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走向数字化的游标扫描

游标插补细分为线性位移丈量体系和扭转编码器供给了优良的差分线性和更高的分辨率

 混淆旌旗灯号亚微米CMOS手艺供给了高机能的片上体系设想。跟着传感器(光电二极管大概霍尔元件)的集成,提高了位置传感灵敏度。

模仿正弦旌旗灯号插补细分曾经变成了一个技术标准,线性位移体系可以抵达小于1微米的分辨率。假如在这些交织距离重复使用这个道理,就会获得愈加准确的丈量成果。

这种方法的基本原理来自游标卡尺,这类插补细分利用了集成游标设想。不管丈量尺是磁的大概光的,大概是大略的仍是精密的,计较道理是不异的。这个游标扫描历程是完整模仿的,而且发作在一个超小区域内。这个办法供给了替换既定的线性和扭转位置的传感办法。

 

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由比力主尺和游标细分尺,电子传感器能够获得准确的读数,不需要持续扫描多个数字轨道。比方,iC-Haus的插补细分电路iC-MN(图1)能够评价一个大概两个附加到主尺的游标尺而且结合这些读数构成位置数据。

图1:光学游标体系用于三个旌旗灯号轨道插补细分

关于iC-MN,插补细分电路界说绝对角度位置是操纵三个正弦旌旗灯号的相移。这种方法比仅利用两个标尺对体系要求的精度较低,较简单实现。

主轨道a1决议着细分分辨率和体系绝对精度,游标轨道a3和段轨道a2发生的信息用来决议距离(图2和图3)。一步一步的计较步进时旌旗灯号毛病许可的公役。接纳这种方法能够制造小尺寸的丈量尺和编码器机构,而且这类灵活性能够用于较小的传感器。旌旗灯号的频次也低落了,因而,经由过程模仿电路元件的差别相移延时的低通特性能够疏忽,无需利用低通滤波器。

图2:三正弦/余弦输入旌旗灯号别离数字化(相位角a1,a2和a3

图3:以a1供给的细分分辨率从相移a1和a2计算出角度a3

芯片功用

iC-MN的每一个通道有一个可调理的旌旗灯号调度单元和一个接纳连结电路,采样连结电路连结调度过的模仿旌旗灯号用于次第的数字化。为了到达这个目标,此单位包罗一个高精度SAR ADC,

带8-13位可调理分辨率的插补细分器。

 

在模仿电路,旌旗灯号偏置电压为校准供给一个参考。此单位也评价旌旗灯号幅度,假如需求,传感器供给能量给这个轨道。这意味着在室温下调度的参数设置仍旧在全部工作温度范围内有用。

 

非线性ADC利用正切函数同时阐发正弦和余弦。这用来防备ADC来自细分频次依靠因为速率毛病惹起的角度毛病。

 

为了计较高分辨率角度位置,能够设置两个以致三个轨道游标计较,这使得分辨率高25位(360度;一周内分辨率达0.04 弧度秒)。

 

iC-MN为7х7mm QFN48封装,需求留意连接线终端避免极性接反和毛病毗连,包罗RS-422收发器串行数据接口。数据输出是SSI和谈大概BiSS和谈,BiSS时钟速率可达10Mbps。

 

利用这个器件能够监控所有的芯片主要功能和设置报警给指定功用。体系会辨认典范的传感器毛病,比方因为信号线断开惹起的旌旗灯号丧失,短路,脏污大概老化,而且告诉控制器。

 

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绝对值光学编码器利用精细的标尺,利用微结构应用于玻璃基片。此器件得益于体系级片上集成解决方案和元件尺寸。除了施行多轨道数字扫描之外此编码器还细分模仿旌旗灯号来发生中央值。

 

光学编码器利用光束穿透模式,利用LED作为光源,码盘上面有一定数量的码道,传感器为光敏感性IC。此传感器分离光电探测器,旌旗灯号调度单元和插补细分电路在一个单芯片体系。

 

利用一个高数目的平均距离环绕散布在码盘的圆周,尺度工艺能够到达十分高的精密分辨率。比方,片上体系iC-LG位置传感器,初始化分到达2048个相称距离每圈。码盘直径为42mm,码道宽度大要27um。

 

为了保持单圈绝对位置,此传感器必需辨别出每一个距离。为了到达这个目标,码盘具有高达13个附加的码道,它以数字绝对码的情势供给了明晰的距离信息。

 

此传感器会通过插补细分这些周期的距离来更进一步完美这个位置数据。在这里,每个距离供给了一个正弦和一个余弦旌旗灯号。经由过程计较正切函数,传感器能够肯定一个距离内实践的相角。这能够抵偿数字绝对代码的不利因素来得到更纤细的绝对位置信息,响应分辨率高达21位。

 

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为了到达精密的根本分辨率,基于游标的计较也能够辨别这些周期的距离。为了到达这个目标,这个办法利用分外的正弦旌旗灯号代替数字绝对码。关于丈量标尺,3个轨道足以替换12个。今朝的传感器,LED以及镜头都合适设想成十分小的元件,这些小尺寸的元件开拓了新的使用。

 

同时,有用的光电传感器阵列,比方iC-LSH,供给高保真的无滞后和低失真正弦旌旗灯号。这许可精细细分以便游标计较能基于较少的周期距离(图4)。

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图4:游标编码器空间缩小一半

角度偏差

为了到达较好的细分,确认相干旌旗灯号毛病和抵偿这些旌旗灯号是非常重要的。典范的毛病源包罗由偏置惹起的传感器壅闭(OS和OC);传感器正弦和余弦旌旗灯号的灵敏度不一致(幅度AS和AC);正弦和余弦旌旗灯号之间的相移偏离90度;(ΦSERR 和/或ΦCERR)以及传感器的非线性特性曲线(正弦和/或余弦曲线的外形偏向)。在丈量标尺大概光栅也有偏差,比方每一个周期距离的宽度颠簸招致正弦和/或余弦旌旗灯号的周期会差别。凡是这个角度由一个周期距离的反正切正弦和余弦旌旗灯号相干的商按照等式1计算出:

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插补细分电路量化这个角度,细分这个周期距离使得编码器的位置分辨率超越每扭转20位是可行的。

一个短的颠簸角度毛病是在一个周期距离内的毛病。依赖于周期距离的数目,此毛病对角度丈量绝对精度有差别水平的影响。

一个长的颠簸角度毛病跟着轴每扭转一周而反复。调解码盘凡是会惹起这类范例的毛病。丈量标尺的精度也是一个决定性的影响身分。编码器轴的装配也能够惹起全部体系的角度毛病(比方,装配偏离中心以及轴和轴承受力过大)。

 

关于光编码器(iC-LG,2048个周期距离),全部一圈(360度)的绝对毛病<>×2048)。插补细分电路能够提高10倍的精度,电子精度能够到达2.8度。

为了抵偿较低分辨率的丈量标尺的旌旗灯号,对插补细分电路要求就更高。旌旗灯号调度也是一个主要的身分。它必需精密的改正波形。

传感器旌旗灯号谐波重量也是一个影响插补细分成果的身分,由于它会减小角度的精度。如今制造的光电传感器阵列总谐波失真低于0.4%(利用256个周期距离),但是,曾经是一个次要的毛病滥觞。

 

提要

好在有游标插补细分手艺,利用此手艺的编码器使得丈量体系的团体机能能够到达更高的精度以及利用优秀的差分精度为数字化的机电反应体系供给更高的分辨率。

一个相对较小的光学传感器仅仅由几个少数的旌旗灯号相位干系足以扫描位置信息。利用此手艺做编码器能够利用简朴的光源,较低的功耗,和节流空间。这反过来又低落了体系本钱和开拓了新的使用。

 

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上传工夫:2013-07-16