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  • 具有高分辨率位置内插的正弦/余弦编码器接口

    • ZHCU108B June   2015  – March 2025

       

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  • 具有高分辨率位置内插的正弦/余弦编码器接口
  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1 系统说明
    1. 1.1 设计概述
    2. 1.2 模拟正弦/余弦增量编码器
      1. 1.2.1 正弦/余弦编码器输出信号
      2. 1.2.2 正弦/余弦编码器电气参数示例
    3. 1.3 通过正弦/余弦编码器计算高分辨率位置的方法
      1. 1.3.1 理论方法
        1. 1.3.1.1 概述
        2. 1.3.1.2 粗略分辨率角度计算
        3. 1.3.1.3 精确分辨率角度计算
        4. 1.3.1.4 插值高分辨率角度计算
        5. 1.3.1.5 非理想同步条件下的实际实施情况
        6. 1.3.1.6 分辨率、精度和速度注意事项
    4. 1.4 正弦/余弦编码器参数对模拟电路规范的影响
      1. 1.4.1 相位插值的模拟信号链设计注意事项
      2. 1.4.2 增量计数的比较器功能系统设计
  8. 2 设计特性
    1. 2.1 正弦/余弦编码器接口
    2. 2.2 主机处理器接口
    3. 2.3 评估固件
    4. 2.4 电源管理
    5. 2.5 EMC 抗扰度
  9. 3 方框图
  10. 4 电路设计和元件选型
    1. 4.1 模拟信号链
      1. 4.1.1 带有 16 位双路采样 ADC 的高分辨率信号路径
        1. 4.1.1.1 元件选型
        2. 4.1.1.2 输入信号端接与保护
        3. 4.1.1.3 差分放大器 THS4531A 和 16 位 ADC ADS8354
      2. 4.1.2 面向嵌入式 ADC 的 MCU 的单端输出模拟信号路径
      3. 4.1.3 数字信号 A、B 和 R 的比较器子系统
        1. 4.1.3.1 具有迟滞功能的同相比较器
    2. 4.2 电源管理
      1. 4.2.1 24V 输入转换为 6V 中间电压轨
      2. 4.2.2 编码器电源
      3. 4.2.3 信号链电源 5V 和 3.3V
    3. 4.3 主机处理器接口
      1. 4.3.1 信号描述
      2. 4.3.2 采用具有串行输出的 16 位双路 ADC ADS8354 的高分辨率路径
        1. 4.3.2.1 ADS8354 输入满标量程输出数据格式
        2. 4.3.2.2 ADS8354 串行接口
        3. 4.3.2.3 ADS8354 转换数据读取
        4. 4.3.2.4 ADS8354 寄存器配置
    4. 4.4 编码器连接器
    5. 4.5 设计升级
  11. 5 软件设计
    1. 5.1 概述
    2. 5.2 C2000 Piccolo 固件
    3. 5.3 用户界面
  12. 6 入门
    1. 6.1 TIDA-00176 PCB 概览
    2. 6.2 连接器和跳线设置
      1. 6.2.1 连接器和跳线概述
      2. 6.2.2 默认跳线配置
    3. 6.3 设计评估
      1. 6.3.1 先决条件
      2. 6.3.2 硬件设置
      3. 6.3.3 软件设置
      4. 6.3.4 用户界面
  13. 7 测试结果
    1. 7.1 模拟性能测试
      1. 7.1.1 高分辨率信号路径
        1. 7.1.1.1 编码器连接器至 ADS8354 输入端的模拟路径波德图
        2. 7.1.1.2 整个高分辨率信号路径的性能曲线图 (DFT)
        3. 7.1.1.3 ADC 交流性能定义的背景信息
      2. 7.1.2 差分转单端模拟信号路径
      3. 7.1.3 带数字输出信号 ATTL、BTTL 和 RTTL 的比较器子系统
    2. 7.2 电源测试
      1. 7.2.1 24V DC/DC 输入电源
        1. 7.2.1.1 负载-线路调整
        2. 7.2.1.2 输出电压纹波
        3. 7.2.1.3 开关节点和开关频率
        4. 7.2.1.4 效率
        5. 7.2.1.5 波特图
        6. 7.2.1.6 热像图
      2. 7.2.2 编码器电源输出电压
      3. 7.2.3 5V 和 3.3V 负载点
    3. 7.3 系统性能
      1. 7.3.1 正弦/余弦编码器输出信号仿真
        1. 7.3.1.1 一个周期（增量相位）测试
        2. 7.3.1.2 最大速度时机械旋转一周的测试
    4. 7.4 正弦/余弦编码器系统测试
      1. 7.4.1 零索引标记 R
      2. 7.4.2 功能性系统测试
    5. 7.5 EMC 测试结果
      1. 7.5.1 测试设置
      2. 7.5.2 IEC-61000-4-2 ESD 测试结果
      3. 7.5.3 IEC-61000-4-4 EFT 测试结果
      4. 7.5.4 IEC-61000-4-5 浪涌测试结果
  14. 8 设计文件
    1. 8.1 原理图
    2. 8.2 物料清单
    3. 8.3 PCB 布局指南
      1. 8.3.1 PCB 层图
    4. 8.4 Altium 工程
    5. 8.5 Gerber 文件
    6. 8.6 软件文件
  15. 9 参考资料
  16. 10作者简介
    1.     致谢
  17. 11设计文件
    1. 11.1 原理图
    2. 11.2 物料清单
    3. 11.3 PCB 布局指南
    4. 11.4 Altium 工程
    5. 11.5 Gerber 文件
  18. 12支持资源
  19.   商标
  20. 13作者简介
    1.     致谢
  21. 14修订历史记录
  22. 重要声明
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Design Guide

具有高分辨率位置内插的正弦/余弦编码器接口

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说明

此参考设计是针对正弦/余弦位置编码器且符合 EMC 标准的工业接口。其应用场景包括需要精确速度和位置控制的工业驱动器。该设计使用 16 位双路采样 ADC，并提供了可直接替换的 14 位或 12 位版本，从而允许在性能和成本之间进行优化。此外，TIDA-00176 还支持通过 SPI 和 QEP 接口轻松连接外部处理器，并支持使用可选的嵌入式 ADC。为实现快速评估，本设计提供适用于 Piccolo™ F28069M MCU LaunchPad™ 的示例固件。该固件可输出来自正弦/余弦编码器的实测角，同时可通过 MCU 的 USB 虚拟 COM 端口提供高达 28 位的分辨率。

资源

TIDA-00176 设计文件夹
ADS8354、THS4531A 产品文件夹
TLV3202、OPA2365 产品文件夹
REF2033、TPS54040A 产品文件夹
TIPD117 工具文件夹
Piccolo F28069M MCU LaunchPad 工具文件夹
TIDA-00176 请咨询我司 TI E2E™ 支持专家

特性

  • 符合 EMC 标准的工业接口设计适用于带 1-VPP 差分输出（2.5V 偏移）以及高达 500kHz 输入频率的正弦/余弦编码器
  • 高分辨率插值位置，分辨率高达 28 位，电缆长度测试可达 70 米
  • 双路模拟信号链支持同时使用 16 位双路 SAR ADC 和 MCU 嵌入式 ADC，允许评估两条路径和优化一条路径以提高防噪性能并降低带宽
  • 易于通过 SPI 和 QEP 接口连接到 MCU，并且根据分辨率要求，可以通过使用可直接替换的 14 位或 12 位 ADC 来实现成本优化
  • 为 C2000™ MCU 提供的示例固件，能够在 16kHz 频率下计算高分辨率角度，并通过 USB 虚拟 COM 端口发送角度数据，以便于性能评估
  • 经测试符合 IEC61000-4-2、4-4 和 4-5 要求（ESD、EFT 和浪涌 EMC 抗扰度要求）

应用

  • 交流驱动器
  • 精密变速驱动器
  • 伺服驱动

TIDA-00176
TIDA-00176

1 系统说明

1.1 设计概述

德州仪器 (TI) 的这一设计符合工业温度要求和 EMC 标准，该设计下的接口适用于具有 1 VPP 差分模拟输出信号、频率高达 500kHz 且采用 5V 电源电压的正弦/余弦增量式位置编码器。这一 TI 设计的主要组成模块包括双路径模拟信号链、高速比较器模块、电源管理模块、正弦/余弦编码器接口，以及用于数字信号处理和高分辨率位置计算的主机微控制器接口。图 1-1 中所示为简化的系统方框图，其中 TI 硬件设计用浅绿色框表示。

为便于对此设计指南进行评估，我们为 TMS320F28069M InstaSPIN™-MOTION LaunchPad 提供了示例固件。TMS320F28069M 可为两条模拟信号路径计算高分辨率角度位置。一条路径通过 SPI 利用外部 16 位双 ADC。另一条路径则使用 F28069M 嵌入式双路 S/H 12 位 ADC。角度计算的分辨率最高可达 28 位，并通过 USB 虚拟串口输出以便进行评估。

TIDA-00176 采用 Piccolo F28069M LaunchPad 的 TIDA-00176 简化系统方框图图 1-1 采用 Piccolo F28069M LaunchPad 的 TIDA-00176 简化系统方框图

模拟信号链提供具有 EMC 保护功能的 120Ω 终端。差分1 VPP 正弦和余弦输入信号将分别进行放大和电平转换。该设计提供了双信号路径选项，板载了一个高速、高分辨率的双路 16 位同步采样 ADC，支持 SPI 接口，同时还具有双路模拟单端输出，输出偏置电压为 1.65V，可与如 C2000™ Piccolo 实时微控制器系列这类嵌入式双路 S/H ADC 的微控制器连接。

比较器块具有速度快，传播延迟低，迟滞可调的特点，可提高防噪性能。比较器块可将模拟信号 A，B 及标记 R 转换为具有 3.3V TTL 电平的数字信号，可连接至正交编码器脉冲模块，如 C2000 Piccolo MCU 上的 QEP 模块。

板载的宽输入范围 24V 电源为模拟信号链提供必要的电压，同时为正弦/余弦编码器提供 5.25V 的电源电压。

正弦/余弦编码器可连接至 15 引脚屏蔽 Sub-D 连接器或 8 引脚插头。与主机处理器连接的接口可提供模拟单端信号 A 和 B，这两个信号的电压在 0 到 3.3V 之间变化，并且带有 1.65V 的偏置电压；同时，该接口还会提供用于串行外设接口 (SPI) 的数字信号；以及 A、B 和 R 这几个数字信号，它们的输入输出 (I/O) 电压为 3.3V。数字输出信号 A、B 和 R 通常称为 ABZ 信号。

该设计按照 IEC 61800-3 标准中针对可调速电力驱动系统的电磁兼容性 (EMC) 抗扰度要求以及特定测试方法，依据 IEC61000-4-2、4-4 和 4-5 标准，进行了 ESD、EFT 和浪涌方面的测试。

1.2 模拟正弦/余弦增量编码器

增量旋转编码器或线性位置编码器在许多应用中用于测量角度或线性位置及速度。根据应用的不同，会使用具有 TTL/HTL 输出信号或模拟正弦输出信号的编码器。后者通常称为正弦/余弦编码器。模拟正弦/余弦增量编码器可实现高分辨率位置测量。正弦增量信号的质量很高，可实现用于数字速度控制的高插值因子。应用领域包括电机、机床、印刷机、木工机床、纺织机、机器人、装卸装置以及各种类型的测量、测试和检验设备。

1.2.1 正弦/余弦编码器输出信号

利用编码器通常可实现两种感测方法：光学感测或电感感测。在光学旋转编码器中，编码器圆盘对可以被光电管感测到强度的光束进行调制。这样会产生两个 90 度相移正弦增量信号 A 和 B。从编码器转轴角度看，顺时针旋转时，B 滞后于 A。在一个机械旋转周期，信号 A 和 B 的周期数等于编码器线数 N。较远的轨道能承载参考标记 R，每个机械旋转周期出现一次。借助参考标记可测量绝对角位置。

TIDA-00176 线数为 16 的正弦/余弦编码器在一个机械旋转周期中的简化正弦和余弦信号图 1-2 线数为 16 的正弦/余弦编码器在一个机械旋转周期中的简化正弦和余弦信号

带有 1VPP 接口的正弦/余弦编码器可以提供差分模拟输出信号 A (A+、A–) 和 B (B+、B–)，该信号附有 1VPP 及通常为 2.5V 的 DC 偏移。差分参考标记信号 R (R+、R-) 的振幅通常略低，每个旋转周期仅出现一个峰值。图 1-3所示为差分输出信号 A、B 和 R。请注意，A、B 和 R 分别代表 A+ 减 A–、B+ 减 B– 及 R+ 减 R– 的差分信号。

TIDA-00176 线数为 N 的正弦/余弦编码器在每个旋转周期的输出电压信号 A、B 和标记 R图 1-3 线数为 N 的正弦/余弦编码器在每个旋转周期的输出电压信号 A、B 和标记 R

正弦/余弦编码器差分输出信号的频率取决于编码器的线数及机械速度，如方程式 1所示：

方程式 1. TIDA-00176

N 代表正弦/余弦编码器线数，v 代表编码器转轴的机械速度，单位为 rpm。

图 1-4概述了线数 N 为 100、1000 和 2000 时编码器输出频率与机械速度的关系。

TIDA-00176 正弦/余弦编码器输出信号 A 和 B 的电频率与机械速度和线数图 1-4 正弦/余弦编码器输出信号 A 和 B 的电频率与机械速度和线数

例如，线数 N 为2000 时，以 12000rpm 的机械速度运行的正弦/余弦编码器
将输出频率为 400KHz 的信号 A 和 B。

1.2.2 正弦/余弦编码器电气参数示例

为了了解正弦/余弦编码器电气接口模块的要求，我们对一些工业正弦/余弦编码器模型示例进行了分析。表 1-1 中列出了相应地参数。

表 1-1 编码器电源电压示例
正弦/余弦编码器模型电源电压电流消耗
15V ± 0.5V DC< 120mA
25V ± 10%150mA
35V ± 5%70mA（最小值）

正弦/余弦编码器的电源需要在该规格范围内。

模拟信号链需要至少满足表 1-2中列出的信号振幅、偏移和最大频率要求。

表 1-2 编码器输出信号 A，B 示例
正弦/余弦编码器模型信号电平 A，B直流偏移线数 N限制频率
(–3dB)
10.6 至1.2 VPP，1 VPP 典型值2.5V ±0.5V50 至 5000≥180 kHz
21 VPP (+20%,-40%)2.5V ±0.5V120kHz
31 VPP (±10%)2.5V ±100mV1024 或 2048400kHz
表 1-3 编码器输出信号标记 R 示例
正弦/余弦编码器模型参考标记处的可用分量 G参考标记外的静态值 H直流偏移
10.5 VPP 典型值，0.2 VPP最小值-1.7V2.5V
表 1-4 编码器机械参数示例
正弦/余弦编码器模型系统精度轴机械速度
1光栅周期的 1/20< 16000 rpm

1.3 通过正弦/余弦编码器计算高分辨率位置的方法

1.3.1 理论方法

1.3.1.1 概述

从硬件的角度而言，通常可采用两种方法，这两种方法主要影响 A/D 转换器的要求。

在"过采样方法"中，正弦和余弦信号的采样频率至少应为最大正弦和余弦频率的四倍。增量计数及相位计算由主机处理器上的后续数字信号处理来完成。在该方法中，不需要比较器，而是需要高速双采样 ADC。

常用的"欠采样"方法使用单独的硬件块来计算增量计数和插值增量相位。与第一种方法相比，该方法的优点是 ADC 的采样频率和带宽更低，因为它不会影响增量计数，而仅影响插值相位。但是，欠采样方法需要为每个正弦和余弦各使用一个比较器，以便生成数字正交编码信号 A 和 B，这两个信号会驱动方向递增递减计数器，通常称为正交编码脉冲计数器。双采样 ADC 的模拟带宽至少需要等于最大正弦/余弦频率。图 1-5中概述了欠采样方法。

TIDA-00176 用于插值角度计算的信号处理方框图图 1-5 用于插值角度计算的信号处理方框图

总插值角位置由粗略角和精确角组成。插值角由实际增量线数及该增量线范围内的相位决定。增量线范围内的相位源自任何特定时刻的模拟正弦和余弦信号 A 和 B。实际增量计数和实际模拟正弦和余弦信号都必须同时锁存，因此二者应同步。增量线数提供粗略角，而该增量线范围内正弦和余弦的相位提供精确角。总插值角由粗略角和精确角构成，如图 1-5中的简化方框图所示。下一段将介绍相应的方程式 2至方程式 4。

1.3.1.2 粗略分辨率角度计算

增量计数及其确定的增量粗略角可由计数器决定，当 A 信号序列超前时，计数器进行递增计数；当 B 信号序列超前时，计数器进行递减计数。当进行数字化处理时，A 信号和 B 信号的上升沿和下降沿都会被计数。因此，一个增量计数相当于信号 A 和 B 均产生了 90° 的相移，参见 图 1-3。增量计数从 0 开始，每个 方程式 2 的最大增量计数为 incrMAX，其中 N 为线数：

方程式 2. TIDA-00176

增量位置 Φincr 的计算公式为：

方程式 3. TIDA-00176

其中，incr 是实际增量计数，N 是总线数，Φ0 是零度角，由参考标记 R（如果使用）确定。

1.3.1.3 精确分辨率角度计算

正弦信号 A 和 B 的相位 ϕA，B 用于在两个连续的线计数或四个增量步进（二者相当）之间对角度进行插值。相位 ϕA，B 可以使用 方程式 4 进行计算：

方程式 4. TIDA-00176

由于在计算中仅使用了信号 A 和信号 B 幅值的比值，而这两个信号的幅值都同时取决于编码器的转速和电源电压，所以编码器转速和电源电压的变化不会影响最终的计算结果。

1.3.1.4 插值高分辨率角度计算

在根据表 1-5将增量计数 incr 与相位 ϕA,B 匹配时，总插值角 ΦTOTAL 可通过线数 N 计算，公式如下：

方程式 5. TIDA-00176
警告：

正弦信号 A 和 B 与增量计数 incr 必须同时锁存。

表 1-5 增量计数与相位及相位象限间关系的示例
增量计数PHASE象限
00≤ 相位 < 901
190≤ 相位 < 1802
2180≤ 相位 < 2703
3270≤ 相位 < 3604
40≤ 相位 < 901

1.3.1.5 非理想同步条件下的实际实施情况

实际上，与模拟信号相比，输入正交编码器脉冲计数器的数字化信号 ATTL 和 BTTL 通常都有相移。造成这种现象的主要原因是比较器的迟滞和传播延迟，以及锁存增量计数和采样模拟输入 A 和 B 之间的同步不理想。

迟滞对相移的影响几乎与信号频率无关，但几乎与信号振幅成反比。传播延迟及采样模拟信号与锁存增量计数之间的不理想同步所产生的影响与振幅几乎无关，但与频率成正比。因此，最大相移出现在正弦/余弦编码器频率最大和振幅最小的位置。

这意味着每次转换到下一象限时，由于相位滞后，增量计数器不会立即更新，如图 1-6中第一象限所示。

TIDA-00176 ATTL 与模拟信号 A 因相位滞后产生的相移图 1-6 ATTL 与模拟信号 A 因相位滞后产生的相移

上述因素不容忽视，因此需要采用一种方法来检测并校正这些极端情况。由于增量线数的低两位和模拟相位具有不确定性，因此只要相移保持小于 ±90°，就可以应用表 1-6中所述的校正方法。

由于仅使用相位信息来识别象限，因此只有两种例外情况需要考虑，即从象限 4 转换到象限 1 或从象限 1 转换到象限 4 期间发生的情况，具体取决于旋转方向。

表 1-6 校正方法
增量计数 [incr] 相位 φA,B 校正方法
incr%4 = 3 0≤ 相位 < 90 incr = incr+1
，如果 incr > 4 × N–1，则 incr = 0
INCR%4 = 0 270≤ 相位 < 360 incr = incr-1
，如果 incr < 0，则 incr = 4 × N–1
警告：

仅当模拟信号 A 和 B 与数字信号 ATTL 和 B TTL 之间的相移小于 ±90° 时，此校正方法才有效。

在节 1.4中列出了此项设计中最坏情况下的计算值。

1.3.1.6 分辨率、精度和速度注意事项

理想的插值角分辨率是正弦/余弦编码器的线数与双路 ADC 分辨率的函数。等效的插值角分辨率的计算公式为：

方程式 6. TIDA-00176

图 1-7展示了在没有插值、使用理想 12 位双路 ADC 和16 位双路 ADC 的情况下，可实现的插值角分辨率，其能用作线数的函数。

TIDA-00176 理想插值角分辨率、线数和 ADC 分辨率间的关系图 1-7 理想插值角分辨率、线数和 ADC 分辨率间的关系

如果使用 ADC 的满量程输入范围，则使用 16 位双路 ADC 时，线数为 2048 的正弦/余弦编码器的理想分辨率等于 28 位。

位置控制通常不需要高分辨率，但在进行非常精确的速度控制时，尤其是在机械速度较低的情况下，需要高分辨率。图 1-8所述的是，在采样速率为 1.6kHz，无低通滤波条件下得出的理想速度分辨率曲线。此时假设在 16kHz 条件下工业驱动系统速度闭环控制的运行比当前闭环控制和 PWM 低 10 倍。

TIDA-00176 采样速率为 1.6kHz 且编码器线数为 1000 时的理想速度分辨率与机械速度间的关系图 1-8 采样速率为 1.6kHz 且编码器线数为 1000 时的理想速度分辨率与机械速度间的关系

在实践中，将进行低通滤波并提高分辨率和抗扰度，但会出现滤波器特定的传播（组）延迟或延时。

根据理想分辨率、表 1-7、图 1-9，且图 1-10概述了量化、偏移、增益或相位误差对插值角的影响。

表 1-7 相位误差示例分析
误差源示例相位误差 [最大值]
信号 A 和 B 的量化12 位0.012% [0.045°]
信号 A 和 B 的偏移误差0.1%0.05% [0.18°]
信号 A 和 B 的增益误差0.1%0.04% [0.15°]
输入信号 A 和 B 之间的相移90 + 0.36° [0.1%]0.1% [0.36°]
TIDA-00176 偏移为 +0.1% 时信号 A 和 B 的相位误差图 1-9 偏移为 +0.1% 时信号 A 和 B 的相位误差
TIDA-00176 信号 A 和 B 之间的相移为 (90 + 0.36°) 时的相位误差图 1-10 信号 A 和 B 之间的相移为 (90 + 0.36°) 时的相位误差

请注意，由于输入信号 A 和 B 之间的相移引起的相位误差显示了两个周期。可利用此特征和信号处理算法检测和校正恒定相移。但这超出了本设计指南的讨论范围。

1.4 正弦/余弦编码器参数对模拟电路规范的影响

为确定模拟电路，如节 4中所述，我们考虑了以下正弦/余弦编码器信号参数（包括支持更长的电缆）。

  • 正弦/余弦最小和最大峰值间振幅：差分 0.3 至 1.2 VPP，满量程输入范围，至少 50% 的余量 (1.8 VPP)
  • 正弦/余弦偏移电压范围：2.5V ±1V
  • 正弦/余弦最大频率：500kHz
  • 正弦/余弦最大压摆率： >2 V/µs
  • 正弦/余弦线路端接：120-Ω ±1%
  • 编码器电源电压和电流：5V ±5%，200mA

 
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