一种基于增量信号相位参考的绝对码比较阈值动态校准系统的制作方法

本发明涉及的是一种基于增量信号相位参考的绝对码比较阈值动态校准系统，可用于光电编码器信号处理与校准。

背景技术：

1、光电编码器是一种利用光电转换原理实现位置、角度、速度以及位移检测的重要传感器件，广泛应用于工业自动化、机器人、伺服驱动系统、数控机床、半导体设备、新能源装备以及精密测量仪器等领域。随着工业自动化和智能制造技术的发展，运动控制系统对于位置检测精度、动态响应能力以及长期稳定性的要求不断提高，高性能光电编码器已经成为现代运动控制系统中的关键核心器件。根据输出信号形式的不同，光电编码器通常分为增量式编码器和绝对式编码器两大类。

2、增量式编码器通常通过两路相位相差90°电角度的正弦信号（sin）和余弦信号（cos）输出位置信息。系统通过检测sin/cos信号的相位变化以及采用细分算法，可以获得远高于光栅周期的测量分辨率，因此增量式编码器具有分辨率高、动态性能好以及实现方式简单等优点。然而，增量式编码器只能提供相对位置信息。当系统断电、重启或受到干扰导致计数丢失时，无法直接获得当前位置的绝对位置值，必须重新执行回零操作。因此，在高可靠性、高安全性以及不允许回零的应用场景中，单纯采用增量式编码器存在一定局限性。

3、为了解决上述问题，绝对式编码器逐渐成为高端运动控制系统的重要发展方向。绝对式编码器能够在任意时刻直接输出当前位置所对应的唯一编码信息，即使系统断电后再次上电，仍能够立即获得当前位置的绝对坐标，因此具有更高的系统可靠性和使用便利性。

4、目前主流的绝对式光电编码器通常同时包含增量码道和绝对码道。其中，增量码道用于提供高精度位置细分信息，而绝对码道用于提供唯一位置编码信息。两者相互配合，可以同时实现高分辨率测量和绝对位置识别。在绝对式编码器中，绝对码道通常由多个光电接收单元组成。当光栅或码盘运动时，各码道输出对应的模拟电压信号。随后通过比较器将模拟信号转换为数字逻辑电平，从而形成最终的绝对码输出。比较器作为绝对码信号处理链路中的关键单元，其比较阈值直接决定了绝对码数字信号的翻转位置。当模拟信号超过比较阈值时，比较器输出状态发生翻转，从而形成绝对码边沿。理论上，绝对码边沿应当出现在设计所规定的空间位置或电角度位置。例如，在一个增量周期内，某一路绝对码信号的翻转边沿可能对应于0°电角度位置，另一绝对码信号的翻转边沿可能对应于90°、120°或者180°等预设位置。然而，在实际应用过程中，绝对码模拟信号的幅值、偏置电压以及波形形态会受到多种因素影响。

5、首先，由于芯片制造工艺偏差的存在，不同批次器件之间的光电转换效率、放大器增益以及比较器输入失调电压存在差异，从而导致绝对码模拟信号特性发生变化。

6、其次，光电编码器中的发光器件在长期运行过程中会出现光功率衰减现象，导致接收端光强降低，从而引起绝对码模拟信号幅值下降。此外，环境温度变化会影响光源发光效率、光电二极管响应特性以及模拟前端电路参数，使绝对码模拟信号产生温度漂移。在恶劣工业环境中，灰尘污染、油污附着以及光学器件老化等因素同样会造成接收光强变化，进一步影响绝对码模拟信号的幅值和直流工作点。在绝对式编码器中，绝对码模拟信号通常需要通过比较器转换为数字信号。由于模拟信号的变化会改变模拟信号与阈值的交点位置，因此会导致绝对码数字信号翻转边沿发生偏移。该偏移将直接造成绝对位置解码误差，并随着温度变化、器件老化以及工艺离散性进一步增大。当绝对码模拟信号发生变化而比较器阈值保持固定时，绝对码数字信号的翻转位置将发生偏移。

7、例如，当模拟信号幅值下降时，固定阈值对应的交点位置将发生变化，导致绝对码输出边沿提前或滞后出现；当模拟信号偏置电压发生变化时，同样会引起边沿位置偏移。对于高精度绝对式编码器而言，即使很小的边沿位置偏移，也可能对应较大的位置误差。当多个绝对码码道同时存在边沿偏移时，还可能引起码值错误甚至解码失败。除模拟信号变化外，比较器自身的传播延时、输入失调电压、迟滞特性以及噪声等因素也会影响绝对码边沿位置。尤其是在高速运动状态下，比较器传播延时所造成的边沿偏移会进一步增大，从而降低绝对位置检测精度。

8、针对上述问题，现有技术通常采用固定比较阈值方案、出厂标定方案或者温度补偿方案。固定阈值方案实现简单，但无法适应器件老化和环境变化所带来的长期漂移；

9、出厂标定方案只能补偿初始误差，无法补偿后续运行过程中产生的动态误差；温度补偿方案虽然能够改善部分温漂问题，但无法直接校正绝对码边沿与实际空间位置之间的偏差。

10、现有技术普遍缺少一种能够在编码器正常运行过程中持续检测绝对码边沿位置，并根据边沿位置误差自动修正比较阈值的动态闭环校准机制。另一方面，增量码道输出的sin/cos信号本身具有极高的位置分辨率。通过反正切运算、cordic算法或者查找表算法可以实时获得高精度电角度信息，因此增量信号实际上提供了一种天然的高精度位置参考基准。

11、然而，目前公开的编码器技术中，增量信号主要用于位置细分和速度计算，其高精度相位信息尚未被充分用于绝对码比较阈值的动态校准。因此，如何利用增量信号实时提供的高精度电角度信息作为参考基准，检测绝对码边沿实际翻转位置与理想翻转位置之间的误差，并根据该误差动态调整绝对码比较阈值，使绝对码边沿持续保持在预设理想相位位置，成为本领域亟待解决的重要技术问题。

12、为解决上述问题，本发明提出一种基于增量信号相位参考的绝对码比较阈值动态校准系统，通过构建相位误差闭环调节机制，实现绝对码比较阈值的实时自适应校准，从而提高绝对码输出精度、长期稳定性以及系统可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中绝对码比较器阈值容易受到工艺偏差、温度变化、光源老化、光学系统污染以及器件参数漂移等因素影响而导致绝对码翻转位置偏移的问题，提供一种基于增量信号相位参考的绝对码比较阈值动态校准系统。

2、本发明利用编码器增量码道输出的高精度sin/cos信号实时解算电角度信息，并将该电角度作为绝对码翻转边沿的位置参考基准，在检测到绝对码输出边沿时锁存对应的实际翻转相位，通过与预设理想翻转相位进行比较获得相位误差，再根据所述相位误差动态调整绝对码比较器阈值，从而使绝对码输出边沿逐步逼近预设理想翻转位置，实现绝对码比较阈值的自动闭环校准。

3、本发明的目的是这样实现的：一种基于增量信号相位参考的绝对码比较阈值动态校准系统，由sin/cos输入模块(1)、相位解算模块(2)、相位误差检测模块(3)、dac阈值调整模块(4)、绝对码比较器(5)、绝对码模拟信号输入模块(6)、绝对码输出模块(7)以及边沿检测模块(8)组成。

4、sin/cos输入模块(1)输出增量sin信号和cos信号至相位解算模块(2)，相位解算模块(2)对输入的sin/cos信号进行实时处理并计算当前电角度信息。

5、绝对码模拟信号输入模块(6)输出两路相差90°电角度的绝对码模拟信号至绝对码比较器(5)，绝对码比较器(5)根据dac阈值调整模块(4)提供的比较阈值完成模拟信号与阈值信号之间的比较运算，并输出对应的绝对码数字信号至绝对码输出模块(7)。

6、边沿检测模块(8)实时监测绝对码输出模块(7)的数字信号状态变化，当检测到绝对码数字信号的上升沿和/或下降沿时，锁存该时刻相位解算模块(2)输出的电角度信息，并将其作为实际翻转相位发送至相位误差检测模块(3)。

7、相位误差检测模块(3)将实际翻转相位与系统预先设定的理想翻转相位进行比较，计算获得相位误差信号，并将所述相位误差信号发送至dac阈值调整模块(4)。

8、dac阈值调整模块(4)根据相位误差检测模块(3)输出的相位误差信号，对绝对码比较器(5)的比较阈值进行增加或减小调整。

9、当实际翻转相位早于预设理想翻转相位时，dac阈值调整模块(4)提高比较器阈值，使下一次绝对码翻转位置向理想翻转位置方向移动；当实际翻转相位晚于预设理想翻转相位时，dac阈值调整模块(4)降低比较器阈值，使下一次绝对码翻转位置向理想翻转位置方向移动。

10、系统通过不断重复边沿检测、相位锁存、误差计算以及阈值调整过程，形成闭环动态校准机制，使绝对码输出边沿逐步逼近预设理想翻转相位位置。

11、所述sin/cos输入模块(1)输入的增量信号可以来源于光电编码器、磁编码器、电感式编码器或其他位置检测装置产生的正交模拟信号。

12、所述相位解算模块(2)可以采用反正切运算算法、cordic算法、查找表算法或者其他能够实现电角度计算的方法完成相位解算。

13、所述绝对码模拟信号输入模块(6)输出的两路绝对码模拟信号优选为相差90°电角度的绝对码信号，也可以为其他相位关系的绝对码模拟信号。

14、所述两路绝对码模拟信号分别对应同一增量周期内不同的绝对码边沿位置，每一路绝对码信号均对应预先设定的理想翻转相位。

15、所述边沿检测模块(8)可以检测绝对码数字信号的上升沿、下降沿或者同时检测上升沿和下降沿。

16、所述相位误差检测模块(3)通过比较实际翻转相位与理想翻转相位获得相位误差值δθ，其表达式可表示为：；其中：为边沿检测时锁存的实际翻转相位；为预先设定的理想翻转相位。

17、当δθ大于零时，表示绝对码翻转位置滞后于理想翻转位置；当δθ小于零时，表示绝对码翻转位置提前于理想翻转位置。

18、dac阈值调整模块(4)根据相位误差值δθ输出对应的dac控制码，控制dac输出新的比较阈值电压，实现比较器阈值动态调整。

19、所述绝对码比较器(5)可以采用高速电压比较器、电流比较器、施密特比较器或者集成比较器电路中的任一种实现。

20、所述绝对码比较器(5)的比较阈值由dac阈值调整模块(4)输出的模拟电压控制，也可以由电流型dac输出的模拟电流控制。

21、所述系统可以采用数字逻辑电路、微控制器（mcu）、现场可编程门阵列（fpga）、数字信号处理器（dsp）或者专用集成电路（asic）中的任一种实现。

22、所述系统还可以集成于编码器信号处理芯片内部，与增量信号处理模块、绝对码处理模块以及通信接口模块共同构成高精度绝对式编码器芯片。

23、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

24、（1）利用增量信号自身提供的高精度电角度信息作为参考基准，无需额外位置检测装置即可实现绝对码边沿校准；

25、（2）能够实时补偿温度变化、光源老化、光学污染以及器件参数漂移造成的绝对码误差；

26、（3）能够自动修正绝对码比较器阈值漂移引起的边沿位置偏移，提高绝对位置解码精度；

27、（4）形成基于相位误差的闭环动态校准机制，长期运行稳定性高；

28、（5）能够补偿比较器传播延时、输入失调及迟滞效应等因素带来的边沿误差；

29、（6）结构简单，易于集成，可广泛应用于各类高精度绝对式编码器及运动控制系统。