正弦波光栅尺信号的方波相移式细分法及应用* (2014年)

针对正弦波式光栅尺幅值相位细分法中对模数转换处理要求高、软件计算复杂、实时性不强等问题,提出了一种基于方波相移的光栅尺信号检测方法。该方法先将正弦波转换成方波,再从两路方波信号的相对相位位移中提取出光栅尺位移信号,电路简单,软件处理容易,细分精度取决于微处理器主频,对光栅尺信号的正弦近似程度要求不严格。此外,当光栅尺栅距在满足一定条件下与永磁直线同步电机进行一体化设计时,还能直接获得电机动子初始位置。最后,通过实验验证了该方法的可行性,光栅尺的细分精度为0.09μm,直线电机伺服系统的定位控制精度为±0. ### 正弦波光栅尺信号的方波相移式细分法及应用 #### 概述 本文介绍了一种用于正弦波光栅尺信号处理的新方法——方波相移式细分法。此方法旨在解决传统正弦波式光栅尺幅值相位细分法中存在的问题，如对模数转换器（ADC）的要求较高、软件计算复杂度大以及实时性不佳等。通过将正弦波转换为方波，并利用两路方波信号之间的相对相位位移来提取光栅尺位移信号，该方法实现了简单电路设计与易于软件处理的目标，同时细分精度由微处理器的主频决定，对光栅尺信号的正弦特性要求相对宽松。 #### 方波相移式细分法原理 1. **信号转换**：通过比较器或其他电路手段将正弦波信号转换为方波信号。这一步骤可以简化后续的信号处理流程，减少对ADC精度的要求。 2. **相对相位位移检测**：采用两路经过适当相移的方波信号，通过对这两路信号之间相对相位位移的检测来提取光栅尺位移信息。这种方法的优点在于可以通过简单的数字逻辑电路实现，降低了软件计算的复杂度。 3. **细分精度**：细分精度主要受到微处理器主频的影响，这意味着可以通过提高处理器的速度来进一步提高细分精度。此外，由于该方法对方波信号的正弦相似性要求不高，因此在一定程度上缓解了光栅制造工艺带来的限制。 #### 实际应用案例 文章提到，在特定条件下，将光栅尺与永磁直线同步电机（PMLSM）进行一体化设计时，不仅可以直接获得电机转子的初始位置信息，还能进一步提高系统的整体性能。通过实验验证，该方法能够实现光栅尺细分精度达到0.09μm，直线电机伺服系统的定位控制精度达到±0.9μm。 #### 技术优势与应用场景 - **技术优势**： - 硬件电路简单，降低了制造成本。 - 软件处理简便，减少了计算资源需求。 - 分辨率高，能够满足高精度测量的需求。 - 对光栅信号的正弦特性要求不高，适应性强。 - **应用场景**： - 高精度数控机床中的直线电机控制系统。 - 半导体制造设备中的精密定位系统。 - 光学测量仪器中的高精度位移检测系统。 #### 结论 正弦波光栅尺信号的方波相移式细分法是一种有效的信号处理技术，它不仅解决了传统方法中存在的问题，还提高了系统的实时性和准确性。该方法的应用前景广阔，尤其是在对精度要求极高的工业领域中具有巨大的潜力。通过进一步的研究和技术优化，预计这种细分方法将在未来的智能制造领域发挥重要作用。