基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼器設(shè)計(jì)

周起華, 朱 駿, 翁孚達(dá)

(上海無(wú)線(xiàn)電設(shè)備研究所,上海200090)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在雷達(dá)伺服系統(tǒng)對(duì)位置角度精度的需求越來(lái)越高,高精度的角位置傳感器也越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在伺服控制系統(tǒng)中。旋轉(zhuǎn)變壓器就是一種高精度的電磁感應(yīng)式傳感器[1],可用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度。它由定子和轉(zhuǎn)子組成,其中定子或轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的原邊,接受勵(lì)磁電壓,轉(zhuǎn)子或定子繞組作為變壓器的副邊,通過(guò)電磁耦合得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度,通常采用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器是采用粗機(jī)和精機(jī)兩個(gè)線(xiàn)圈匝數(shù)呈一定比例的單通道旋轉(zhuǎn)變壓器組合而成。由于旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的是正余弦交流信號(hào),無(wú)法直接應(yīng)用,需要對(duì)其輸出進(jìn)行特別的轉(zhuǎn)換,使其變成一個(gè)與轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子轉(zhuǎn)角成一定比例關(guān)系的數(shù)據(jù),即為解碼。解碼方式有很多種,如軟件解碼、硬件解碼。

軟件解碼對(duì)軟件平臺(tái)和編程水平要求較高,具有高可靠性、抗干擾強(qiáng)、運(yùn)行速度慢等特點(diǎn),比如調(diào)用反正切的方法、查表法等;硬件解碼對(duì)硬件平臺(tái)要求高,具有復(fù)雜、難實(shí)現(xiàn)、性能高、易受干擾等特點(diǎn)。

本文的解碼器設(shè)計(jì)是采用軟硬件結(jié)合的方法,不但提高了解碼器的可靠性和抗干擾性,同時(shí)具有容易實(shí)現(xiàn)、移植和智能化等特點(diǎn)。它主要是采用AD2S80A芯片作為雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)的解碼芯片,避開(kāi)了復(fù)雜的求反正切等算法,提高了運(yùn)行速度;通過(guò)EPM 9560可編程邏輯器(CPLD)對(duì)解碼芯片輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和誤差補(bǔ)償,提高了噪音抑制能力,具有一定的適用性。

1 旋變?cè)砗头桨笜?gòu)成

1.1 雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

本文的解碼器是基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器而設(shè)計(jì)的,故有必要討論下雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理。圖1給出了某一雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣原理圖。

圖1 雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣原理圖

由圖1可知,它屬于轉(zhuǎn)子一相繞組激磁定子繞組輸出的。在雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子中的粗機(jī)和精機(jī)繞阻 S1 S3和S′1 S′3兩端同時(shí)加一個(gè)正弦激磁信號(hào) u f=Um sinωt時(shí) ,則在定子 R2 R4、R′2 R′4繞組感應(yīng)出正弦電動(dòng)勢(shì),在 R1R3、R′1R′3繞組感應(yīng)出余弦電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)旋變轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子轉(zhuǎn)動(dòng) θ(即機(jī)械轉(zhuǎn)角),精機(jī)與粗機(jī)的極對(duì)數(shù)比為p時(shí),由電磁學(xué)基本定律可以得出圖1中的粗機(jī)和精機(jī)定子繞組感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)為[1]

式中:U m為定子最大瞬時(shí)電壓;k、k p為粗、精機(jī)變壓器的變壓比。

由式(1)～式(5)可以得出,雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗機(jī)定子繞組輸出的是嚴(yán)格按照轉(zhuǎn)子相對(duì)定子的機(jī)械轉(zhuǎn)角θ成正余弦規(guī)律變化的,而精機(jī)是按照pθ成嚴(yán)格的正余弦規(guī)律變化,它們的頻率都與激磁頻率相同。故精機(jī)輸出的電壓隨著轉(zhuǎn)角θ變化的周期為360°/p,pθ又稱(chēng)為旋變的電度角。

1.2 方案構(gòu)成

由式(1)～式(4)可知,雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗精機(jī)輸出的是一個(gè)隨著電度角成一定周期變化的正余弦信號(hào),若要得到機(jī)械轉(zhuǎn)角θ的精確信息,需對(duì)式(1)～式(4)進(jìn)行變換,即進(jìn)行解碼。本文論述的解碼器原理框圖如圖2所示。

圖2可以看出,雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗機(jī)和精機(jī)各需要獨(dú)立的一片AD2S80A芯片來(lái)解碼,解碼器系統(tǒng)電路主要由激磁電路和解碼電路兩部分組成。

2 解碼

2.1 解碼原理

圖2可以得出,解碼器的激磁電路產(chǎn)生的信號(hào)不僅作為雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁電源,還為解碼芯片AD2S80A提供參考輸入信號(hào)。集成晶振ZA 015可產(chǎn)生一定頻率的正弦波,但是該正弦波電流很小,不能直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓器,故要對(duì)其進(jìn)行功率放大。功率放大電路主要采用集成芯片MSK541功率放大單元。

雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換主要通過(guò)AD2S80A來(lái)實(shí)現(xiàn)的,它采用 BiMOSⅡ制造工藝[2],是美國(guó)模擬器件公司(Analog Devices)生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼專(zhuān)門(mén)芯片,具有精度高、性能穩(wěn)定及可靠性高等特點(diǎn)。它可將式(1)～式(4)的正余弦電壓轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)角成一定比例的數(shù)字量,實(shí)質(zhì)上它也是一種特殊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。以雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的粗機(jī)軸為例,AD2S80A解碼原理框圖如圖3所示。

圖2 解碼器原理框圖

圖3 AD2S80A解碼原理框圖

由圖3可見(jiàn),AD 2S80A解碼系統(tǒng)屬于一種數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng),它接收正弦和余弦交流信號(hào)后,送入高速數(shù)字乘法器,同時(shí)16位加減計(jì)數(shù)器內(nèi)的一初值數(shù)字量 φ反饋到高速乘法器中產(chǎn)生 cosφ和sinφ,并做以下乘法計(jì)算:

式(6)和(7)兩個(gè)電壓在差分放大器內(nèi)差分得

由于誤差信號(hào)受到激磁信號(hào)的調(diào)制,需要進(jìn)一步解調(diào)才能進(jìn)行處理。把式(8)和激磁信號(hào)同時(shí)送入相敏解調(diào)器,產(chǎn)生一個(gè)與sin(θ-φ)成正比的直流模擬信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過(guò)積分后,作為高動(dòng)態(tài)范圍VCO的控制電壓,VCO輸出控制邏輯門(mén)單元不斷加減調(diào)整φ使θ-φ趨于零,系統(tǒng)平衡后輸出一組關(guān)于φ的二進(jìn)制自然碼(MSB～LSB),即機(jī)械轉(zhuǎn)角θ值。

2.2 解碼過(guò)程

解碼芯片AD2S80A有兩個(gè)片選端口SC1和SC2,通過(guò)設(shè)置,可以使轉(zhuǎn)換芯片強(qiáng)行以16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出,與其對(duì)應(yīng)的最高跟蹤速度為65 536b/r。由圖3可以推出,雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗機(jī)和精機(jī)通道各輸出一組16位二進(jìn)制自然碼,兩路共32位。本文中的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗機(jī)通道極對(duì)數(shù)為1,精機(jī)通道的極對(duì)數(shù)為8,由式(1)～式(4)可以得出:

粗機(jī)軸旋轉(zhuǎn)1圈相當(dāng)于轉(zhuǎn)過(guò)360°,即粗機(jī)軸輸出360°,這時(shí)粗機(jī)輸出的數(shù)值對(duì)應(yīng)的權(quán)位值為

位:C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7～C12 C13 C14 C15 C16

則 MSB=180°,LSB=0.005 493°。

同時(shí)由于精機(jī)旋轉(zhuǎn)的周期為θ/8=0～360°/23,θ=0～360°,則其精機(jī)軸輸出的數(shù)值對(duì)應(yīng)權(quán)位值為

所以精機(jī)軸解碼后的數(shù)字角最高位J1代表22.5°,相當(dāng)于粗軸的C4位,這也是選用粗精機(jī)結(jié)合的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器而不選擇多極的精機(jī)單通道旋轉(zhuǎn)變壓器作為角位置傳感器的原因。

3 數(shù)據(jù)整合與誤差補(bǔ)償

數(shù)據(jù)整合和誤差補(bǔ)償是雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器解碼器設(shè)計(jì)中最重要也是最關(guān)鍵的一部分,它需要用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)整合

由上面可以看出,雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器解碼后輸出的是兩組16位自然二進(jìn)制碼,無(wú)法直接應(yīng)用,需要對(duì)數(shù)據(jù)作整合處理。

本文采用可編程邏輯芯片EPM 9560對(duì)粗精機(jī)輸出的二進(jìn)制自然碼進(jìn)行處理,得到一組與轉(zhuǎn)角成一定比例關(guān)系的二進(jìn)制角度信息。EPM 9560是ALTERA公司生產(chǎn)的一種可編程邏輯器件(CPLD)[3],內(nèi)部具有獨(dú)立的一百多個(gè)I/O接口和上萬(wàn)個(gè)邏輯單元,可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)便整合運(yùn)算、實(shí)時(shí)控制。

由于精機(jī)軸輸出的J1與粗機(jī)軸輸出的C4相對(duì)應(yīng),則粗機(jī)軸的C4～C16權(quán)位與精機(jī)軸的權(quán)位J1～J13是完全重合的,但是實(shí)際情況下,旋轉(zhuǎn)變壓器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在著各種誤差,無(wú)法真正的完全對(duì)齊。

為了提高測(cè)量角精度,粗精數(shù)字角整合的原則是:在粗精機(jī)軸輸出的16位數(shù)字角中,粗機(jī)軸只取高3位(C1～C3),精機(jī)軸取全部,即精機(jī)軸取輸出的16位(J1～J16),組成新的19位數(shù)據(jù)角位C1,C2,C3,J1～J16,其數(shù)值對(duì)應(yīng)的權(quán)值為

位:C1C2 C3 J1 J2 J3 J4～J12 J13 J14 J15 J16

則其最高位為 180°(MSB),最低位為0.000 686 6°(LSB)。

故新組成的19位自然二進(jìn)制碼的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粗機(jī)軸的精度,即使用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度傳感器的測(cè)角精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單通道旋轉(zhuǎn)變壓器。

AD2S80A處于運(yùn)算過(guò)程當(dāng)中時(shí),還會(huì)有狀態(tài)變量以TTL電平方式輸出,與CPLD保持實(shí)時(shí)通訊。兩個(gè)芯片各有一個(gè)BUSY端口,可產(chǎn)生一個(gè)繁忙信號(hào)。

當(dāng)CPLD檢測(cè)到任何一芯片的BUSY口為1時(shí),表明該芯片正處在運(yùn)算過(guò)程當(dāng)中,CPLD隨時(shí)發(fā)出一個(gè)禁止信號(hào)INH,送入各自AD2S80A的INH IBIT端口,禁止這時(shí)讀取兩芯片的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。這樣即能使兩芯片工作同步,又能防止誤讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。

3.2 數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償

雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),粗機(jī)和精機(jī)之間會(huì)存在各種各樣的誤差,導(dǎo)致粗精通道對(duì)應(yīng)位可能不同時(shí)變化。即存在粗通道數(shù)據(jù)變化后,精通道對(duì)應(yīng)位的數(shù)據(jù)還沒(méi)有變化,同樣也存在精通道數(shù)據(jù)變化,而粗通道對(duì)應(yīng)位的數(shù)據(jù)還沒(méi)有變化。這種誤差是轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換帶來(lái)的固有誤差,無(wú)法用電氣或者機(jī)械環(huán)節(jié)來(lái)解決,只能在CPLD中靠軟件補(bǔ)償。

誤差補(bǔ)償?shù)脑瓌t是:以輸出精機(jī)數(shù)據(jù)為準(zhǔn),輸出的粗機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。當(dāng)粗碼和精碼邊界狀態(tài)(J1和C4)發(fā)生變化時(shí),會(huì)導(dǎo)致粗碼讀的整數(shù)C1C2C3多“1”或者少“1”,則當(dāng) J1和 C4 變化不同步時(shí),采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)誤差補(bǔ)償模塊程序流程如圖4所示。

4 結(jié)論

本文提出并建立了一種基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼器設(shè)計(jì)。該方案的主要特點(diǎn)是充分利用了AD2S80A芯片高精度、高速度模數(shù)轉(zhuǎn)換功能,結(jié)合CPLD軟件平臺(tái),編寫(xiě)數(shù)據(jù)整合和誤差算法,將雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗精機(jī)輸出的交流信號(hào)用軟硬件結(jié)合的方法解算出其轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的機(jī)械轉(zhuǎn)角,為高精度雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)的高精度測(cè)角系統(tǒng)提供了一種方法。該方法具有方便、智能、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。

圖4 數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償程序流程圖

[1] 梅曉榕.自動(dòng)控制元件及線(xiàn)路[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[2] 黃建國(guó),陳曉.基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的智能編碼器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2009,11.

[3] 杜志傳,鄭建立.基于 CPLD/FPGA的 VHDL語(yǔ)言電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010.