基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的高精度測角系統(tǒng)設(shè)計

崔建飛，孫鳳鳴

（1.天津津航計算技術(shù)研究所天津300300；2.天津市航空電子綜合顯示控制重點實驗室天津300300；3.中國民航大學中歐航空工程師學院，天津300300）

在運動系統(tǒng)的精密控制領(lǐng)域，角度位置的測量至關(guān)重要，常用的角度位置傳感器包括光電編碼器[1]、霍爾傳感器[2]、旋轉(zhuǎn)變壓器[3]（以下簡稱旋變）等種類。其中旋轉(zhuǎn)變壓器以其環(huán)境適應(yīng)性高、使用可靠、使用壽命長等優(yōu)點[1]，被廣泛應(yīng)用于雷達伺服[4]，航空航天[5]、火炮控制[6]等領(lǐng)域，也廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、汽車機械、機器人伺服控制系統(tǒng)等領(lǐng)域[7]。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器通過單極線圈和多極線圈的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)角秒級精度的角度位置測量。通常的研究工作是將單極線圈和多極線圈分別進行測量后再通過處理器或FPGA等進行數(shù)據(jù)整合和誤差補償[8-12]。本文的軸角解算電路則采用集成的軸角轉(zhuǎn)換芯片，可以對雙通道旋變進行直接的解算，不需要處理器或FPGA再進行數(shù)據(jù)整合和誤差補償。硬件接口簡單，集成度相對較高，軟件開銷少。

1　系統(tǒng)設(shè)計

1.1　簡介

本測角系統(tǒng)由雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器、勵磁電源芯片、軸角轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)字信號處理器（DSP）組成，如圖1所示。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)動部分與回旋機構(gòu)轉(zhuǎn)軸固定，激磁電源芯片輸出的正弦交流信號進入到旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁線圈，旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)生成的信號經(jīng)調(diào)理電路輸入到軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片可以將旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組輸出的正交信號轉(zhuǎn)換為表示角度的數(shù)字量。經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路后由DSP讀取。

圖1　測角系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2　雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變，主要由線圈組成。通常包括激磁繞組和次級繞組兩部分。輸入即激磁繞組上施加外部正弦激勵信號。勵磁信號輸入初級繞組通過電磁耦合互感的原理，在兩組相位相差90°的次級繞組上分別產(chǎn)生與勵磁信號頻率相同，幅值根據(jù)轉(zhuǎn)子相位變化的正余弦信號。旋轉(zhuǎn)變壓器按照極對數(shù)可分為單極旋變和多極旋變。單極旋變的電氣誤差通常為角分級，而多極旋變的電氣誤差通常可達角秒級。

雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器由單極和多極旋變組成一體，通常采用同一鐵芯兩套繞組的共磁路式，結(jié)構(gòu)簡單。兩套繞組分別為粗機（單極旋變）和精機（多極旋變），用于滿足定位精度較高的位置伺服等需求場合。

如圖2所示，雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器含有粗機和精機兩套繞組。粗機的次級繞組輸出兩路正弦信號周期與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動周期相同，而精機的輸出繞組輸出的兩路正弦信號周期與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動周期之比為1：N，N為極對數(shù)。

粗角度位置測量由單極旋變完成，精角度位置測量由多極旋變完成，通過粗機、精機組合完成360°機械角度的高精度測量。本文采用的雙通道旋變型號為J150XFSW001型無刷分裝式雙通道旋變。勵磁頻率為400 Hz，變壓比為3：1，極對數(shù)為1:32，精機電氣誤差≤±8.2″[13]。

共引出10根信號線，其中RH與RL為勵磁信號，為正弦交流信號。雙通道旋變粗機和精機的繞組分別輸出兩套正余弦信號。粗機輸出的感應(yīng)信號分別為余弦差分信號對cos1+、cos1-，正弦差分信號對sin1+、sin1-。精機輸出的感應(yīng)信號分別為余弦差分信號對cos2+、cos2-，正弦差分信號對sin2+、sin2-。余弦信號與正弦信號間相位差90°。粗機（單極旋變）和精機（多極旋變）的次級繞組的直流電阻通常不一致，可用來對粗機輸出和精機輸出加以區(qū)分

圖2　雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3　雙通道軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊

對于雙通道旋變的解算，通常的方案是采用兩套軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，分別接雙通道旋變的精機和粗機。利用處理器或FPGA（復雜可編程門陣列）讀出兩套數(shù)字解算電路的數(shù)值后，再進行數(shù)據(jù)整合和誤差補償。此類應(yīng)用中常用的軸角數(shù)字模塊有AD2S1210、AD2S1200、AD2S80A等。

本文采用軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊為HTS19R32-619-T5（中電科技43所生產(chǎn)），內(nèi)部含有兩套角度數(shù)字轉(zhuǎn)換器和編程器糾錯邏輯電路。粗通道完成12位模擬角到數(shù)字角的轉(zhuǎn)換，精通道完成14位模擬角到數(shù)字角的轉(zhuǎn)換，然后將粗精轉(zhuǎn)換的數(shù)字角度分別送入編程糾錯邏輯電路，完成誤差處理與糾錯后，輸出一個19位并行二進制數(shù)字量，送入輸出緩存器緩沖輸出數(shù)字角，完成全部轉(zhuǎn)換[14]。與采用兩套相同的軸角數(shù)字模塊的方案相比，數(shù)字處理器的軟件解算任務(wù)量較小，接口電路比較簡單。

HTS19R32-619軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸入的模擬信號分為兩類：一類為粗機和精機次級繞組輸出的正余弦信號，要求的信號電壓有效值為3 V；另一類為參考電壓信號，要求的信號電壓有效值7 V，相位和頻率與粗機精機的初級繞組勵磁信號相同。信號頻率與通道旋變相符合為400 Hz。規(guī)定的粗、精組合的比速為1：32，與雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的極對數(shù)相匹配。軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊HTS19R32-619-T5的輸入信號主要包括：

1）參考信號RH、RL，這兩個信號也是雙通道旋變的勵磁信號；

2）旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)信號 cos1+、cos1-、sin1+、sin1-、cos2+、cos2-、sin2+、sin2-；

軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的控制信號包括：

1.4　勵磁電源

勵磁電源選擇HOSC2758A（中電科技43所生產(chǎn)），輸出正弦波信號的電壓有效值可以通過串接電阻調(diào)整大?。?～7 V），頻率可通過外接電容進行調(diào)整。如圖3所示。

圖3　勵磁芯片引線關(guān)系

外接電容和工作頻率滿足公式（1）：

外接電容需用一類陶瓷電容，本文中勵磁頻率為400 Hz，C1和C2為25 nF，由10 nF和15 nF的電容并聯(lián)得到。

所需要的電壓有效值滿足公式（2）

本文需用電壓有效值為7 V，R取0Ω。

2　硬件電路設(shè)計

圖4為系統(tǒng)的原理圖，勵磁芯片HOSC2758A輸出的勵磁信號根據(jù)需要進行放大后施加到雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器，同時作為參考信號輸入到軸角轉(zhuǎn)換芯片HTS19R32。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號引入到軸角轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)采用TMS320F28335型DSP作為主控CPU，它是電機數(shù)字控制專用的高速DSP，能夠提供電機數(shù)字控制單片解決方案所必需的外圍設(shè)備[15]。DSP通過通用輸入輸出引腳（GPIO）對軸角轉(zhuǎn)換芯片進行控制，通過數(shù)據(jù)總線接收軸角轉(zhuǎn)換芯片解算輸出的角度信息。由于DSP和軸角轉(zhuǎn)換芯片邏輯電路電平不一致，通過3片電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVTH244完成電平轉(zhuǎn)換。

圖4　系統(tǒng)原理圖

3　軟件流程

3.1　讀取時序

HTS19R32-619-T5型雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的讀取時序如下：

3.2　中斷函數(shù)流程

在利用伺服電機驅(qū)動的位置伺服控制應(yīng)用中，往往采用三級閉環(huán)控制[16]。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器一般作為位置環(huán)的位置反饋傳感器。其讀取周期一般大于速度環(huán)讀取周期。

圖5　數(shù)據(jù)讀取時序圖

在本文中，設(shè)置定時中斷周期為133 μs，在中斷產(chǎn)生后讀取位置環(huán)角度位置值用于反饋控制。將HTS19R32地址分配至TMS320F28335的XINTF Zone 6，讀取地址0x100000可將該角度位置值讀入。其軟件流程如圖6所示。

4　測量結(jié)果

圖6　中斷函數(shù)流程圖

本文所采用的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器與一臺轉(zhuǎn)速0～3 r/min的設(shè)備同軸固定安裝，以0.5 r/min的速度驅(qū)動旋轉(zhuǎn)設(shè)備。通過TMS320F28335每隔133 μs讀取一次位置值，并將結(jié)果傳輸?shù)接^測窗口，角度測量斜坡線如下圖7所示?？v坐標為角度值放大100倍，單位為rad。橫坐標為讀數(shù)次數(shù)，每隔133 μs讀取一次。每90000次讀數(shù)即120 s，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子隨設(shè)備轉(zhuǎn)動部分旋轉(zhuǎn)一周。

圖7　DSP讀取旋轉(zhuǎn)角度值

5　結(jié)論

本文利用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度測量傳感器，軸角轉(zhuǎn)換芯片HTS19R32與DSP芯片TMS320F28335構(gòu)成高精度位置檢測電路，其外圍接口電路簡潔，軟件任務(wù)量較小，能夠?qū)崿F(xiàn)角度位置的精確測量，滿足角度位置伺服系統(tǒng)的要求。