專利名稱：編碼器的內插電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種對編碼器的二相正弦信號進行數字內插處理的內插電路，該電路檢測位置、角度、速度、角速度等以獲得具有高分辨率的相位角數據。
由于在編碼器的尺度范圍內形成的格子空間中存在機械限制，來自編碼器的正弦信號的空間周期應當再被劃分供內插，以便測量比標稱格子更精細的空間。所以，人們已經采用了各種內插電路。
圖4是以前的數字處理采用的內插電路的一個例子。相互平移90°的相位A和相位B的二相正弦信號INA和INB從編碼器1輸出，并且隨后有A/D轉換器2a和2b用預定的頻率取樣，分別轉換成數字數據DA和DB。預先根據下面的公式，用反正切函數(ATAN)在每一取樣點處準備相位角數據，并存儲在查詢表存儲器3中。
u＝ATAN(DB/DA)……(1)所以，通過讀取查詢表存儲器3，獲得每一取樣點處的相位角數據u，定義了數字數據DA和DB，分別作為地址x和y。另外，相位角數據u輸入到二相方波數據發生電路4內，從而獲得數字二相方波數據OUTA和OUTB。
當試圖在用作上述的查詢表存儲器的內插電路中獲得足夠的內插數時，查詢表存儲器的容量會變得極大。例如，當A/D轉換器2a和2b獲得的數字數據DA和DB是N位時，數字數據DA和DB規定的地址空間的大小是N×N。當一要求的內插數定義為I時，相位角數據需要大于logaI的整數J。在這樣一個條件下，查詢表存儲器中需要的存儲器容量是22N×J。
例如，通過將一個周期分為400而獲得的相位角數據由8位×8位而尋址的存儲器結構變成如圖5所示。當數據尺度定義為J＝9時，存儲器容量變成28×28×9＝589,824位。
正如上文中描述的在編碼器內插電路中減小查詢表存儲器的容量的方法那樣，建議采用減小地址空間的方法，這一方法注意到除了符號以外，在地址空間中相位角數據周期性重復的對稱性(日本公開的專利申請Hei.3-68812)。
本發明的目的是提供一種編碼器的內插電路，其中，由A/D轉換獲得的數字數據的高階位所定義的相位角數據被設計成是用低階位內插的，從而可以減小查詢表存儲器的容量。
按照本發明的編碼器的內插電路包含對從編碼器輸出而相互相移90°的A相和B相正弦信號進行取樣的A/D轉換電路，以固定頻率，將合成信號轉換成分別具有N位的A相和B相數字數據；存儲與多個相位分段和為每一相位分段準備的內插因子對應的參考相位角數據的查詢表存儲器，用來內插參考相位數據，以獲得內插的相位角數據，相位分段是通過劃分相位空間而獲得的，相位空間的二維地址是由A相和B相數字數據賦給的，從而由A相和B相數字數據中高階NU位給出二維地址，并且輸入高階NU位數據作為二維地址信號；以及通過處理從查詢表存儲器中讀出的參考相位角數據和各個內插因子獲得內插的相位角數據的算術電路，并且相位內插數據是由A相和B相數字數據中的低階NL(＝N-NU)位數據表示的。
本發明中，通常與一要求的內插數對應的普通的查詢表存儲器的相位空間被劃分成多個相位分段。本發明的查詢表存儲器中，存儲有與A相和B相數字數據的高階NU位分別定義的相位分段數對應的相位角數據，并讀出參考相位角數據，由低階NL位數據內插。相位角數據內插中使用的內插因子存儲在查詢表存儲器中，存儲器中還存儲有由高階NU位數據定義的相位角數據。所以，通過簡單的內插運算，保留需要的內插數，可以獲得內插的相位角數據。與此同時與查詢表存儲器具有N×N個全地址的情況相比大量減小了查詢表存儲器的容量并且由該地址定義的整個相位角數據被存儲了。
具體說來，由于二相地址用來處理A相和B相正弦信號，并且相位內插數據和內插因子表述為二維數據，因而內插運算采用矢量運算。例如，本發明中，查詢表存儲器中存儲有每一小地址空間中作為內插因子的相位角數據中變化的平均梯度矢量以及由A相和B相數字數據的高階NU位尋址的每一相位分段的參考位置的參考相位角數據。在這種情況下，執行這樣的內插運算，產生由A相和B相數字數據的低階NL位組成的相位內插數據和從查詢表存儲器讀出的平均梯度矢量的矢量內積，隨后合成的結果被加到從查詢表存儲器讀出的參考相位角數據上。結果，使得按照本發明內插的相位角數據與采用具有全地址查詢表存儲器時獲得的相位角數據之間的偏差(差錯)充分小。
下面參照附圖描述按照本發明的實施例。
圖1是按照本發明的實施例的編碼器的內插電路。
圖2是按照該實施例的相位角數據的內插原則圖。
圖3是描繪按照本發明的參考相位角數據和平均梯度矢量之間的關系的圖。
圖4是現有技術的內插電路。
圖5是描述圖4中的內插電路中查詢表存儲器的地址和相位空間。
圖1描繪的是按照本發明的一個實施例的編碼器的內插電路。盡管可不管具有內插電路的編碼器所采用的原理是什么，最好采用MR元件的光學編碼器和磁性編碼器，作為編碼器。從編碼器輸出的Z相和B相正弦信號INA和INB分別用預定頻率由A/D轉換器11a和11b取樣，從而獲得A相和B相數字數據DA和DB。采用諸如ROM的非易失存儲器構成的查詢表存儲器12，以便確定相位角。查詢表存儲器12由數字數據DA和DB訪問。這一基本結構與現有技術類似。然而在本實施例中，相位角數據存儲在查詢表存儲器12內，相位角數據的數目可用數據DA和DB的預定的高階位作為二維地址信號確定。
這就是說，在本實施例的情況下，數據DA和DB分別是N位(圖1中，N＝8)。將這些數據DA和DB的高階NU位(圖1中NU＝5)輸入到查詢表存儲器12中作為二維地址信號。在存儲器12中，與各個相位分段“a”的各個參考位置(x0，y0)對應的參考相位角數據u0與相應于用于相位角內插的各個參考相位角數據而準備的內插因子一起存儲起來。相位分段“a”是通過劃分相位空間獲得的，該空間的每一二維地址是由A相和B相數字數據而賦給的，二維地址由A相和B相數字數據中的高階NU位數據規定。每一相位分段“a”的大小是NL×NL，這是在如圖3所示采用N位的數字數據DA和NB作為全地址的情況下存儲28NL個字(NL＝3的情況下為64個字)的相位角數據所需的。
如上所述，各個相位分段“a”中相位角數據中變化的平均梯度矢量數據用作正被存儲的內插因子以及參考相位角數據u0。應當理解，參考相位角數據u0的參考位置中的每一個在各個相位分段“a”中是一預定的位置。
將各個數據DA和DB的低階NL位(圖1中NL＝3)的數據Δx和Δy輸入到算術電路13中，執行內插運算，分別作為相位內插數據。在算術電路13中，內插相位角數據的運算是根據參考相位角數據和從查詢表存儲器12中讀出的內插因子(即平均梯度矢量)和與低階位數據Δx和Δy對應的相位內插數據來進行的。
參照圖2，下面描述按照該實施例的相位角數據內插的原理。圖2僅示出相位空間的右上部象限，其中，數據DA和DB用地址x和y表示。圖2中，u0是從查詢表存儲器12讀出的某一參考相位角數據，并且Δu是將要包括在相位分段“a”中的NL位×NL位的數據所定義的相位內插數據的矢量。在采用N位×N位的全地址情況下獲得的相位角數據u是通過用相位內插數據的矢量Δu來內插參考相位角數據u0而獲得的。每一相位分段“a”中相位角數據中的變化量(梯度)是由相位分段“a”的參考位置(x0，y0)確定的，并且大體均勻。所以，如上所述，相位分段“a”中相位角數據的平均梯度矢量K是預先確定，作為內插因子和參考相位角數據u0存儲在查詢表存儲器12中。內插的相位角數據u可以通過對相位內插數據的矢量Δu和平均梯度矢量K的矢量內積運算并將結果加到參考相位角數據u0上來獲得，表示成公式就是下述公式(2)。
u＝u0+K×Δu……(2)相位內插數據矢量Δu的x分量和y分量分別是Δx和Δy。當平均梯度矢量K的x，y分量分別定義為kx，ky時，公式(2)變成下述公式(3)。
u＝u0+(kx·Δx+ky·Δy)……(3)采用上述矢量內積的內插運算是用圖1中的算術電路13進行的。第一和第二乘法器131和132分別將從存儲器12讀出的平均梯度矢量K的kx分量和ky分量與用數字數據DA和DB的低階NL位表示的Δx和Δy分量(即，相位內插數據的分量)相乘。第一加法器133將乘法器131和132的結果相加。相位內插數據矢量Δu可以由加法器133獲得。第二加法器134將相位內插數據矢量Δu加到從存儲器12讀出的參考相位角數據u0上。結果，可以獲得所要求的內插相位角數據。
內插的相位數據是例如以傳統的方式在二相方波數據發生電路14中處理的，從而輸出二相方波數據OUTA和OUTB。
例如，上述相位分段“a”中平均梯度矢量的kx和ky分量由下述公式(4)給出，相位分段“a”的中心定義為圖3中所示的典型點(x1，y1)。
kx＝-A·y1/(x12+y12)kx＝+A·y1/(x12+y12)……(4)公式(4)中，當內插數定義為I時，“A”是A＝I/2π。公式(4)是用標量場的數學公式引入的。即，當由具有某一變化的空間分布的標量場代表的數據定義為u＝A·φ時，數據的變化部分矢量Δu的x，y分量分別定義為Δx，Δy，“u”可以由下述偏微分方程(5)給出。
u＝u0(x0，y0)+(δu/δx)Δx+(δu/δy)Δy＝u0(x0，y0)+(-Ay1)/(x12+y12)+(+Ax1)/(x12+y12)…(5)根據上述數學公式，當存儲在存儲器中的數據定義為A＝I/2π(I定義為內插數)時，得到公式(4)的平均梯度矢量的分量。
正如圖3中描述的那樣，最好將確定平均梯度矢量K的典型點(x1，y1)定義為相位分段“a”的中心，以提高近似的精度。然而，由于相位分段內的變化較小，即使選擇其他的典型點時，也不會出現大的逼近誤差。例如，參考點(x0，y0)可以選擇作為典型點。
另外，作為確定相位角數據中變化的平均梯度矢量的另一種簡單的方法，平均梯度矢量可以如下通過計算相鄰相位分段的兩個典型點之差來得到。
kx＝{u(x0+2NL，y0)-u(x0，y0)}/2NLky＝{u(x0，y0+2NL)-u(x0，y0)}/2NL……(6)下面通過具體舉例實際計算，描述采用上述平均梯度矢量K的相位角數據的內插逼近誤差較小的情況。
當內插數I是400時，信號幅度變得近似是最小值的二分之一的范圍中幾個位置y/x(＝DB/DA)處相位角數據u是如下表1來確定的。
表1相位角數據u
表1中，當差分數據Δu確定時，將(x，y)＝(64，16)定義為參考位置，從而得出表2。
表2差分數據Δu
其次，當根據表1的相位角數據確定了每一相位角的偏微商δu/δx和δu/δy時，得到下述表3和表4的結果。
表3δu/δx
表4δu/δy
這一內插的相位角數據u＝u0+kx·Δx+ky·Δy是通過采用y/x＝16/64的參考相位角u0來確定的，采用在x1＝65.5、y1＝17.5時的偏微商δu/δx＝-0。24238和δu/δy＝0.907181作為從表3和表4得到的平均梯度矢量分量kx和ky，得到下述表5。
表5u＝u0+kx·Δx+ky·Δy
表5的結果對應于通過本實施例的內插電路近似獲得的相位角數據。表1和表5之間的誤差小結為下表6表6誤差
從上述數字數據中可以得知，本實施例的內插電路獲得的逼近值的誤差很小，使得小于內插數400的+/-1LSB。
如上所述，當在正由8位×8位的地址尋址的查詢表存儲器中賦給內插數400的相位角數據時，存儲器容量是28×28×9＝589,824，將相位角數據的數據長度定義為9。與此相反，在本實施例中，假設具有相同數據長度且5位的矢量分量kx和ky的參考相位角存儲在由5位×5位的高階位指定的查詢表中，則存儲器容量變成25×25×(9+5+5)＝19,456位。這就是說，與上述例子相比，存儲器容量可以被壓縮成十三分之一。
這樣的非易失存儲器如ROM、EPROM和EEPROM和PLD、RAM之類可以用作圖1中所示的查詢表存儲器12。另外，執行內插運算的算術電路13可以用微處理器或除數字電路以外的DSP，通過軟件來實現。
按照本發明，在用于內插的查詢表存儲器中，存儲有由通過轉換A/D轉換器的輸出獲得的數字數據的高階NU位指定的相位角數據，和預先根據參考相位角數據的相位位置確定的相位角數據中變化的平均梯度矢量。內插運算是根據低階NL位的數據以及從查詢表存儲器讀取的參考相位角數據和平均梯度矢量來進行的，從而查詢表存儲器的容量可以大大地壓縮。
盡管本發明是針對最佳實施例來描述和給出的，但本領域的技術人員應當理解，在不偏離本發明的精神和范圍的情況下，可以對上述實施例的形式和細節作各種變更、省略和添加。
本專利申請的相應日本申請號是9-111123，申請日是1997年4月28日，其說明書、權利要求書、附圖和摘要一并遞交供參考。
權利要求
1.一種用于編碼器的內插電路，其特征在于，它包含A/D轉換電路，用來對從編碼器輸出相互相移90°的A相位和B相位正弦信號進行取樣，用給定的頻率將結果分別轉換成具有N位的A相位和B相位的數字數據；查詢表存儲器，用來存儲與多個相位分段對應的參考相位角數據和為每一相位分段準備的內插因子，用于內插參考相位數據，以獲得內插的相位角數據，所述相位分段是通過劃分相位空間而獲得的，其二維地址由A相位和B相位賦給，從而由A相位和B相位數字數據中的高階NU位數據規定二維地址，其中，高階NU位數據的輸入作為二維地址信號；以及通過處理從查詢表存儲器讀出的參考相位角數據和各個內插因子獲得內插的相位角數據和A相位中和B相位中用低階NL表示的相位內插數據的算術電路，其中，NL＝N-NU。
2.如權利要求1所述的內插電路，其特征在于，所述查詢表存儲器中存儲的內插因子是根據相位分段的相位位置預先確定的相位角數據的變化的平均梯度矢量。
3.如權利要求2所述的內插電路，其特征在于，所述算術電路包含確定從算術查詢表存儲器中讀出的相位內插數據和平均梯度矢量的矢量內積的乘法裝置；以及將由乘法裝置確定的矢量內積加到從算術查詢表存儲器讀出的參考相位角數據上以輸出經內插的相位角數據的加法裝置。
4.如權利要求2所述的內插電路，其特征在于，所述電路包含分別執行kx·Δx和ky·Δy的乘法的第一乘法裝置和第二乘法裝置，其中，Δx、Δy分別是相位內插數據的x分量和y分量，并且kx、ky分別是從查詢表存儲器讀出的平均梯度矢量的x分量和y分量；疊加所述第一乘法裝置和第二乘法裝置獲得的結果的第一加法裝置；以及將所述第一加法裝置疊加的結果加到從所述查詢表存儲器讀出的參考相位角數據上的第二加法裝置。
5.如權利要求2所述的內插電路，其特征在于，所述平均梯度矢量的x分量和y分量的獲得作為各個相位分段內中心點處相位角數據的偏微商。
6.如權利要求2所述的內插電路，其特征在于，所述平均梯度矢量的x分量和y分量的獲得作為各個相位分段和相鄰的另一相位分段中兩個典型點之間的微分值。
全文摘要
編碼器的輸出由A/D轉換器11a和11b取樣,轉換成N位的A相和B相數字數據DA和DB。在查詢表存儲器12中,存儲相位分段的參考相位角數據和相位分段中相位角數據中變化的平均梯度矢量,相位分段由數據DA和DB的高階NU位尋址。算術電路確定平均梯度矢量和由數據DA和DB的NL位表示的相位內插數據的矢量內積,將結果加到相位角數據上,從而輸出經內插的相位角數據。
文檔編號G01D5/244GK1202765SQ98107930
公開日1998年12月23日 申請日期1998年4月28日 優先權日1997年4月28日
發明者桐山哲郎, 寺口幹也 申請人:株式會社三豐