的輸出端經(jīng)由電阻R11輸出A相45°移相信號(hào)Asin(α+45°)。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該減法器包括電阻R12～R16、運(yùn)算放大器U6；A相正弦信號(hào)Asinα經(jīng)由電阻R12連接運(yùn)算放大器U6的反相端，B相余弦信號(hào)Bcosα經(jīng)由電阻R13連接運(yùn)算放大器U6的同相端，運(yùn)算放大器U6的同相端經(jīng)由電阻R14接地，電阻R15的兩端分別連接運(yùn)算放大器U6的反相端和輸出端，運(yùn)算放大器U6的輸出端經(jīng)由電阻R16輸出信號(hào)

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該反相器包括電阻R17～R19、運(yùn)算放大器U7；信號(hào)輸入運(yùn)算放大器U7的反相端，運(yùn)算放大器U7的同相端經(jīng)由電阻R17接地，電阻R18的兩端分別連接運(yùn)算放大器U7的反相端和輸出端，運(yùn)算放大器U7的輸出端經(jīng)由電阻R19輸出反轉(zhuǎn)信號(hào)－Bcos(α+45°)。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，正弦增量信號(hào)A+和A-、余弦增量信號(hào)B+和B-、參考點(diǎn)增量信號(hào)R+和R-都是以差分信號(hào)方式進(jìn)行傳輸。

在本發(fā)明中，通過(guò)對(duì)增量式正余弦編碼器信號(hào)預(yù)處理而輸出的多功能信號(hào)，為下游DSP處理提供了多種選擇，能夠滿足不同用戶不同程度的需求。本發(fā)明涉及到的預(yù)處理電路可在FPGA中用硬件描述語(yǔ)言把本發(fā)明的電路設(shè)計(jì)為IP core，甚至還可設(shè)計(jì)制造成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的ASIC芯片，本發(fā)明是本領(lǐng)域在提升國(guó)家裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)研究，尤其是對(duì)提高交流伺服永磁同步電機(jī)等執(zhí)行部件的轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置精度，作出了最大貢獻(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1是增量式正余弦編碼器信號(hào)的預(yù)處理電路的電路結(jié)構(gòu)圖。

圖2是圖1中比例放大差分整形電路一和比較器一的電性接連圖。

圖3是由MATLAB對(duì)圖1中差分整形電路一和差分整形電路二分別進(jìn)行仿真得到的相位相差90度的A相和B相的正余弦信號(hào)波形圖。

圖4是由MATLAB對(duì)圖1中比較器一進(jìn)行仿真得到的A相方波信號(hào)圖。

圖5是圖1中加法器的電路圖。

圖6是由MATLAB對(duì)圖4中電路進(jìn)行仿真得到的輸出信號(hào)波形圖。

圖7是圖1中減法器和反相器的電路連接圖。

圖8是由MATLAB對(duì)圖7中電路進(jìn)行仿真得到的輸出信號(hào)波形圖。

圖9是對(duì)最終輸出的兩路信號(hào)ASin(a+45°)和-Bcos(a+45°)在MATLAB中進(jìn)行比較的信號(hào)波形圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請(qǐng)一并參閱圖1至圖9，本發(fā)明的增量式正余弦編碼器信號(hào)的預(yù)處理電路用于輸出帶有安全和冗余功能的預(yù)處理信號(hào)，這是和傳統(tǒng)預(yù)處理信號(hào)之間存在的較大的不同之處。請(qǐng)參閱圖1，本該預(yù)處理電路包括三個(gè)比例放大差分整形電路1～3、三個(gè)比較器4～6、加法器7、減法器8、反相器9。

該預(yù)處理信號(hào)的每一幀包括以下信號(hào)Asinα、Bcosα、Asin(α+45°)、－Bcos(α+45°)、S_A_1、S_A_2、S_B_1、S_B_2、S_R。

Asinα：比例放大差分整形電路一對(duì)增量式正余弦編碼器輸出的一對(duì)正弦增量信號(hào)A+和A-，進(jìn)行差分整形、比例放大，生成A相正弦信號(hào)Asinα。

Bcosα：比例放大差分整形電路二對(duì)增量式正余弦編碼器輸出的一對(duì)余弦增量信號(hào)B+和B-，進(jìn)行差分整形、比例放大，生成B相余弦信號(hào)Bcosα；其中，A相正弦信號(hào)Asinα和B相余弦信號(hào)Bcosα的相位相差90°。

Asin(α+45°)：加法器7對(duì)A相正弦信號(hào)Asinα加上B相余弦信號(hào)Bcosα做模擬量加法運(yùn)算形成信號(hào)再乘以系數(shù)得到相對(duì)A相正弦信號(hào)Asinα移相45°的A相45°移相信號(hào)Asin(α+45°)。

－Bcos(α+45°)：減法器8對(duì)B相余弦信號(hào)Bcosα減去A相正弦信號(hào)Asinα做模擬量減法運(yùn)算形成信號(hào)再乘以系數(shù)得到相對(duì)B相余弦信號(hào)Bcosα移相45°的B相45°移相信號(hào)Bcos(α+45°)，再經(jīng)由反相器9反轉(zhuǎn)，生成反轉(zhuǎn)信號(hào)－Bcos(α+45°)。

S_A_1：比較器一將A相正弦信號(hào)Asinα轉(zhuǎn)換為A相方波信號(hào)S_A_1。

S_A_2：S_A_1進(jìn)行交叉冗余生成A相方波冗余信號(hào)S_A_2。

S_B_1：比較器二將B相余弦信號(hào)Bcosα轉(zhuǎn)換為B相方波信號(hào)S_B_1。

S_B_2：S_B_1進(jìn)行冗余生成B相方波冗余信號(hào)S_B_2。

S_R：比例放大差分整形電路三對(duì)增量式正余弦編碼器輸出的一對(duì)參考點(diǎn)增量信號(hào)R+和R-，進(jìn)行差分整形、比例放大后再由比較器三轉(zhuǎn)換為參考點(diǎn)R方波信號(hào)S_R。其中，正弦增量信號(hào)A+和A-、余弦增量信號(hào)B+和B-、參考點(diǎn)增量信號(hào)R+和R-都是以差分信號(hào)方式進(jìn)行傳輸。

需要指出的是，本發(fā)明的重點(diǎn)并不在于三個(gè)比例放大差分整形電路1～3、三個(gè)比較器4～6、加法器電路7、減法器8、反相器9等這些部件本身，而是指主要由這些部件(三個(gè)比例放大差分整形電路1～3、三個(gè)比較器4～6、加法器電路7、減法器8、反相器9等)構(gòu)成的完成本發(fā)明所需要的輸出帶有安全和冗余功能的預(yù)處理信號(hào)的這種構(gòu)思。就如同電路，組成電路的電阻、電感、芯片等是現(xiàn)有技術(shù)中本身就存在的，但是并不因?yàn)樗鼈兊拇嬖冢鸵馕吨伤鼈兘M成的電路一定是顯而易見(jiàn)的、一定是本領(lǐng)域技術(shù)人員的常規(guī)選擇，否則就阻礙了電路的不斷創(chuàng)新，就違背了專利法的目的。本發(fā)明在此想要表達(dá)的是：截止本發(fā)明申請(qǐng)之前，并未檢索到本發(fā)明的增量式正余弦編碼器信號(hào)的預(yù)處理電路這樣的電氣結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出本發(fā)明的增量式正余弦編碼器信號(hào)的預(yù)處理電路需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)，至少本領(lǐng)域技術(shù)人員從來(lái)就沒(méi)有這樣做過(guò)。

根據(jù)海德漢編碼器接口定義，對(duì)于1VPP正余弦增量輸出電壓信號(hào)A和B的典型幅值為1VPP，相位差為90°的電子角。接口信號(hào)為三對(duì)差分信號(hào)。在本發(fā)明的預(yù)處理電路中，為了得到A、B兩相信號(hào)即A相正弦信號(hào)Asinα、B相余弦信號(hào)Bcosα，需要對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行差分整形，比例放大等。同時(shí)為了能夠由A、B兩相信號(hào)各自經(jīng)過(guò)比較器獲得方波信號(hào)(主要是指方波信號(hào))，獲得的高低電平需滿足采樣芯片或者FPGA管腳等要求。

請(qǐng)結(jié)合圖2，每個(gè)比例放大差分整形電路可包括對(duì)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)差分整形的差分整形電路和實(shí)現(xiàn)比例放大的比例放大電路。在本實(shí)施例中，每個(gè)比例放大差分整形電路包括電阻R1～R6、電阻R20、電容C1～C5、電容C7、運(yùn)算放大器U1～U3。

正弦增量信號(hào)A+輸入運(yùn)算放大器U1的同相端，正弦增量信號(hào)A－輸入運(yùn)算放大器U2的同相端，運(yùn)算放大器U1、U2的兩個(gè)同相端之間串聯(lián)電阻R1，且運(yùn)算放大器U1、U2的兩個(gè)同相端分別并聯(lián)電容C1、C2，搭建一階RC濾波，運(yùn)算放大器U1、U2的兩個(gè)反相端分別連接各自的輸出端，形成負(fù)反饋。運(yùn)算放大器U1的輸出端經(jīng)由電阻R2連接運(yùn)算放大器U3的同相端，運(yùn)算放大器U2的輸出端經(jīng)由電阻R3連接運(yùn)算放大器U3的反相端，運(yùn)算放大器U3的同相端還經(jīng)由電容C4、C3接地，電阻R4并聯(lián)在電容C4上，電容C4、C3之間接入電源。運(yùn)算放大器U3反相端經(jīng)由電容C5連接運(yùn)算放大器U3的輸出端，電阻R5并聯(lián)在電容C5上，電容C7的一端連接在電阻R6和電阻20之間，電容C7的另一端接地。運(yùn)算放大器U3的輸出端還經(jīng)由電阻R6、電阻R20作為比例放大差分整形電路的輸出端。

比例放大差分整形電路一1的輸出端連接該比較器一4的同相端，使該比較器一的同相端接收A相正弦信號(hào)Asinα，該比較器一4的反相端一方面接電源Vcc，用作偏置電壓，另一方面經(jīng)由一個(gè)電容C6接地，該比較器一4的輸出端輸出A相方波信號(hào)S_A_1。同理，比例放大差分整形電路二2的輸出端連接該比較器二5的同相端，使該比較器二的同相端接收B相余弦信號(hào)Bcosα，該比較器二5的反相端一方面接電源(圖未示)，用作偏置電壓，另一方面經(jīng)由一個(gè)電容(圖未示)接地，該比較器二5的輸出端輸出B相方波信號(hào)S_B_1。比例放大差分整形電路三3的輸出端連接該比較器三6的同相端，該比較器三6的反相端一方面接電源(圖未示)，用作偏置電壓，另一方面經(jīng)由一個(gè)電容(圖未示)接地，該比較器三6的輸出端輸出參考點(diǎn)R方波信號(hào)S_R。

由編碼器接口出來(lái)的正弦增量信號(hào)A相和B相，是一對(duì)相差90度的幅值為1V的差分信號(hào)，這里將差分信號(hào)A相和B相分別進(jìn)行處理。以差分信號(hào)A+和A-為例，分別經(jīng)過(guò)兩路放大器U1和U2進(jìn)行放大，再進(jìn)入放大器U3進(jìn)行差分整合，輸出一路正弦信號(hào)Asinα，幅值范圍為0V～3.3V，同時(shí)將正弦信號(hào)Asinα輸入比較器U4，通過(guò)1.5V的偏置電壓，根據(jù)比較器特性參數(shù)，可得到一路近似于方波的信號(hào)，幅值范圍為0.4V～2.6V。圖4和圖3分別是由MATLAB對(duì)圖1中差分整形電路進(jìn)行仿真得到的方波信號(hào)和相位相差90度的A相和B相的正余弦信號(hào)波形。

請(qǐng)結(jié)合圖5，加法器包括電阻R7～R11、運(yùn)算放大器U5。Asinα、Bcosα分別經(jīng)由電阻R7、R8連接運(yùn)算放大器U5的同相端，運(yùn)算放大器U5的反相端經(jīng)由電阻R10接地，電阻R9的兩端分別連接運(yùn)算放大器U5的反相端和輸出端，運(yùn)算放大器U5的輸出端經(jīng)由電阻R11輸出Asin(α+45°)。

這一部分電路是差分整形，比例放大及比較單路，生成A相正弦信號(hào)Asinα。最后通過(guò)1.5V的偏置電壓進(jìn)行比較，輸出低電平為0.4V、高電平為2.6V的方波信號(hào)，即A相方波信號(hào)S_A。反相加法器電路7通過(guò)反饋電阻的阻值，以0.707(即)的比例進(jìn)行乘積。

在經(jīng)過(guò)差分整形電路輸出的兩路相位相差90度的正余弦信號(hào)Asinα和Bcosα，輸入加法器U5的同向端，同時(shí)兩相正余弦信號(hào)幅值相等。為滿足：

圖5中通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R8、R7、R10和R9的電阻值使?jié)M足上述關(guān)系系數(shù)。

根據(jù)虛斷，同向輸入端沒(méi)有電流通過(guò)，導(dǎo)致通過(guò)電阻R8和R7的電流相等，通過(guò)電阻R10和R9的電流也相等。

因此：

根據(jù)虛斷，

V₊＝V_-

由此可得出：

圖6是由MATLAB對(duì)電路進(jìn)行仿真得到的輸出信號(hào)波形，在圖6中可以看到，在加法器同向端輸入A相和B相兩相信號(hào)，經(jīng)過(guò)加法器處理后，波形會(huì)相移45°，幅值增大約1.414倍，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R8、R7、R10和R9的電阻值，使幅值縮小0.707倍，便可以得到輸出信號(hào)Asin(α+45°)的波形。

請(qǐng)結(jié)合圖7，該減法器包括電阻R12～R16、運(yùn)算放大器U6。A相正弦信號(hào)Asinα經(jīng)由電阻R12連接運(yùn)算放大器U6的反相端，B相余弦信號(hào)Bcosα經(jīng)由電阻R13連接運(yùn)算放大器U6的同相端，運(yùn)算放大器U6的同相端經(jīng)由電阻R14接地，電阻R15的兩端分別連接運(yùn)算放大器U6的反相端和輸出端，運(yùn)算放大器U6的輸出端經(jīng)由電阻R16輸出信號(hào)

該反相器包括電阻R17～R19、運(yùn)算放大器U7。信號(hào)輸入運(yùn)算放大器U7的反相端，運(yùn)算放大器U7的同相端經(jīng)由電阻R17接地，電阻R18的兩端分別連接運(yùn)算放大器U7的反相端和輸出端，運(yùn)算放大器U7的輸出端經(jīng)由電阻R19輸出B相45°移相和反轉(zhuǎn)信號(hào)－Bcos(α+45°)。

而對(duì)于DSP中的精確位置插值單元來(lái)說(shuō)，對(duì)模擬信號(hào)的一個(gè)周期進(jìn)行時(shí)間分割插值，例如分割成8等份，那么插值后的分辨率＝模擬信號(hào)一個(gè)周期/8＝360*3600/(2048*8)＝79.1015625弧度秒，這個(gè)數(shù)值是對(duì)一個(gè)信號(hào)周期進(jìn)行8等分插值細(xì)分后獲得的轉(zhuǎn)子位置計(jì)數(shù)系統(tǒng)分辨率，顯然，這個(gè)分辨率比粗位置計(jì)數(shù)分辨率提高了1倍。再舉例，一臺(tái)高精密CNC機(jī)床要求轉(zhuǎn)子位置精度±5弧度秒，那么需要對(duì)一個(gè)信號(hào)周期進(jìn)行插值細(xì)分的數(shù)量＝360*3600/(2*5*2048)＝63.28125，即只需對(duì)一個(gè)信號(hào)周期進(jìn)行64等分的插值處理，就可以獲得小于±5弧度秒的轉(zhuǎn)子位置精度。

DSP除了接收來(lái)自預(yù)處理電路的信號(hào)Asinα和Bcosα，并據(jù)此進(jìn)行轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)速度計(jì)算外(提供對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置的粗略位置計(jì)數(shù)和精確位置插值的計(jì)算功能之)，DSP還接收來(lái)自預(yù)處理電路的安全信號(hào)Asin(α+45°)和－Bcos(α+45°)，并據(jù)此安全信號(hào)再次進(jìn)行轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)速度計(jì)算，DSP對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)速度的兩組計(jì)算結(jié)果進(jìn)行交叉比較，對(duì)比較結(jié)果執(zhí)行安全操作。

在經(jīng)過(guò)差分整形電路輸出的兩路相位相差90度的正余弦信號(hào)Asinα和Bcosα，輸入減法器不同向端，兩相正余弦信號(hào)幅值相等，同時(shí)將得到的輸出信號(hào)輸入反相器進(jìn)行反相。為滿足：

圖7中通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R13、R12、R14和R15的電阻值使?jié)M足上述關(guān)系系數(shù)。

根據(jù)虛斷，U6同向輸入端沒(méi)有電流通過(guò)，導(dǎo)致通過(guò)電阻R12和R13的電流相等，通過(guò)電阻R14和R15的電流也相等。

因此：

根據(jù)虛斷，

V₊＝V_-

由此可得出：

將得到的幅值增大約1.414倍的余弦信號(hào)輸入反相器中，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R16和R18的阻值大小，使幅值縮小0.707倍，相位反相180度。

在U7中，運(yùn)放的同向端接地。根據(jù)虛短，反向端電壓0V。根據(jù)虛斷，反向輸入端輸入高電阻，幾乎沒(méi)有電流輸入輸出，電阻R16和R18串聯(lián)，通過(guò)電阻R16和R18的電流相等。

通過(guò)電阻R16的電流：

通過(guò)電阻R18的電流：I₇＝(V_{_}-Vout)/R₁₈

根據(jù)虛斷，V₊＝V_{_}

由此可得出：

圖8是由MATLAB對(duì)圖7電路進(jìn)行仿真得到的輸出信號(hào)波形，在圖中可以看到，在減法器不同向端輸入A相和B相兩相信號(hào)，經(jīng)過(guò)減法器處理后，波形會(huì)相移45°，通過(guò)調(diào)節(jié)R13、R12、R14和R15的電阻值，使幅值增大約1.414倍，得到輸出信號(hào)的波形通過(guò)調(diào)節(jié)R16和R18的電阻值，使幅值縮小0.707倍，同時(shí)進(jìn)行反相，便可以得到輸出信號(hào)－Bcos(α+45°)的波形。

圖9是對(duì)最終輸出的兩路信號(hào)Asin(α+45°)和－Bcos(α+45°)在MATLAB中進(jìn)行比較，從輸出信號(hào)的起始點(diǎn)來(lái)看，經(jīng)過(guò)加法器和減法器與反相器處理后，兩路正余弦信號(hào)Asin(α+45°)和－Bcos(α+45°)會(huì)有135°的相位差，但從信號(hào)的連續(xù)性連看，經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)與A相和B相兩相信號(hào)一樣都是有90度的相位差。所以，信號(hào)起始處的相位差是可以忽略的。

對(duì)編碼器信號(hào)的處理，包括DSP處理(粗略位置計(jì)數(shù)和精確位置插值)和編碼器信號(hào)預(yù)處理。尤其對(duì)增量式正余弦編碼器信號(hào)的處理是獲得伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置(尤其高分辨率轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置)的關(guān)鍵并唯一的途徑，是高精密CNC機(jī)床、伺服機(jī)械手、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、多功能數(shù)控角度銑頭、電主軸等執(zhí)行部件提高伺服軸(含直線軸和旋轉(zhuǎn)軸)精度的必要物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)編碼器信號(hào)的處理(計(jì)數(shù)及安全)及數(shù)字化一直是國(guó)家裝備制造業(yè)的技術(shù)短板，為了打破西方的技術(shù)壟斷、提升我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床、交流伺服傳動(dòng)的位置檢測(cè)及反饋精度，已經(jīng)上升為國(guó)家高度。《智能制造裝備創(chuàng)新發(fā)展工程實(shí)施方案》(發(fā)改高技[2014]2072號(hào))文件在關(guān)于全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的描述中要求實(shí)現(xiàn)交流伺服驅(qū)動(dòng)內(nèi)部控制及測(cè)量單元的全數(shù)字化。文件中提到的交流伺服驅(qū)動(dòng)內(nèi)部控制及測(cè)量單元指的就是CNC領(lǐng)域廣泛使用的交流伺服永磁同步電機(jī)及電機(jī)中的正余弦信號(hào)編碼器?？梢?jiàn)，對(duì)正余弦信號(hào)編碼器信號(hào)的處理意義的重要性。

有相當(dāng)多的文獻(xiàn)提出了對(duì)編碼器(主要是TTL信號(hào)編碼器)的方波信號(hào)進(jìn)行4倍頻然后再進(jìn)行粗略位置計(jì)數(shù)的電路或方法；有很少的文獻(xiàn)指出，對(duì)增量式正余弦編碼器的模擬信號(hào)進(jìn)行方波化處理，轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，然后利用類似處理方波信號(hào)編碼器的方法，進(jìn)行粗略位置計(jì)數(shù)，如專利文獻(xiàn)ZL201520574867.8，ZL201520570360.5，201510465550.5，201510467898.8，201510465547.3，201610517319.0，201610518856.7，2016120690307.3(以下簡(jiǎn)稱專利文獻(xiàn)組合)都提到了把增量式正余弦編碼器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)然后再進(jìn)行粗略位置計(jì)數(shù)的方法；專利文獻(xiàn)組合還提到了對(duì)增量式正余弦編碼器的模擬信號(hào)進(jìn)行移相等于預(yù)處理然后再利用DSP進(jìn)行精確位置插值，從而獲得更精確的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置的工藝流程；此外專利文獻(xiàn)組合也提到了安全編碼器信號(hào)的工藝流程。專利文獻(xiàn)組合沒(méi)有提出預(yù)處理電路的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方法和和其實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。

另外，為了加強(qiáng)對(duì)編碼器信號(hào)預(yù)處理及后處理的保密，發(fā)達(dá)國(guó)家采取了比申請(qǐng)專利更有效的方法，即設(shè)計(jì)編碼器信號(hào)預(yù)處理和后處理的IP core，把設(shè)計(jì)電路和算法封裝到IP core中，用戶購(gòu)買使用，無(wú)法知道為什么這樣使用；甚至設(shè)計(jì)制造專用ASIC芯片。

對(duì)編碼器信號(hào)的處理，包括DSP處理和編碼器信號(hào)預(yù)處理兩部分，兩部分都具有十分重要的作用，缺一不可。DSP處理主要負(fù)責(zé)算法處理，是理論基礎(chǔ)；編碼器信號(hào)預(yù)處理負(fù)責(zé)為DSP算法提供合適的信號(hào)源，是物質(zhì)基礎(chǔ)。本發(fā)明提出的對(duì)增量式正余弦編碼器信號(hào)的預(yù)處理負(fù)責(zé)為DSP處理(不在本案中描述)提供信號(hào)源，具體內(nèi)容是：A+、A-、B+、B-、R+、R-六路原始(本發(fā)明文中使用的符號(hào)A、B、R僅用來(lái)區(qū)別信號(hào)相，不具有幅值含義，以下同)的增量式正余弦編碼器差分信號(hào)(幅值1VPP)經(jīng)過(guò)編碼器信號(hào)的預(yù)處理電路后生成9路信號(hào)，提供給DSP處理單元，方波信號(hào)S_B_1及S_A_1提供給DSP處理單元的粗略位置計(jì)數(shù)一(不在本案中)，用于對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置的粗略計(jì)數(shù)；方波信號(hào)S_B_2及S_A_2提供給DSP處理單元的粗略位置計(jì)數(shù)二(不在本案中)，用于對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置的粗略計(jì)數(shù)，粗略位置計(jì)數(shù)一和二對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果執(zhí)行安全操作和CRC冗余校驗(yàn)；S_R是轉(zhuǎn)子滿圈加一信號(hào)，每個(gè)S-R到來(lái)，粗略位置計(jì)數(shù)一和二清零，滿圈計(jì)數(shù)器+1；Asinα和Bcosα提供給DSP處理單元的精確位置插值一(不在本案中)，用于對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子精確的實(shí)時(shí)位置的插值細(xì)分計(jì)數(shù)；Asin(α+45°)和－Bcos(α+45°)提供給DSP處理單元的精確位置插值二(不在本案中)，用于對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子精確的實(shí)時(shí)位置的插值細(xì)分計(jì)數(shù)；精確位置插值一和二對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果執(zhí)行安全操作和CRC冗余校驗(yàn)。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：不僅提出了一種對(duì)增量式正余弦編碼器信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理的方法，還提供了一個(gè)實(shí)用的實(shí)施電路；不僅對(duì)增量式正余弦編碼器信號(hào)預(yù)處理以獲得方波信號(hào)進(jìn)行粗位置計(jì)數(shù)，還對(duì)增量式正余弦編碼器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以獲得模擬量信號(hào)，用于精確位置插值；不僅對(duì)獲得的方波信號(hào)進(jìn)行正常的粗略位置計(jì)數(shù)，還生成了另一路用于DSP處理執(zhí)行安全操作的方波信號(hào)；不僅對(duì)獲得的模擬信號(hào)進(jìn)行正常的精確位置插值，還通過(guò)移相等處理獲得另一路用于DSP處理執(zhí)行安全操作的模擬信號(hào)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。