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        基于FPGA與16XSZ-SYS的軸角編碼板設(shè)計(jì)

        2016-03-13 08:14:22陜西長嶺電子科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品開發(fā)部
        電子世界 2016年12期
        關(guān)鍵詞:變壓器信號

        陜西長嶺電子科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品開發(fā)部 梁 猛

        基于FPGA與16XSZ-SYS的軸角編碼板設(shè)計(jì)

        陜西長嶺電子科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品開發(fā)部梁猛

        在理論分析的基礎(chǔ)上從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)較為詳實(shí)的闡述了基于16XSZ-SYS與FPGA的軸角編碼的設(shè)計(jì)原理、方案和工程實(shí)現(xiàn)。方案的突出優(yōu)點(diǎn)方位分辨率高,定位精準(zhǔn),借助計(jì)算機(jī)軟件簡化硬件設(shè)計(jì), 調(diào)試以及調(diào)整零位簡單。稍微改動相應(yīng)的軟、硬件在同一印制板上可以適應(yīng)不同天線伺服系統(tǒng)。

        雙通道旋變發(fā)送機(jī) ,雙速轉(zhuǎn)換器, FPGA, 軸角編碼

        1.引言

        軸角編碼板主要完成雷達(dá)天線方位的實(shí)時精確測量和產(chǎn)生天線旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)需求的兩組編碼信號(一組為增量信號用于檢測轉(zhuǎn)速、位置及旋轉(zhuǎn)方向;另一組用于檢測磁極位置,帶有絕對信息功能),是雷達(dá)天控系統(tǒng)中的重要組成部分。本方案采用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器,用雙速轉(zhuǎn)換器進(jìn)行軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換,并送入FPGA進(jìn)行編程、處理,然后差分發(fā)送至相關(guān)組件。軸角編碼板的顯著特點(diǎn)是:6U板卡結(jié)構(gòu)、體積小、供電方便、調(diào)試方便;采用具有方位精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度敏感元件,適合在復(fù)雜的電磁環(huán)境使用;全數(shù)字、低功耗(總功耗小于5W)等。

        2.編碼板的構(gòu)成及工作原理

        2.1編碼板的構(gòu)成

        編碼板通過線性DC/AC變換器給軸角轉(zhuǎn)換器及旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)雙通道旋變發(fā)送機(jī)提供激磁信號,軸角轉(zhuǎn)換器將粗精旋變信號轉(zhuǎn)換成16位自然二進(jìn)制碼方位信號通過電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成16位自然二進(jìn)制碼方位信號(3.3VTTL)輸入到FPGA,F(xiàn)PGA將16位方位信號通過編程產(chǎn)生兩組編碼信號連同方位信號一起輸出到差分發(fā)送芯片,差分發(fā)送芯片將兩組編碼信號變?yōu)椴罘中盘栞敵龅剿欧K,將方位信號變?yōu)椴罘中盘栞敵龅缴衔粰C(jī)和控制模塊。

        2.2旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

        旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度的檢測元件,隨著轉(zhuǎn)子角位置變化它的輸出電壓跟著變化,在天線伺服控制系統(tǒng)中用于測量位置信息,其基于電磁感應(yīng)原理而工作, 轉(zhuǎn)子、定子上皆有繞組, 相互同心, 彼此耦合, 采用正交的兩組繞組。旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有兩組繞組在空間上互成90°,正弦繞組、余弦繞組在轉(zhuǎn)子上,激磁繞組、交軸繞組在定子上。本方案采用的J134XFS001型雙通道旋變發(fā)送機(jī)由中電21所研制,要技術(shù)指標(biāo):(1)激磁電壓:26V,激磁頻率:400Hz;(2)極對數(shù):1:16;(3)電氣誤差:粗機(jī)≤±20′,精機(jī)≤±20″;(4)零位電壓:粗機(jī)32mv,精機(jī)7mv;(5)消耗功率:≤2W;(6)粗精機(jī)零位偏差:18′。

        2.3雙速轉(zhuǎn)換器工作原理

        雙速轉(zhuǎn)換器16XSZ-SYS是中船重工716所研制的一種小型化金屬封裝是單塊混合集成電路,由粗、精兩路旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、一個雙速處理器(用于粗、精組合、糾錯的)及一個三態(tài)鎖存器等組成。該雙速轉(zhuǎn)換器輸出16位自然并行二進(jìn)制碼,轉(zhuǎn)換精度±15″。

        雙通道旋變發(fā)送機(jī)信號送至雙速轉(zhuǎn)換器,粗機(jī)S1、S2、S3、S4正余弦信號輸入粗通道CS1、CS2、CS3、CS4經(jīng)RDC模塊轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字角度量,精機(jī)S5、S6、S7、S8正余弦信號輸入精通道FS1、FS2、FS3、FS4經(jīng)另一個RDC模塊轉(zhuǎn)換成14位數(shù)字角度量,雙速處理器接收兩組數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行精、粗組合處理和硬件實(shí)時糾錯后,輸出一個16位并行二進(jìn)制數(shù)字送到鎖存器,通過對/ENL、/ENM、/ENH(使能信號)的控制既能輸出一個16位數(shù)字的字,又可輸出三個字節(jié)。

        速度電壓VEL是一個直流模擬信號和輸入軸角角速度成比例,極性與天線轉(zhuǎn)動方向有關(guān),數(shù)碼增大時極性為正,反之為負(fù);幅值跟輸入軸角成正比在±4V時跟蹤速率最高。

        禁止信號/INH為輸入信號,內(nèi)部由上拉電阻接到+5V,當(dāng)/INH為低電平時, 經(jīng)150ns延遲,鎖存器內(nèi)部數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,可讀取數(shù)據(jù);為高電平時鎖存器內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行更新,禁止讀數(shù)。/INH只控制輸出數(shù)據(jù)鎖存器的輸入使能,因此不影響轉(zhuǎn)換器內(nèi)部工作。

        忙信號BUSY是一個輸出信號,邏輯為“1”表示輸出數(shù)據(jù)正在變化,不能讀數(shù);邏輯為“0”表示數(shù)據(jù)穩(wěn)定,可以讀取數(shù)據(jù)。

        BIT是線檢檢測信號,轉(zhuǎn)換器工作正常時輸出為高電平;當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換器工作異常、輸入信號、參考連接異常、不能跟蹤系統(tǒng)、或產(chǎn)生大的誤差等情況時,其輸出為低電平。

        數(shù)據(jù)輸出端1~16為自然并行二進(jìn)制數(shù)字輸出,其最高位為1、最低位為16。

        2.4FPGA功能及原理

        本方案選用的FPGA(EP1C3T144)邏輯資源有2910LE、一個數(shù)字鎖相環(huán)及13條M4K RAM。該芯片是ALTERA公司為底端用戶打造的一個系列的FPGA,它的優(yōu)點(diǎn)有成本低、使用方便。

        FPGA的軟件編寫是Quartus7.2開發(fā)環(huán)境下完成的,將16位方位信號通過方位變換和方位計(jì)數(shù)2組編碼信號:一組U、V、W三相脈沖信號用于檢測磁極位置;另一組A、B、Z增量脈沖信號用于檢測速度、位置和轉(zhuǎn)動方向。并產(chǎn)生過零信號、定位信號。然后連同方位信號一起輸出到差分發(fā)送芯片。

        增量信號中A、B信號是與位移增量等值的脈沖信號,脈沖數(shù)為16384/周,A、B之間相位相差90°(即正交輸出信號),根據(jù)A、B信號的超前與落后判斷出軸的旋轉(zhuǎn)方向。Z信號是標(biāo)志信號用作基準(zhǔn)點(diǎn)定位,其脈沖寬度為A、B信號的兩倍,旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個,用于對積累量清零、指示機(jī)械位置。

        U、V、W信號兩兩之間相差120°,U信號領(lǐng)先V信號、V信號領(lǐng)先W信號,每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)量與旋轉(zhuǎn)裝置中永磁同步電機(jī)的極對數(shù)對應(yīng)。電機(jī)磁極位置可以根據(jù)U、V、W三相脈沖的高低電平關(guān)系判斷。

        定位信號:當(dāng)天線轉(zhuǎn)到固定角度位置,產(chǎn)生一個高電平,發(fā)給驅(qū)動模塊用于鎖定天線,保證天線升降過程不碰撞升降口。

        2.5外圍電路

        電源部分,板子外部由CPCI插座外部提供+24V、+5V、+3.3V電源。用LINERA公司的電壓轉(zhuǎn)換芯片LT1764AEQ-1.5將+5V 轉(zhuǎn)到+1.5V為FPGA提供內(nèi)核電壓。

        線性DC/AC變換器:將輸入的直流穩(wěn)壓24V轉(zhuǎn)換為交流26V400Hz電壓輸出,為雙速轉(zhuǎn)換器和雙通道旋變發(fā)送機(jī)提供激磁信號。本文選用由中船重工716所研制的J5-S24C26MA,具有輸入范圍寬、過載過熱保護(hù)、輸入輸出隔離、低諧波失真、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

        電平轉(zhuǎn)換芯片SN74ALVC164245DL:將轉(zhuǎn)換器輸出的方位信號TTL電平轉(zhuǎn)換為3.3VTTL電平送入FPGA。

        差分發(fā)送芯片根據(jù)需求選用MAXIM公司的MAX3042BEXE、MAX3030EEXE 兩種。MAX3042BEXE由5V供電將A、B、Z、U、V、W信號變?yōu)椴罘中盘査腿腧?qū)動模塊,MAX3030EEXE由3.3V供電將16位方位信號、到位信號、BUSY信號等變?yōu)椴罘中盘査腿肷衔粰C(jī)及控制模塊。差分信號具有抗噪聲干擾的能力,可以提高信號傳輸?shù)木嚯x。

        3.結(jié)束語

        本軸角編碼板根據(jù)天線伺服系統(tǒng)的需求,設(shè)計(jì)了由雙速轉(zhuǎn)換器和旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成的測角、測速電路,并由FPGA編程產(chǎn)生伺服驅(qū)動器所需信號。該板已在某雷達(dá)多個型號中得到成功應(yīng)用,其結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、工作性能穩(wěn)定、可靠性高的優(yōu)點(diǎn),可長期工作于惡劣工況下,并能滿足很高的精度要求。

        [1]EDA先鋒工作室.Altera FPGA/ CPLD 設(shè)計(jì)(基礎(chǔ)篇)[M].北京:人民郵電出版社,2005.

        [2]陳先鋒.伺服控制技術(shù)自學(xué)手冊[M].北京:人民郵電出版社,2010.

        [3]盧志剛,吳杰,吳潮.數(shù)字伺服控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

        [4]陳世琪,宋偉.雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器型軸角編碼組件的研制[J].微特電機(jī),2005,(02):17-19.

        [5]黃建國,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)70-76.

        梁猛(1982-),男,高級工程師,安徽淮北人,電子科技大學(xué)電子工程本科畢業(yè),從事雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)、雷達(dá)系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)。

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