周起華, 朱 駿, 翁孚達

(上海無線電設備研究所,上海200090)

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展,現(xiàn)在雷達伺服系統(tǒng)對位置角度精度的需求越來越高,高精度的角位置傳感器也越來越廣泛的應用在伺服控制系統(tǒng)中。旋轉(zhuǎn)變壓器就是一種高精度的電磁感應式傳感器[1],可用來測量旋轉(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,接受勵磁電壓,轉(zhuǎn)子或定子繞組作為變壓器的副邊,通過電磁耦合得到感應電動勢。

為了進一步提高測量精度,通常采用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器是采用粗機和精機兩個線圈匝數(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,無法直接應用,需要對其輸出進行特別的轉(zhuǎn)換,使其變成一個與轉(zhuǎn)子相對于定子轉(zhuǎn)角成一定比例關系的數(shù)據(jù),即為解碼。解碼方式有很多種,如軟件解碼、硬件解碼。

軟件解碼對軟件平臺和編程水平要求較高,具有高可靠性、抗干擾強、運行速度慢等特點,比如調(diào)用反正切的方法、查表法等;硬件解碼對硬件平臺要求高,具有復雜、難實現(xiàn)、性能高、易受干擾等特點。

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

1 旋變原理和方案構(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)變壓器而設計的,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)子中的粗機和精機繞阻 S1 S3和S′1 S′3兩端同時加一個正弦激磁信號 u f=Um sinωt時 ,則在定子 R2 R4、R′2 R′4繞組感應出正弦電動勢,在 R1R3、R′1R′3繞組感應出余弦電動勢。

當旋變轉(zhuǎn)子相對于定子轉(zhuǎn)動 θ(即機械轉(zhuǎn)角),精機與粗機的極對數(shù)比為p時,由電磁學基本定律可以得出圖1中的粗機和精機定子繞組感應出的電動勢為[1]

式中:U m為定子最大瞬時電壓;k、k p為粗、精機變壓器的變壓比。

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

1.2 方案構(gòu)成

由式(1)～式(4)可知,雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗精機輸出的是一個隨著電度角成一定周期變化的正余弦信號,若要得到機械轉(zhuǎn)角θ的精確信息,需對式(1)～式(4)進行變換,即進行解碼。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)變壓器粗機和精機各需要獨立的一片AD2S80A芯片來解碼,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。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)動旋轉(zhuǎn)變壓器,故要對其進行功率放大。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)變壓器輸出信號的轉(zhuǎn)換主要通過AD2S80A來實現(xiàn)的,它采用 BiMOSⅡ制造工藝[2],是美國模擬器件公司(Analog Devices)生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼專門芯片,具有精度高、性能穩(wěn)定及可靠性高等特點。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,AD 2S80A解碼系統(tǒng)屬于一種數(shù)字隨動系統(tǒng),它接收正弦和余弦交流信號后,送入高速數(shù)字乘法器,同時16位加減計數(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,并做以下乘法計算:

式(6)和(7)兩個電壓在差分放大器內(nèi)差分得

由于誤差信號受到激磁信號的調(diào)制,需要進一步解調(diào)才能進行處理。把式(8)和激磁信號同時送入相敏解調(diào)器,產(chǎn)生一個與sin(θ-φ)成正比的直流模擬信號,該信號經(jīng)過積分后,作為高動態(tài)范圍VCO的控制電壓,VCO輸出控制邏輯門單元不斷加減調(diào)整φ使θ-φ趨于零,系統(tǒng)平衡后輸出一組關于φ的二進制自然碼(MSB～LSB),即機械轉(zhuǎn)角θ值。

2.2 解碼過程

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

粗機軸旋轉(zhuǎn)1圈相當于轉(zhuǎn)過360°,即粗機軸輸出360°,這時粗機輸出的數(shù)值對應的權位值為

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

則 MSB=180°,LSB=0.005 493°。

同時由于精機旋轉(zhuǎn)的周期為θ/8=0～360°/23,θ=0～360°,則其精機軸輸出的數(shù)值對應權位值為

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

3 數(shù)據(jù)整合與誤差補償

數(shù)據(jù)整合和誤差補償是雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器解碼器設計中最重要也是最關鍵的一部分,它需要用軟件來實現(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位自然二進制碼,無法直接應用,需要對數(shù)據(jù)作整合處理。

本文采用可編程邏輯芯片EPM 9560對粗精機輸出的二進制自然碼進行處理,得到一組與轉(zhuǎn)角成一定比例關系的二進制角度信息。EPM 9560是ALTERA公司生產(chǎn)的一種可編程邏輯器件(CPLD)[3],內(nèi)部具有獨立的一百多個I/O接口和上萬個邏輯單元,可以對數(shù)據(jù)進行簡便整合運算、實時控制。

由于精機軸輸出的J1與粗機軸輸出的C4相對應,則粗機軸的C4～C16權位與精機軸的權位J1～J13是完全重合的,但是實際情況下,旋轉(zhuǎn)變壓器在運轉(zhuǎn)時存在著各種誤差,無法真正的完全對齊。

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

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位自然二進制碼的精度遠遠高于粗機軸的精度,即使用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度傳感器的測角精度遠遠高于單通道旋轉(zhuǎn)變壓器。

AD2S80A處于運算過程當中時,還會有狀態(tài)變量以TTL電平方式輸出,與CPLD保持實時通訊。兩個芯片各有一個BUSY端口,可產(chǎn)生一個繁忙信號。

當CPLD檢測到任何一芯片的BUSY口為1時,表明該芯片正處在運算過程當中,CPLD隨時發(fā)出一個禁止信號INH,送入各自AD2S80A的INH IBIT端口,禁止這時讀取兩芯片的轉(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)誤差補償

雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器在轉(zhuǎn)動時,粗機和精機之間會存在各種各樣的誤差,導致粗精通道對應位可能不同時變化。即存在粗通道數(shù)據(jù)變化后,精通道對應位的數(shù)據(jù)還沒有變化,同樣也存在精通道數(shù)據(jù)變化,而粗通道對應位的數(shù)據(jù)還沒有變化。這種誤差是轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換帶來的固有誤差,無法用電氣或者機械環(huán)節(jié)來解決,只能在CPLD中靠軟件補償。

誤差補償?shù)脑瓌t是:以輸出精機數(shù)據(jù)為準,輸出的粗機數(shù)據(jù)進行誤差補償。當粗碼和精碼邊界狀態(tài)(J1和C4)發(fā)生變化時,會導致粗碼讀的整數(shù)C1C2C3多“1”或者少“1”,則當 J1和 C4 變化不同步時,采用VHDL語言編寫誤差補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)變壓器的解碼器設計。該方案的主要特點是充分利用了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,編寫數(shù)據(jù)整合和誤差算法,將雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗精機輸出的交流信號用軟硬件結(jié)合的方法解算出其轉(zhuǎn)子相對于定子的機械轉(zhuǎn)角,為高精度雷達伺服控制系統(tǒng)的高精度測角系統(tǒng)提供了一種方法。該方法具有方便、智能、抗干擾性強、可靠性高等特點。

圖4 數(shù)據(jù)誤差補償程序流程圖

[1] 梅曉榕.自動控制元件及線路[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2001.

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

[3] 杜志傳,鄭建立.基于 CPLD/FPGA的 VHDL語言電路優(yōu)化設計[J].現(xiàn)代電子技術,2010.