本发明提供了一种正余弦信号处理方法及系统，所述方法包括以下步骤：将所述接收到的正余弦信号转化为正交方波信号，并使用四倍频方式对所述正交方波信号进行计数以获得计数值；以预设采样周期，采样所述计数值以及所述接收的正余弦信号，并根据所述采样的正余弦信号计算模拟量象限以及细分位置；在同一采样点的所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限不一致时，使用所述模拟量象限对所述计数值进行校正。本发明根据原始正余弦信号的模拟量象限对正交方波信号的计数值进行校正，从而在应用于编码器时，可规避编码器输出位置的衔接错位，提高编码器输出的位置信号的准确性。
1.一种正余弦信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述接收到的正余弦信号转化为正交方波信号，并使用四倍频方式对所述正交方波信号进行计数以获得计数值；
以预设采样周期，采样所述计数值以及所述接收的正余弦信号，并根据所述采样的正余弦信号计算模拟量象限以及细分位置；
在同一采样点的所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限不一致时，使用所述模拟量象限对所述计数值进行校正；
所述使用所述模拟量象限对所述计数值进行校正包括：当模拟量象限超前对应的计数值一个象限时，将计数值加1；当模拟量象限滞后对应的计数值一个象限时，将计数值减1。
2.根据权利要求1所述的正余弦信号处理方法，其特征在于，所述方法应用于编码器输出位置校正，且所述方法还包括：将经过校正的计数值与同一采样点的所述细分位置合成，作为位置信号输出。
3.根据权利要求1所述的正余弦信号处理方法，其特征在于，采样所述接收的正余弦信号，并根据所述采样的正余弦信号计算模拟量象限包括：分别采样所述正余弦信号中正弦信号的模拟量以及余弦信号的模拟量，并在所述正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为正时确定所述模拟量象限对应第一象限、在所述正弦信号的模拟量为正且余弦信号的模拟量为负时确定所述模拟量象限对应第二象限、在所述正弦信号的模拟量为负且余弦信号的模拟量为正时确定所述模拟量象限对应第三象限、在所述正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为负时确定所述模拟量象限对应第四象限。
4.根据权利要求1所述的正余弦信号处理方法，其特征在于，所述方法包括：
通过将所述计数值的末两位与所述模拟量象限比较，确定所述计数值对应的象限与所述模拟量象限是否一致。
5.根据权利要求1所述的正余弦信号处理方法，其特征在于，所述方法包括：
在同一采样点的所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限一致时，使用所述计数值与同一采样点的细分位置合成，作为位置信号输出。
6.根据权利要求1所述的正余弦信号处理方法，其特征在于，所述方法包括：
在同一采样点处的所述计数值对应的象限与所述模拟量象限相差大于一个象限，且所述采样点之后的预设多个极限位置采样点的所述模拟量象限与对应的计数值的象限差大于一个象限时，输出报警信号；
其中，所述极限位置采样点为对应的正余弦信号的四分之一周期的中点的采样点。
7.根据权利要求1所述的正余弦信号处理方法，其特征在于，所述方法应用于编码器输出位置校正，且所述方法还包括：在所述编码器初始上电后，根据所述正交方波信号的电平状态为所述计数值赋初值。
8.一种正余弦信号处理系统，其特征在于，包括存储装置和处理装置，所述存储装置中存储有供所述处理装置运行的代码，以执行如权利要求1-6中任一项所述的方法。
9.一种正余弦信号处理系统，包括比较器、计数单元以及采样单元，并通过所述比较器将接收的正余弦信号转化为正交方波信号、通过所述计数单元以四倍频方式对所述正交方波信号进行计数以获得计数值、通过所述采样单元以预设采样周期采样所述计数单元的计数值以及所述接收的正余弦信号，并获得细分位置；其特征在于，所述系统还包括象限计算单元以及校正单元，其中：所述象限计算单元，用于根据采样的所述接收的正余弦信号，计算每一采样点的模拟量象限；
所述校正单元，用于在同一采样点的所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限不一致时，使用所述模拟量象限对所述计数值进行校正，所述使用所述模拟量象限对所述计数值进行校正包括：当模拟量象限超前对应的计数值一个象限时，将计数值加1；当模拟量象限滞后对应的计数值一个象限时，将计数值减1。
10.根据权利要求9所述的正余弦信号处理系统，其特征在于，所述校正单元将经过校正的计数值与同一采样点的所述细分位置合成，作为位置信号输出。
11.根据权利要求9所述的正余弦信号处理系统，其特征在于，所述象限计算单元分别采样所述正余弦信号中正弦信号的模拟量以及余弦信号的模拟量，并在所述正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为正时确定所述模拟量象限对应第一象限、在所述正弦信号的模拟量为正且余弦信号的模拟量为负时确定所述模拟量象限对应第二象限、在所述正弦信号的模拟量为负且余弦信号的模拟量为正时确定所述模拟量象限对应第三象限、在所述正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为负时确定所述模拟量象限对应第四象限。
12.根据权利要求9所述的正余弦信号处理系统，其特征在于，所述校正单元通过将所述计数值的末两位与所述模拟量象限比较，确定所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限是否一致。
13.根据权利要求9所述的正余弦信号处理系统，其特征在于，所述校正单元在同一采样点的所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限一致时，使用所述计数值与同一采样点的细分位置合成，作为位置信号输出。
14.根据权利要求9所述的正余弦信号处理系统，其特征在于，所述系统包括报警单元，用于在同一采样点处的所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限相差大于一个象限，且所述采样点之后的预设多个极限位置采样点的所述模拟量象限与对应的计数值的象限差大于一个象限时，输出报警信号，所述极限位置采样点为对应原始正余弦信号的四分之一周期的中点的采样点。
15.根据权利要求9所述的正余弦信号处理系统，其特征在于，所述比较器、计数单元、采样单元、象限计算单元以及校正单元集成到编码器，所述计数单元在所述编码器初始上电后，根据经四倍频处理的所述正交方波信号的电平状态为所述计数值赋初值。
正余弦信号处理方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及编码器领域，更具体地说，涉及一种正余弦信号处理方法及系统。
背景技术
[0002] 随着工业技术的飞速发展，电机控制、机械手、电梯等领域对高精度编码器的需求越来越多。在众多的高精度编码器方案中，利用游标码道产生正余弦信号进行细分的方案，由于其原理简单、分辨率高、易于软件实现、制造工艺简单而得到广泛应用。
[0003] 现有的游标细分解算方案一般有两路原始信号，即一路正弦信号、一路余弦信号，信号处理电路通过比较器将该两路原始信号处理为两路正交方波信号，并将该两路正交方波信号接入微处理器的计数器的计数口以获得4倍于原始正余弦信号周期数的计数值，同时通过ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)对原始信号(即正弦信号和余弦信号)进行采样获得1/4周期内的细分位置值，将计数值和细分位置值组合就得到了编码器单圈位置。
[0004] 由于QEP(Quadrature Encoder Pulse，正交编码脉冲)计数值是利用正交方波信号每经过1/4个弦波位置进行一次计数，所以在1/4弦波周期位置处有两个问题会导致QEP计数值和模拟量(原始信号)信号细分值衔接出现错位：
[0005] (1)信号处理电路中采用的比较器具有迟滞效应，导致其输出的正交方波信号相位滞后于原始信号；
[0006] (2)在微处理器对信号进行采样处理的时候，因为大多数嵌入式处理器都是逐条执行指令，微处理器获得QEP计数值和采样获取的1/4周期内细分位置会有先后顺序，若此时外部码盘在高速旋转，就有可能获取的QEP计数值和细分位置值中间刚好经过1/4周期位置处，从而造成误差。
[0007] 此外，在正弦信号和余弦信号象限交界处，ADC的原始信号采样值若有噪声干扰，也可能造成解算出现偏差。
发明内容
[0008] 本发明要解决的技术问题在于，针对上述游标细分解算方案中存在细分值衔接错位的问题，提供一种正余弦信号处理方法及系统。
[0009] 本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种正余弦信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010] 将所述接收到的正余弦信号转化为正交方波信号，并使用四倍频方式对所述正交方波信号进行计数以获得计数值；
[0011] 以预设采样周期，采样所述计数值以及所述接收的正余弦信号，并根据所述采样的正余弦信号计算模拟量象限以及细分位置；
[0012] 在同一采样点的所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限不一致时，使用所述模拟量象限对所述计数值进行校正。
[0013] 在本发明所述的正余弦信号处理方法中，所述方法应用于编码器输出位置校正，且所述方法还包括：将经过校正的计数值与同一采样点的所述细分位置合成，作为位置信号输出。
[0014] 在本发明所述的正余弦信号处理方法中，采样所述接收的正余弦信号，并根据所述采样的正余弦信号计算模拟量象限包括：
[0015] 分别采样所述正余弦信号中正弦信号的模拟量以及余弦信号的模拟量，并在所述正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为正时确定所述模拟量象限对应第一象限、在所述正弦信号的模拟量为正且余弦信号的模拟量为负时确定所述模拟量象限对应第二象限、在所述正弦信号的模拟量为负且余弦信号的模拟量为正时确定所述模拟量象限对应第三象限、在所述正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为负时确定所述模拟量象限对应第四象限。
[0016] 在本发明所述的正余弦信号处理方法中，所述方法包括：
[0017] 通过将所述计数值的末两位与所述模拟量象限比较，确定所述计数值对应的象限与所述模拟量象限是否一致。
[0018] 在本发明所述的正余弦信号处理方法中，所述方法包括：
[0019] 在同一采样点的所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限一致时，使用所述计数值与同一采样点的细分位置合成，作为位置信号输出。
[0020] 在本发明所述的正余弦信号处理方法中，所述方法包括：
[0021] 在同一采样点处的所述计数值对应的象限与所述模拟量象限相差大于一个象限，且所述采样点之后的预设多个极限位置采样点的所述模拟量象限与对应的计数值的象限差大于一个象限时，输出报警信号；
[0022] 其中，所述极限位置采样点为对应的正余弦信号的四分之一周期的中点的采样点。
[0023] 在本发明所述的正余弦信号处理方法中，所述方法应用于编码器输出位置校正，且所述方法还包括：在所述编码器初始上电后，根据所述正交方波信号的电平状态为所述计数值赋初值。
[0024] 本发明还提供一种正余弦信号处理系统，包括存储装置和处理装置，所述存储装置中存储有供所述处理装置运行的代码，以执行如上所述的方法。
[0025] 本发明还提供一种正余弦信号处理系统，包括比较器、计数单元以及采样单元，并通过所述比较器将接收的正余弦信号转化为正交方波信号、通过所述计数单元以四倍频方式对所述正交方波信号进行计数以获得计数值、通过所述采样单元以预设采样周期采样所述计数单元的计数值以及所述接收的正余弦信号，并获得细分位置；所述系统还包括象限计算单元以及校正单元，其中：
[0026] 所述象限计算单元，用于根据采样的所述接收的正余弦信号，计算每一采样点的模拟量象限；
[0027] 所述校正单元，用于在同一采样点的所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限不一致时，使用所述模拟量象限对所述计数值进行校正。
[0028] 在本发明所述的正余弦信号处理系统中，所述校正单元将经过校正的计数值与同一采样点的所述细分位置合成，作为位置信号输出。
[0029] 在本发明所述的正余弦信号处理系统中，所述象限计算单元分别采样所述正余弦信号中正弦信号的模拟量以及余弦信号的模拟量，并在所述正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为正时确定所述模拟量象限对应第一象限、在所述正弦信号的模拟量为正且余弦信号的模拟量为负时确定所述模拟量象限对应第二象限、在所述正弦信号的模拟量为负且余弦信号的模拟量为正时确定所述模拟量象限对应第三象限、在所述正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为负时确定所述模拟量象限对应第四象限。
[0030] 在本发明所述的正余弦信号处理系统中，所述校正单元通过将所述计数值的末两位与所述模拟量象限比较，确定所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限是否一致。
[0031] 在本发明所述的正余弦信号处理系统中，所述校正单元在同一采样点的所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限一致时，使用所述计数值与同一采样点的细分位置合成，作为位置信号输出。
[0032] 在本发明所述的正余弦信号处理系统中，所述系统包括报警单元，用于在同一采样点处的所述计数值所对应的象限与所述模拟量象限相差大于一个象限，且所述采样点之后的预设多个极限位置采样点的所述模拟量象限与对应的计数值的象限差大于一个象限时，输出报警信号，所述极限位置采样点为对应原始正余弦信号的四分之一周期的中点的采样点。
[0033] 在本发明所述的正余弦信号处理系统中，所述比较器、计数单元、采样单元、象限计算单元以及校正单元集成到编码器，所述计数单元在所述编码器初始上电后，根据经四倍频处理的所述正交方波信号的电平状态为所述计数值赋初值。
[0034] 本发明的正余弦信号处理方法及系统，通过原始正余弦信号的模拟量象限对正交方波信号的计数值进行校正，其可应用于编码器并规避编码器输出位置的衔接错位。本发明通过该计数值校正，可以降低编码器对正余弦信号处理电路的要求，降低对处理器运行速率的要求。
附图说明
[0035] 图1是本发明正余弦信号处理方法实施例的流程示意图；
[0036] 图2是正余弦信号与正交方波信号的对应关系示意图；
[0037] 图3是本发明正余弦信号处理系统实施例的示意图。
具体实施方式
[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0039] 如图1所示，是本发明正余弦信号处理方法实施例的流程示意图，该方法可应用于编码器并集成到编码器内的信号处理电路，该信号处理电路可根据编码器生成的正余弦信号生成转子位置。本实施例中的正余弦信号处理方法包括以下步骤：
[0040] 步骤S11：接收正余弦信号(例如该正余弦信号可由编码器在旋转过程中生成)并将接收的正余弦信号转化为正交方波信号。
[0041] 具体地，如图2所示，该步骤可通过一个比较器实现，该比较器在输入的模拟信号大于零时输出高电平、在输入的模拟信号小于零时输出低电平。
[0042] 步骤S12：使用四倍频方式对正交方波信号进行计数以获得计数值。
[0043] 该步骤可通过微处理器的计数器实现：将步骤S11产生的正交方波信号接入微处理器的计数器的计数口，计数器输出四倍于原始正余弦信号(即步骤S11中接收的正余弦信号)周期数的计数值。特别地，上述计数器在方波信号的每一上升沿计数一次。
[0044] 步骤S13：以预设采样周期(该预设采样周期远小于计数器的计数周期)，采样计数器的计数值以及采样原始正余弦信号，并根据上述采样的正余弦信号(即采样点处正余弦信号的幅值，该幅值可为负数)计算获得模拟量象限以及细分位置。
[0045] 具体地，在该步骤中，可通过模数转换器来分别采样原始正余弦信号中正弦信号的模拟量以及余弦信号的模拟量，并在正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为正时确定模拟量象限对应第一象限、在正弦信号的模拟量为正且余弦信号的模拟量为负时确定模拟量象限对应第二象限、在正弦信号的模拟量为负且余弦信号的模拟量为正时确定模拟量象限对应第三象限、在正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为负时确定模拟量象限对应第四象限。
[0046] 特别地，在该步骤中，需要将确定的模拟量象限进行数字化后输出。例如，当模拟量象限对应第一象限时，输出模拟量象限为00；当模拟量象限对应第二象限时，输出模拟量象限为01；当模拟量象限对应第三象限时，输出模拟量象限为10；当模拟量象限对应第四象限时，输出模拟量象限为11。
[0047] 由模数转换器采样获得的正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量经除法运算和反正切运算等运算，可获得对应的细分位置。
[0048] 步骤S14：判断步骤S12获得的计数值所对应的象限与步骤S13获得的模拟量象限(即相同采样点的值)是否一致，若计数值所对应的象限与模拟量象限不一致，则执行步骤S16；否则执行步骤S15。
[0049] 在该步骤中，具体可通过将计数值的后两位与模拟量象限(即数字化后的模拟量象限)进行比较，从而确定计数值对应的象限与模拟量象限是否一致。
[0050] 步骤S15：将步骤S12获得的计数值直接与步骤S13获得的细分位置进行衔接，并将衔接后的值作为位置信号输出，然后范围步骤S11，进行下一个位置信号处理。
[0051] 步骤S16：使用模拟量象限对步骤S12获得的计数值进行校正(例如当模拟量象限超前对应的计数值一个象限时，将计数值加1；当模拟量象限滞后对应的计数值一个象限时，将计数值减1)，并将经过校正的计数值与步骤S13中获得的细分位置进行衔接，并将衔接后的值作为位置信号输出，然后范围步骤S11，进行下一个位置信号处理。
[0052] 上述正余弦信号处理方法中，通过原始正余弦信号的模拟量象限对四倍频的正交方波信号的计数值进行校正，从而当其应用于编码器时，可规避计数值与细分位置的衔接错位，提高编码器输出位置的准确性。并且本发明通过该计数值校正，可以降低对正余弦信号处理电路的要求，降低对处理器运行速率的要求。
[0053] 由于电机转速相对恒定，且比较器的迟滞时间也有限，因此仅在异常情况下才会出现计数值较原始的正余弦信号相差超过一个象限。相应地，上述方法还可包括报警步骤，即在同一采样点处的计数值所对应的象限与模拟量象限相差大于一个象限，且该采样点之后的预设多个(具体个数可根据电机转速、精度需求等设定)极限位置采样点的模拟量象限与对应的计数值的象限差大于一个象限时，输出报警信号，所述极限位置采样点为对应原始正余弦信号的四分之一周期的中点的采样点。具体地，四倍频后的正交方波信号的周期为正余弦曲线的周期的四分之一，其在正余弦曲线的四分之一周期处具有一个上升沿，即计数值加1，而正余弦曲线的四分之一周期的中点由于远离四倍频后的正交方波信号的上升沿，因此干扰信号对该点的影响最为明显，通过将极限位置采样点设置在该处，更便于准确判断是否存在干扰。
[0054] 当上述方法应用于编码器时，其还可包括：在编码器初始上电后，根据正交方波信号的电平状态为计数值赋初值(此时，根据原始正余弦曲线计算获得的模拟量象限与四倍频的正交方波信号对应的象限的差应不超过一个象限)。
[0055] 本发明还提供一种正余弦信号处理系统，该系统包括存储装置和处理装置，所述存储装置中存储有供所述处理装置运行的代码，以执行如上所述的方法。
[0056] 如图3所示，本发明还提供一种正余弦信号处理系统，该系统可集成到编码器中的信号处理电路，且该信号处理电路用于对编码器生成的正余弦信号进行处理，并生成位置信号。本实施例的正余弦信号处理系统包括比较器31、计数单元32、采样单元33、象限计算单元34以及校正单元35，上述计数单元32、采样单元33、象限计算单元34以及校正单元35可集成到一个微处理器，并结合运行于微处理器的程序实现。
[0057] 上述比较器31用于将接收的正余弦信号(例如该正余弦信号可由编码器在旋转过程中生成)转化为正交方波信号，如图2所示，其在模拟信号大于零时输出高电平、在输入的模拟信号小于零时输出低电平。
[0058] 计数单元32用于以四倍频方式对正交方波信号进行计数以获得计数值。该计数单元32的输入端连接比较器31的输出端。特别地，当上述正余弦信号处理系统集成到编码器时，上述计数单元32可在编码器初始上电后，根据经四倍频处理的正交方波信号的电平状态为计数值赋初值。
[0059] 采样单元33以固定的采样周期采样计数单元的计数值以及采样接收的正余弦信号(即原始的正余弦信号)，并根据采样的正余弦信号(即采样点处正余弦信号的幅值，该幅值可为负数)计算细分位置。具体地，采样单元33可通过采样方式获得正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量，并通过除法运算和反正切运算等运算获得对应的细分位置。
[0060] 象限计算单元34用于根据采样获得的正余弦信号，计算每一采样点的模拟量象限。具体地，象限计算单元34可根据正余弦信号中正弦信号的模拟量的正负值以及余弦信号的模拟量的正负值获得模拟量象限。例如在正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为正时确定模拟量象限对应第一象限、在正弦信号的模拟量为正且余弦信号的模拟量为负时确定模拟量象限对应第二象限、在正弦信号的模拟量为负且余弦信号的模拟量为正时确定模拟量象限对应第三象限、在正弦信号的模拟量和余弦信号的模拟量都为负时确定模拟量象限对应第四象限。特别地，当模拟量象限对应第一象限时，象限计算单元34输出模拟量象限为00；当模拟量象限对应第二象限时，象限计算单元34输出模拟量象限为01；当模拟量象限对应第三象限时，象限计算单元34输出模拟量象限为10；当模拟量象限对应第四象限时，象限计算单元34输出模拟量象限为11。
[0061] 校正单元35用于在同一采样点的计数值所对应的象限与模拟量象限不一致时，使用模拟量象限对计数值进行校正，并将经过校正的计数值与同一采样点的细分位置合成，作为位置信号输出。具体地，校正单元35可通过将计数值的末两位与模拟量象限比较，来确定计数值对应的象限与模拟量象限是否一致。
[0062] 当然，在同一采样点的计数值对应的象限与模拟量象限一致时，可通过校正单元35或单独的输出单元，将未校正的计数值与同一采样点的细分位置合成(衔接)，作为位置信号输出。
[0063] 上述正余弦信号处理系统还可包括报警单元，用于在同一采样点处的计数值所对应的象限与模拟量象限相差大于一个象限，且该采样点之后的预设多个极限位置采样点的模拟量象限与对应的计数值的象限差大于一个象限时，输出报警信号，上述极限位置采样点为对应原始正余弦信号的四分之一周期的中点的采样点。通过报警单元，可提示计数值较原始的正余弦信号相差超过一个象限的异常情况。
[0064] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
