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编码器:SIN/COS编码器学习总结

2020-9-3新闻

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SIN/COS编码器介绍

正余弦编码器是一种采用模拟输出的增量编码器。其输出为正余弦模拟信号。

正余弦编码器与普通方波增量式编码器的AB正交脉冲信号类似,但与普通增量编码器的通断输出不同,正余弦编码器输出两路相位相差90°的正弦波,因此又称为正余弦编码器。
       
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正余弦编码器的信号由正弦探测器产生,也属于光电编码器。
正余弦编码器输出的工业标准是峰峰1V(~1 Vpp) 的正余弦电压。如下图中所示M1V

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由于输出的是低压模拟信号,这种编码器对噪声很敏感。因此,每个信号提供互补信号通道。

为避免提供负电源,通常给信号加上2.5V的直流偏置电压,如下图所示:

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正余弦编码器的主要特点是抗干扰能力强,传输距离长,低速应用时可提供较高分辨率,高速控制时可提供足够低的信号带宽。
 
SIN/COS编码器的分辨率
编码器旋转一圈,正余弦编码器会周期性地产生多个正余弦周期,如256(28),512(29)1024(210)2048(211)等。与增量编码器的每转刻线数对应。

正余弦编码器直接输出的是模拟量正余弦信号,从正余弦周期的个数来看,正余弦编码器的分辨率似乎不高。但正余弦编码器有一个特点,即它的输出信号可被插补,或细分。用户可按实际应用需求,在后续的控制器或驱动器中,对正余弦编码器信号进行细分,以获得足够高的分辨率。

比如,一个1024周期的正余弦编码器,在驱动器内对其进行212细分,则在驱动器内,可获得的位置分辨率为:
1024*212 = 222  = 4194304
针对于正余弦编码器,在驱动器或控制器内,会有细分参数可设定。设置细分参数时,要综合考虑分辨率的高低,以及编码器信号的传输距离。传输距离较长时,不宜把细分数设的太大。
 
SIN/COS编码器位置值的计算
假设细分系数为2n。对于一个正弦周期(360°电角度)中的某个点,从通道AB读入模拟信号VAVB。其中VB为正弦值,VA为余弦值,则这两个电压比的反正切即可得到这个正弦波内的插补电角位移。

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θintep=arctan(VB/VA)
其对应的本周期内的计数值为:
Csub=2n *( θintep/360)
                   =2n *( arctan(VB/VA)/360)
其中,反正切函数必须通过对检测正弦和余弦信号的符号进行小心处理,以正确辨识角度在哪一个象限。

驱动器也对正弦波的周期进行计数,假设这是第m+1个周期,则当前位置在一圈内的计数为:
C=2m + Csub

SIN/COS编码器的细分及数值计算一般都使用反正切插值的方法:

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SIN/COS编码器的应用场合
SIN/COS编码器可单独作为增量式编码器使用,但更多是用在混合式编码器中,作为增量信号出现。
EnDat2.1   - 海德汉(Heidenhain
Hiperface  - 西克(SICK
EnDat2.1Hiperface接口的共同点是,都提供两路编码器信号,一路为绝对值信号,一路为SIN/COS增量编码器信号。因此,一般称这两种接口的编码器为绝对值编码器。

EnDat 2.1:  对于EnDat2.1接口的绝对值编码器,绝对位置只是在驱动器刚上电时,读取伺服电机的当前位置。SIN/COS增量编码器信号用于实现电机的实时控制。
 
Hiperface: Hiperface与EnDat2.1类似,也可产生绝对值和SIN/COS增量两路信号。绝对位置值仅当设备通电并与控制器里的外部计数器通信时才产生(通过与RS485 规格相符的基于总线的参数接口)。增量计数器在这绝对位置值基础上,对模拟量正弦/余弦信号进行增量计数。SIN/COS编码器信号用于驱动器的速度控制。 

基于SIN/COS编码器回零的注意事项
SIN/COS编码器,不像增量式编码器那样,有Z相脉冲。在控制器或驱动器内,根据SIN/COS编码器信号的相位,计算生成模拟的Z相脉冲或零位脉冲。但此模拟Z相脉冲的宽度比细分后的SIN/COS信号脉冲宽度要宽,可能是5~10个计数的宽度。

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因此,应尽量固定从Z相脉冲的一侧,沿固定方向找零点。不然,可能造成回零精度有5~10个计数距离的误差。如上图,从左侧向右回零,零点在位置100处,而从右侧向左回零,零点在位置106处,两种回零方式,零点位置有6个单位距离的误差。