冉揚(yáng)潔,江中偉,楊繼森,李宏偉

(重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400054)

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基于TDC-GP2的高速時(shí)柵位移傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)的研究*

冉揚(yáng)潔,江中偉,楊繼森*,李宏偉

(重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400054)

隨著時(shí)柵位移傳感器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,高速測(cè)量需求的趨勢(shì)日益凸顯,提出了一種基于TDC-GP2的時(shí)柵位移傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32F4和AD9958產(chǎn)生時(shí)柵位移傳感器所需的高穩(wěn)定、高精度勵(lì)磁信號(hào),采用高分辨率TDC-GP2數(shù)字時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器來測(cè)量傳感器動(dòng)、定測(cè)頭的感應(yīng)信號(hào)相位時(shí)間差,將測(cè)量結(jié)果送入微處理器中處理,以此到達(dá)以時(shí)間測(cè)量空間的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明:48對(duì)極時(shí)柵傳感器整周(0～360°)的誤差達(dá)到±2.3″,該方案優(yōu)化了電路結(jié)構(gòu),提高了時(shí)柵位移傳感器的測(cè)量精度。

時(shí)柵位移傳感器;信號(hào)處理;TDC-GP2;AD9958

時(shí)柵位移傳感器是一種“以時(shí)間測(cè)量空間”的思想為理論指導(dǎo),以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的新型位移傳感器[1-3]。隨著時(shí)柵傳感器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展以及市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)日益凸顯傳感器逐漸向高集成化,高智能化,高精度發(fā)展的趨勢(shì)也越發(fā)明顯。由時(shí)柵位移傳感原理可知,當(dāng)其采用的時(shí)間計(jì)數(shù)器精度越高,時(shí)柵位移傳感器測(cè)得的角度精度越高。目前時(shí)柵位移傳感器采用407 Hz的行波信號(hào)作為勵(lì)磁信號(hào),然后通過FPGA產(chǎn)生80 MHz插補(bǔ)脈沖最后通過計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)從而達(dá)到測(cè)量角度的目的,該方案僅能夠滿足其低速條件下測(cè)量要求;在高速條件下,為了滿足時(shí)柵位移傳感器的響應(yīng)速度需要,以及提高硬件電路穩(wěn)定性。本方案在傳統(tǒng)時(shí)柵位移傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出利用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換法,簡(jiǎn)稱TDC,也稱之為延時(shí)線法的測(cè)量原理[4-5],運(yùn)用ACAM生產(chǎn)的通用型TDC測(cè)量芯片對(duì)傳感器動(dòng)、定測(cè)頭的感應(yīng)信號(hào)相位時(shí)間差進(jìn)行精確測(cè)量,其測(cè)量時(shí)間的分辨率可達(dá)到65 ps,擺脫了高精度時(shí)間間隔測(cè)量對(duì)高頻時(shí)鐘的依賴,減小了電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用中的難度,可以將時(shí)柵位移傳感器的激勵(lì)信號(hào)的頻率提高到4 kHz,滿足了高速條件下測(cè)量需求[5],提高了時(shí)柵位移傳感器的測(cè)量精度。

1 時(shí)柵位移傳感器工作原理

時(shí)柵位移傳感器工作原理如圖1所示,在時(shí)柵位移傳感器的定子引入同頻率、等幅值、相位互差90°的高精度,高穩(wěn)定性的正交激勵(lì)電源us和uc,即:

us=Umsinω0t
uc=Umcosω0t

(1)

式中:Um為激勵(lì)電源的幅值;ω0為激勵(lì)電源頻率。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,則會(huì)在時(shí)柵位移傳感器的定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙上激發(fā)出兩層駐波磁場(chǎng)。這兩個(gè)駐波磁場(chǎng)分別在轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出駐波電勢(shì),分別為:

es=kUmωsinφcosω0t
ec=kUmωcosφsinω0t

(2)

式中:k為變比;Um為激勵(lì)信號(hào)幅值;φ為電氣角;ω0為激勵(lì)頻率;t為時(shí)間變量。

圖1 時(shí)柵位移傳感器原理圖

圖2 時(shí)柵位移傳感器測(cè)量原理

根據(jù)疊加原理可知連續(xù)繞組的感應(yīng)電勢(shì)為時(shí)間行波的電動(dòng)勢(shì)[6]即:

e=es+ec=2kUmωsin(ω0t+φ)

(3)

由式(3)可知:時(shí)柵位移傳感器動(dòng)測(cè)頭Pa輸出信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的帶有相位的行波,定測(cè)頭Pb的輸出信號(hào)為:

e0=2kUmωsin(ω0t)

(4)

分別將Pa、Pb的輸出Ua,Ub信號(hào)通過時(shí)柵位移傳感器信號(hào)調(diào)理電路模塊,調(diào)理為方波信號(hào)。分別對(duì)動(dòng)測(cè)頭和定測(cè)頭感應(yīng)的信號(hào)方波的上升沿進(jìn)行定時(shí)捕獲得到t1,t2以及信號(hào)周期T,然后根據(jù)測(cè)量獲得的時(shí)間參數(shù),計(jì)算出時(shí)柵位移傳感器測(cè)得的角度θ為:

θ=(t2-t1)/T×W

(5)

式中W為時(shí)機(jī)位移傳感器的對(duì)極節(jié)距值。時(shí)柵位移傳感器測(cè)量原理圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)方案

傳統(tǒng)時(shí)柵位移傳感器的信號(hào)處理系統(tǒng)是由信號(hào)激勵(lì)模塊通過復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)采用DDS技術(shù)產(chǎn)生3路正弦信號(hào),通過外接D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換,經(jīng)放大、濾波后作為時(shí)柵位移傳感的三相激勵(lì)信號(hào)源。將時(shí)柵位移傳感器感應(yīng)出的動(dòng)、定測(cè)頭兩路信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊送入到FPGA中,對(duì)兩路信號(hào)采用高精度時(shí)鐘插補(bǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字比相,然后將FPGA獲得的數(shù)據(jù)輸入到DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和誤差補(bǔ)償。

基于TDC-GP2的高速時(shí)柵位移傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)采用STM32F4微控制器作為控制核心,AD9958數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生兩路互差90°的高精度正弦激勵(lì)信號(hào),經(jīng)過功率放大后驅(qū)動(dòng)時(shí)柵位移傳感器的定子激勵(lì)線圈,傳感器的動(dòng)、定測(cè)頭感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊處理后,利用TDC-GP2時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器精確測(cè)量動(dòng)、定測(cè)頭的感應(yīng)信號(hào)相位時(shí)間差,通過微控制器進(jìn)行當(dāng)量換算后求得位移測(cè)量值,系統(tǒng)的總體方案和流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.1 AD9958數(shù)字頻率合成器

AD9958是美國(guó)ADI公司最新推出的一款雙通道DDS高速直接數(shù)字頻率合成器。該芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)帶DDS核,每個(gè)DDS通道能獨(dú)立的控制頻率、相位和幅度,通過一個(gè)共用時(shí)鐘源,可對(duì)兩個(gè)內(nèi)部同步輸出通道獨(dú)立進(jìn)行編程[7-9]。這種靈活性有助于糾正由于濾波、放大等模擬信號(hào)引起的不平衡。

AD9958的兩個(gè)DDS核均由32 bit相位累加器和相位-幅度轉(zhuǎn)換器組成。當(dāng)相位累加器開始技術(shù)數(shù)并且相位增量(即頻率控制字)大于0時(shí),相位-幅度轉(zhuǎn)換器把相位累加器的輸出數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的取樣地址將相位信息通操作轉(zhuǎn)換為幅值信息,從而輸出數(shù)字正弦波[7]。其基本輸出為:

(6)

式中:A為輸出信號(hào)幅值;Φk為前一周期相位值;ΔΦ為相位增量。

根據(jù)AD9958主要特性可知

(7)

(8)

(9)

(10)

將式(7)～式(10)代入式(6)可知AD9958通過數(shù)字控制每個(gè)通道輸出的正弦波形為:

(11)

式中:ACR表示幅度控制字;Vmax表示最大電壓值;N表示相位累加器數(shù)據(jù)位數(shù);FWT表示頻率控制字;POW表示相位偏移字。

AD9958通過STIM32F4寫入幅值、頻率、相位控制字,根據(jù)式(11)可知,產(chǎn)生所需的相位差90°的兩相交流信號(hào)。再通過低通濾波器進(jìn)行調(diào)理,產(chǎn)生的兩相電壓信號(hào)作為時(shí)柵位移傳感器的兩相激勵(lì)源。

2.2 TDC-GP2

TDC-GP2(Time-to-Digital-Converter)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器,是德國(guó)ACAM公司通用型TDC系列的新一代產(chǎn)品。TDC-GP2主要由TDC測(cè)量模塊,16位算術(shù)邏輯模塊(ALU),溫度測(cè)量模塊以及4線SPI串行數(shù)據(jù)接口組成。具有兩個(gè)測(cè)量范圍,其測(cè)量時(shí)間的分辨率達(dá)到65 ps,其輸入信號(hào)可以選擇多模式觸發(fā)方式,每個(gè)通道可以進(jìn)行4次采樣,且可通過寄存器配置選擇計(jì)算任意2個(gè)采樣之間的時(shí)間間隔。

TDC是以信號(hào)通過內(nèi)部門電路的傳輸延時(shí)來進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量的。測(cè)量過程中,只需計(jì)算出開始信號(hào)和結(jié)束信號(hào)之間所經(jīng)過的邏輯門的個(gè)數(shù),就可以精確的計(jì)算出Start信號(hào)與Stop信號(hào)之間的時(shí)間間隔[10]。

2.3 感應(yīng)信號(hào)調(diào)理

由時(shí)柵位移傳感器的原理可得,動(dòng)測(cè)頭和定測(cè)頭均感應(yīng)出同頻率的感應(yīng)信號(hào),由于感應(yīng)信號(hào)微弱且雜波較多,需對(duì)其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,信號(hào)調(diào)理模塊原理圖如圖4所示,其中包括:儀用差分放大、濾波、非線性放大、整形、光電隔離后得到方波信號(hào)。最后將整形后的方波送入微處理器進(jìn)行處理[11-13]。

圖4 信號(hào)調(diào)理模塊原理圖

時(shí)柵位移傳感器感應(yīng)信號(hào)通常都是幅值在幾十毫伏的微弱正弦信號(hào),并且雜波較多,因此需要通過信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理。①采用儀用放大的目的是利用儀用放大電路來對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大處理,該儀用電路具有高阻抗、高共模抑制比、低噪聲的特點(diǎn)。②濾波是利用帶通濾波電路濾除感應(yīng)信號(hào)中的其他頻率成分的諧波,并且可以抑制噪聲的干擾。③非線性放大:時(shí)柵位移傳感器采用過零檢測(cè)、高頻時(shí)鐘脈沖插補(bǔ)的方法來檢測(cè)兩路信號(hào)時(shí)間差,為了使過零點(diǎn)更容易被檢測(cè)出來,提高傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性,采用非線性放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行再次放大處理。④整形是為了將再次放大后的信號(hào)輸入整形電路將正弦波整成方波。

3 數(shù)據(jù)采集

經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊輸出的信號(hào)為方波信號(hào),因此可以在信號(hào)的上升沿進(jìn)行一次采樣,當(dāng)檢測(cè)到電平的高低變化時(shí)就觸發(fā)一次中斷。將發(fā)生中斷后的時(shí)間由TDC-GP2進(jìn)行采樣計(jì)算,Start啟動(dòng)測(cè)量,Stop 1停止測(cè)量,得出周期采樣時(shí)間,TDC-GP2單元測(cè)量控制流程圖如圖5所示。

圖5 TDC-GP2單元測(cè)量控制流程圖

TDC-GP2在寄存器設(shè)置完畢后,用戶必須要發(fā)送代碼“Init”初始化GP2以便TDC能夠接收Start和Stop信號(hào)。GP2的測(cè)量是以Start通道接收到一個(gè)脈沖信號(hào)開始,以Stop通道接收到指定個(gè)數(shù)的脈沖信號(hào)結(jié)束。ALU則是按照設(shè)定的模式計(jì)算出Start脈沖和Stop脈沖間的時(shí)間間隔后產(chǎn)生測(cè)量結(jié)束中斷,若接收到Start信號(hào)后在一定的時(shí)間范圍內(nèi)沒有采樣到Stop信號(hào),則TDC產(chǎn)生溢出中斷。通過讀GP2狀態(tài)寄存器來分辨這2種中斷,對(duì)于正常測(cè)量產(chǎn)生的中斷,接著讀取結(jié)果寄存器中的數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī),否則,應(yīng)該跳出中斷,重新初始化GP2,準(zhǔn)備下一次測(cè)量。對(duì)于TDC-GP2的測(cè)量時(shí)序圖如圖6所示[10]。

圖6 TDC-GP2測(cè)量時(shí)序圖

根據(jù)TDC-GP2的測(cè)量時(shí)序,TDC-GP2對(duì)于所測(cè)得的時(shí)間為:

ΔT=T×[Cc+(Fc1-Fc2)/(cal2-cal1)]

(12)

式中:T為參考時(shí)間;Cc表示時(shí)間周期數(shù);Fc1,Fc2分別表示間隔時(shí)間1和間隔時(shí)間2;cal1,cal2表示校準(zhǔn)時(shí)間。

時(shí)柵位移傳感器感應(yīng)信號(hào)調(diào)理后產(chǎn)生的方波信號(hào),利用TDC-GP2的計(jì)數(shù)方式進(jìn)行精確的時(shí)間差補(bǔ)計(jì)數(shù),當(dāng)方波信號(hào)上升沿Start通道開始觸發(fā)計(jì)數(shù),到指定個(gè)數(shù)方波時(shí),Stop通道接收脈沖信號(hào)停止計(jì)數(shù),根據(jù)式(12)即可得到測(cè)量所用的時(shí)間,即可得到方波周期。由于TDC-GP2分辨率較高,計(jì)數(shù)也更為精確,從而提高時(shí)柵位移傳感器的分辨力和測(cè)量精度。

4 數(shù)據(jù)處理與誤差補(bǔ)償

TDC-GP2采集到的時(shí)間值存儲(chǔ)到STM32F4的存儲(chǔ)器中,由于時(shí)柵位移傳感器存在電氣誤差,安裝誤差等,因此需對(duì)STM32F4寄存器的值進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,可以直接調(diào)用STM32F4內(nèi)部的DSP指令集對(duì)存儲(chǔ)的時(shí)間值做平滑濾波,以減小上述誤差項(xiàng)[14-16]。然后根據(jù)公式可以計(jì)算出時(shí)柵位移傳感器測(cè)得的角度值為:

(13)

式中:ΔT為時(shí)間差;T為信號(hào)周期;W為時(shí)柵位移傳感器的節(jié)距(48對(duì)極時(shí),W=360°/48=7.5°)。

傳感器的測(cè)量分辨力為:

δ=(W×tp)/T

式中:W為時(shí)柵位移傳感器的節(jié)距;T為傳感器的信號(hào)周期;tp為時(shí)間測(cè)量的分辨力(65 ps)。根據(jù)傳感器的測(cè)量分辨力計(jì)算式,可得測(cè)量分辨力為:

時(shí)柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)同電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似,由式(13)計(jì)算出來的測(cè)量結(jié)果中含有由時(shí)柵位移傳感器開槽所引起的齒諧波,其諧波成分是比較復(fù)雜的,如圖7所示為48對(duì)極勵(lì)磁信號(hào)為4 kHz的時(shí)柵位移傳感器諧波誤差成分。

圖7 48對(duì)極時(shí)柵位移傳感器單邊頻譜圖

因此,對(duì)時(shí)柵位移傳感器進(jìn)行誤差補(bǔ)償是提高時(shí)柵位移傳感器測(cè)量精度的有效措施。本方案選擇的誤差修正方法為傅里葉諧波修正法,其方法是通過對(duì)其采樣值進(jìn)行分析,可以得出其有效的誤差成分,誤差表達(dá)式為:

(14)

在知道其諧波成分后通過計(jì)算機(jī),可以擬合出一條含有相同諧波成分的理想誤差曲線,用式(13)減去計(jì)算機(jī)擬合出曲線,按這種上面的步驟,連續(xù)修正3次。最后將修正后的值轉(zhuǎn)換成度(°)分(′)、秒(″)的形式顯示出來。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的性能,將研制的信號(hào)處理電路板進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。將時(shí)柵位移傳感器和光柵用彈性聯(lián)軸器進(jìn)行同軸安裝,以精度為±1″光柵測(cè)得值為真值,時(shí)柵位移傳感器測(cè)得值為測(cè)量值,兩者之差即為時(shí)柵誤差值,具體的實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。計(jì)算機(jī)通過RS-232接口采集時(shí)柵位移傳感器和光柵數(shù)據(jù),對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量誤差曲線實(shí)時(shí)顯示,如圖9所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置

圖9 時(shí)柵位移傳感器誤差曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

本方案選用STM32F4和AD9958可以產(chǎn)生高度,高穩(wěn)定性的兩相正交勵(lì)磁信號(hào);使用TDC-GP2完成了對(duì)感應(yīng)信號(hào)時(shí)間間隔的測(cè)量,系統(tǒng)能夠精確地測(cè)量2個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)差,其分辨率達(dá)到65 ps,由此可看出采用TDC法測(cè)量時(shí)差可以優(yōu)化時(shí)柵位移傳感器電氣箱的結(jié)構(gòu),提高了測(cè)量的精度,促進(jìn)了時(shí)柵位移傳感器產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化和多元化發(fā)展。

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冉揚(yáng)潔(1990-),女,碩士研究生,從事儀器儀表工程技術(shù)研究,ryj900326@163.com;

楊繼森(1977-),副教授,博士,主要從事計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試與智能傳感器研究,ywei@ cqut.edu.cn。

TheResearchofHighSpeedTimeGratingDisplacementSensorSignalProcessingSystemBasedTDC-GP2*

RANYangjie,JIANGZhongwei,YANYJisen*,LIHongwei

(Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment,Ministry of Education,Chongqing Key Laboratoryof Time-Grating Sensing and Advanced Testing Technology,Chongqing University of Technology,Chongqing 400050,China)

With the industrial development of the time grating displacement sensor,and its trending in the high-speed measurement has became increasingly prominent,we put forward a time grating displacement sensor signal processing system based on TDC-GP2. The system use STM32F4 and AD9958 to generate high-stability,high-precision excitation signal of time grating displacement sensor,use high-resolution TDC-GP2 digital clock converter to measurement induced signal phase time difference,then we put measurement results into the microprocessor processing,in order to reach the purpose that time measurement space。The experiments show that 48 pole time grating displacement sensor whole cycle(0°～360°)error reach ±2.3″,the program optimizes the circuit structure and improve the measurement accuracy of time grating displacement sensor.

time grating displacement sensor;signal processing;TDC-GP2;AD9958

項(xiàng)目來源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51205434);重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(YCX2013215);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1400904);重慶市科技計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014jcyjA70003)

2014-06-11修改日期:2014-10-20

TP274

:A

:1004-1699(2014)12-1654-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.12.013