基于FPGA的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角系統(tǒng)設(shè)計(jì)

甘戈,熊偉,吳洋,劉占才,劉景巖,朱雙雙

(1中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031;2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230036)

0 引言

隨著載荷探測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和對(duì)大氣環(huán)境日益迫切的探測(cè)需求,近年來(lái)我國(guó)發(fā)射了越來(lái)越多的星載成像儀器。而對(duì)于星載成像系統(tǒng)這類閉環(huán)精密系統(tǒng)的掃描機(jī)構(gòu)而言,為了控制掃描機(jī)構(gòu)的推掃位置及速度、加速度等參數(shù),通常把角度值作為一個(gè)重要參量,需要實(shí)時(shí)獲得其精確的反饋值,之后通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算就可以獲得掃描執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度以及加速度等信息,有利于構(gòu)建完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。航空航天應(yīng)用上對(duì)掃描機(jī)構(gòu)有著較高的速度精度及定位精度等控制要求[1],因此,選用高測(cè)量精度的傳感器作為整個(gè)系統(tǒng)的角度測(cè)量元件并對(duì)其測(cè)角技術(shù)進(jìn)行研究有著十分重要的工程價(jià)值。

在科研領(lǐng)域及日常生產(chǎn)制造活動(dòng)中,通常采用角度傳感器來(lái)檢測(cè)待測(cè)物體的角度位置。其基本工作機(jī)制是按照不同的電子學(xué)轉(zhuǎn)換原理將角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào),并通過(guò)數(shù)據(jù)接口對(duì)外輸出。常用角度傳感器有光電編碼器、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器三種[2]。旋轉(zhuǎn)變壓器的定、轉(zhuǎn)子的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較獨(dú)立,因此其結(jié)構(gòu)件的抗沖擊性比光電編碼器及感應(yīng)同步器更好,沒(méi)有特別薄弱的環(huán)節(jié),能夠適應(yīng)軍工武器、航空航天過(guò)載以及沖擊大、工作溫度變化范圍廣的惡劣環(huán)境要求,從而被廣泛應(yīng)用于上述領(lǐng)域[3]。

以中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的大氣主要溫室氣體監(jiān)測(cè)儀(GMI)為例[4]。GMI載荷采用旋轉(zhuǎn)變壓器(下文簡(jiǎn)稱為旋變)作為角度傳感器并使用單片機(jī)控制電機(jī)啟停工作,轉(zhuǎn)速為每分鐘5轉(zhuǎn),將旋變數(shù)據(jù)解算為16位使用。本課題出于對(duì)上述角度傳感器性能和適用范圍的綜合考慮,最終選用旋變作為測(cè)角系統(tǒng)的角度測(cè)量元件加以研究。衛(wèi)星載荷的實(shí)際項(xiàng)目中要求測(cè)角系統(tǒng)的測(cè)量精度在±30′′以內(nèi),本設(shè)計(jì)以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)作為主控芯片,并使用中電二十一所研制的J75XFSW002型無(wú)刷雙通道旋變作為系統(tǒng)的角度測(cè)量元件,同時(shí)采用AD2S1210高精度解碼芯片作為解碼芯片[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于實(shí)際工程的測(cè)角系統(tǒng),具有一定創(chuàng)新性和實(shí)用性。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器角度傳感原理簡(jiǎn)介

旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理是通過(guò)電磁感應(yīng)將待測(cè)軸的角位移量轉(zhuǎn)化為電信號(hào),因此從本質(zhì)上可以將其視為一種特殊類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。在航空航天等高精度應(yīng)用領(lǐng)域上一般選擇雙通道旋變作為掃描機(jī)構(gòu)的角度傳感器。雙通道旋變分為粗、精兩路通道分別進(jìn)行不同角度范圍的測(cè)量[6]。粗、精機(jī)大多采用共磁路或機(jī)械組合的方式,單對(duì)極旋轉(zhuǎn)變壓器作為粗機(jī),進(jìn)行大角度范圍內(nèi)的測(cè)量,而精度更高的多對(duì)極作為精機(jī)進(jìn)行小角度范圍內(nèi)的測(cè)量。

如圖1所示,當(dāng)勵(lì)磁繞組端輸入的激勵(lì)電壓為U=Umsin ωt時(shí),在粗機(jī)、精機(jī)輸出繞組上得到的感應(yīng)電壓分別為

圖1 雙通道多對(duì)極旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖Fig.1 Schematic diagram of the two-channel multi-pole rotary transformer

式中:K為旋轉(zhuǎn)變壓器的電壓比,Us為粗機(jī)正弦輸出繞組電壓,Uc為粗機(jī)余弦輸出繞組電壓,UNS為精機(jī)正弦輸出繞組電壓,UNC為精機(jī)余弦輸出繞組電壓,N為精粗機(jī)的極對(duì)數(shù)比,θc為粗機(jī)測(cè)得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度粗值,θj為精機(jī)測(cè)得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度精值。通過(guò)后續(xù)電子學(xué)系統(tǒng)將二者解碼,并按照一定的方式組合即可得到高精度的待測(cè)軸角。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)分析,測(cè)角系統(tǒng)電子學(xué)硬件電路需要具備的功能有以下幾點(diǎn):

1)接受上位機(jī)指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向;

2)接受上位機(jī)指令驅(qū)動(dòng)絕對(duì)式編碼器采集電機(jī)角位移量;

3)接受上位機(jī)指令驅(qū)動(dòng)雙通道多對(duì)極旋變采集電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的的角位移量,并將其輸出的與待測(cè)軸角成正余弦關(guān)系的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以讀取的數(shù)字量并對(duì)其進(jìn)行處理;

4)將最終得到的角度值送回上位機(jī);

5)為上述功能模塊提供電源。

角度測(cè)量系統(tǒng)的整體方案是采用步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件并將旋變固定在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上隨步進(jìn)電機(jī)同步旋轉(zhuǎn),將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度值作為系統(tǒng)的輸出量。同時(shí),為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的角度測(cè)量系統(tǒng)的精度,采用與電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器同軸安裝的精度更高的編碼器作為基準(zhǔn)。

如圖2所示,采用FPGA作為角度測(cè)量系統(tǒng)的核心控制單元,上位機(jī)發(fā)送電機(jī)啟動(dòng)和角度采集命令后,FPGA控制電機(jī)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn),同時(shí)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)絕對(duì)式光電編碼器與旋轉(zhuǎn)變壓器同步測(cè)量電機(jī)軸角位移量,并通過(guò)FPGA進(jìn)行處理后送回上位機(jī)顯示。

圖2 整體方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of the overall plan

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案

由于采用絕對(duì)式光電編碼器和雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器同步采集電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的方式來(lái)驗(yàn)證測(cè)角系統(tǒng)的精度,因此需要保證三者的本身安裝精度足夠高,以保證后續(xù)電子學(xué)系統(tǒng)的引入誤差較小,而不會(huì)影響后續(xù)測(cè)試對(duì)測(cè)角系統(tǒng)的精度結(jié)果的誤判。

因此繪制了角度測(cè)量系統(tǒng)的三維模型和二維機(jī)械結(jié)構(gòu)圖紙并通過(guò)加工和測(cè)量來(lái)驗(yàn)證裝調(diào)精度。如圖3所示,海德漢絕對(duì)式光電編碼器通過(guò)編碼器座安裝在支架結(jié)構(gòu)件上,編碼器軸通過(guò)轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)件與同樣安裝在支架上的旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子相連,步進(jìn)電機(jī)通過(guò)帶動(dòng)聯(lián)軸器使得支架上方的旋變及編碼器跟著其一起轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要靠加工和檢測(cè)來(lái)控制結(jié)構(gòu)件配合面的同軸度及垂直度,盡量減小編碼器、旋變和電機(jī)的安裝機(jī)械誤差對(duì)電路系統(tǒng)的影響。

圖3 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic of mechanical structure of the system

2.3 硬件電路方案

針對(duì)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)了硬件電路,整個(gè)雙通道多對(duì)極旋變系統(tǒng)的詳細(xì)硬件電路框圖如圖4所示。電源模塊根據(jù)系統(tǒng)其他模塊的負(fù)載及供電特性將外部輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換并分流到各自的區(qū)域;FPGA通過(guò)485收發(fā)芯片來(lái)控制光電編碼器,并接受其返回的EnDat格式角度數(shù)字值;步進(jìn)電機(jī)由FPGA主控邏輯程序發(fā)送脈沖并通過(guò)專用芯片控制其運(yùn)動(dòng);RDC芯片通過(guò)FPGA配置工作模式及分辨率后,直接輸出差分勵(lì)磁信號(hào)并經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行處理后再送入雙通道旋變激勵(lì)繞組;旋變精粗機(jī)正余弦信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路,調(diào)理至RDC芯片可處理的范圍,并經(jīng)其解算得出角度數(shù)字值,送至FPGA進(jìn)行組合糾錯(cuò),最終得到的角度值數(shù)字量通過(guò)串口傳送至上位機(jī)。整個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要在于信號(hào)調(diào)理及RDC芯片的配置及使用。因?yàn)樾兗癛DC額定輸入輸出電壓并不一致,需要綜合考慮電壓匹配及驅(qū)動(dòng)功率放大等因素。RDC芯片的配置及使用需要嚴(yán)格按照芯片手冊(cè)上的時(shí)序進(jìn)行,同時(shí)采用兩片RDC芯片進(jìn)行解碼需要考慮時(shí)鐘同步及解碼同步的問(wèn)題,避免解算出錯(cuò)。

圖4 硬件電路方案設(shè)計(jì)圖Fig.4 Schematic of hardware circuit

2.4 系統(tǒng)軟件方案

旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括FPGA主控程序設(shè)計(jì)(圖5)以及精、粗機(jī)旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的組合糾錯(cuò)算法設(shè)計(jì)。主控程序的主要功能是控制電機(jī)啟停,并通過(guò)控制雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器以及絕對(duì)式編碼器的時(shí)序信號(hào),來(lái)驅(qū)動(dòng)旋變和編碼器進(jìn)行角度數(shù)據(jù)處理,并最終將其角度值數(shù)字量送回上位機(jī)。精、粗機(jī)旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的組合糾錯(cuò)算法設(shè)計(jì)主要是為了消除雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器精、粗通道之間過(guò)零點(diǎn)不一致導(dǎo)致讀數(shù)結(jié)果有誤的問(wèn)題[7,8]。

圖5 FPGA主控程序模塊圖Fig.5 Schematic of FPGA master program module

3 旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角系統(tǒng)測(cè)試與分析

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

采用安捷倫數(shù)字示波器及直流電源進(jìn)行雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器角度測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)試并對(duì)角度測(cè)量系統(tǒng)電路的中的重要信號(hào)波形進(jìn)行抓取驗(yàn)證,如圖6所示。

圖6 測(cè)角系統(tǒng)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.6 Schematic of testing site of angle measurement system

圖7-10為示波器抓取的電路關(guān)鍵信號(hào)波形,從圖中可以看出,AD2S1210按照FPGA程序進(jìn)行初始化配置,輸出了頻率為2 KHz的旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁差分信號(hào),同時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器在輸出的正弦差分信號(hào)也滿足AD2S1210輸入格式。

圖8 勵(lì)磁差分信號(hào)圖Fig.8 Difference excitation signal waveform

圖9 正弦差分信號(hào)圖Fig.9 Difference sinusoidal signal waveform

圖10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖圖Fig.10 Motor driven pulse signal waveform

3.2 測(cè)試結(jié)果

旋變及編碼器最終得到的均為包含角度信息的十六進(jìn)制源碼。其中旋變輸出的是21位分辨率的角數(shù)字量,分三個(gè)字節(jié)輸出,編碼器輸出的是25位分辨率的角數(shù)字量,分為四個(gè)字節(jié)輸出。源碼與角度之間的計(jì)算公式為

式中:θ為旋變及編碼器角度值;D為旋變及編碼器十六進(jìn)制源碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后的數(shù)值;N為旋變及編碼器分辨率,其中旋變N為21,編碼器N為25。

FPGA控制電機(jī)以每分鐘十五轉(zhuǎn)的速度連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)上位機(jī)串口同時(shí)控制旋變和編碼器不斷采集電機(jī)當(dāng)前角度,并分別縱向計(jì)算每次采集前后旋變及編碼器所測(cè)得的角度變化量,將二者作差得到橫向的相對(duì)誤差。旋變及編碼器角度變化曲線如圖11所示,旋變及編碼器角度相對(duì)誤差曲線如圖12所示。從圖中可以看出,旋變得到的數(shù)據(jù)和編碼器十分接近,誤差在0′′～30′′之間,最終滿足系統(tǒng)指標(biāo)規(guī)定的±30′′精度要求。

圖11 旋變及編碼器角度變化曲線Fig.11 Schematic of angular variation of resolver and encoder

圖12 旋變及編碼器角度相對(duì)誤差Fig.12 Schematic of relative error of resolver and encoder

4 結(jié)論

研究了雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)角原理,并制定系統(tǒng)的整體方案,設(shè)計(jì)了機(jī)械結(jié)構(gòu)和軟硬件電路,最后對(duì)搭建的角度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與數(shù)據(jù)分析。通過(guò)示波器萬(wàn)用表等測(cè)試工具驗(yàn)證了系統(tǒng)實(shí)際電路和設(shè)計(jì)的一致性,并將絕對(duì)式編碼器得到的角度值作為基準(zhǔn),與旋轉(zhuǎn)變壓器所測(cè)得角度進(jìn)行對(duì)比,得出了系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)精度指標(biāo)的結(jié)論。