張偉鵬 楊瑞峰 郭晨霞

摘? 要： 目前，測量角位移的光電碼盤體積大而且對使用環(huán)境要求苛刻，不適用于某些特殊場合，如果直接使用旋轉(zhuǎn)變壓器測量，又因為其輸出信號中混合有許多雜波信號，所以給精確解碼造成了很大困難。因此，設(shè)計通過使用AD公司的專用解碼芯片AD2S1210配合STC89C52單片機(jī)以及外圍的調(diào)理電路、濾波放大電路等構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)變壓器角位移測量系統(tǒng)來滿足工程中角位移測量精度高的需求。通過搭建角位移測量系統(tǒng)的實驗平臺對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，得出最終解碼角度誤差可達(dá)到0.055°，可滿足一般的應(yīng)用需求，具有較高的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 角度跳變; 角位移測量; 巴特沃斯濾波; 光電編碼器; 閉環(huán)角度跟蹤法; 角度解算

中圖分類號： TN76?34; TM383.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）09?0154?03

Design of decoding system for low cost practical rotary transformer

ZHANG Weipeng， YANG Ruifeng， GUO Chenxia

（School of Instrument and Electronics， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： At present， the photoelectric code disc used to measure the angular displacement is large and demanding in service environment. Therefore， it is not suitable for some special occasions. However， if the resolver is directly used to measure the angular displacement， it is very difficult to decode accurately because of the clutter signals mixed in the output signal. Thus， in this design， the resolver angular displacement measurement system composed of AD2S1210 special decoding chip of AD company in combination with SCM STC89C52， as well as peripheral conditioning circuit and filter amplifier circuit， is used to meet the need of high precision of angle displacement measurement in engineering. The experimental platform of angle displacement measurement system is built and the experimental data are analyzed. It shows that the final decoding accuracy can reach 0.055°， which can meet the general application requirement. Therefore， it has a high value in the practical application.

Keywords： angle jump; angle displacement measurement; Butterworth filter; photoelectric encoder; closed?loop angle tracking method; angle solution

0? 引? 言

在伺服控制的許多領(lǐng)域需要角位移傳感器來獲取軸角位移，而大多數(shù)獲取軸角位置的傳感器分為光電編碼器、磁編碼器。而這些傳感器的體積、使用條件和價格昂貴，限制了一些對成本、精度要求不高的產(chǎn)品的使用。在此背景下，旋轉(zhuǎn)變壓器由于其體積小、穩(wěn)定性高、壽命長、耐油污、抗擊壓等優(yōu)點，成為角位移測量領(lǐng)域非常好的選擇。但是目前通過算法實現(xiàn)的解碼對微處理器性能要求高，而且價格昂貴，不利于推廣[1?5]。本設(shè)計采用專用的解碼芯片AD2S1210，配合外圍電路和STC89C52單片機(jī)，嚴(yán)格控制成本，在價格低廉的情況下，也使解碼精度達(dá)到0.055°，滿足了大多數(shù)領(lǐng)域的使用，穩(wěn)定性好，對產(chǎn)品的普及有非常大的實用價值。

1? 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的原理圖如圖1所示。其中，[S1]/[S2]和[S3]/[S4]為旋轉(zhuǎn)變壓器的定子繞組，[R1]/[R2]和[R3]/[R4]為旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組。在旋變的定子繞組[S1]/[S2]接交流激勵電壓為[Uf]，頻率為[f]時，理想情況下，兩個轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生兩路正交幅值的調(diào)制信號[6?7]，如式（1）所示：

[ErA=4.44fNrkNr?mcos θ=kufcos θErB=4.44fNrkNr?msin θ=kEufsin θ] （1）

式中：[?m]為軸線[S1]/[S2]的脈振磁場;[f]為激勵信號頻率;[k=NrKNrNsKNs]為定轉(zhuǎn)子上兩組繞組上的有效匝數(shù)比值，[Ns]為定子繞組的匝數(shù)，[Nr]為轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù)，[KNs]為定子繞組的繞組系數(shù)，[KNr]為轉(zhuǎn)子繞組的繞組系數(shù);[uf]為定子端輸入的激勵信號[8]。

2? 硬件設(shè)計

該設(shè)計以AD2S1210作為解碼芯片，結(jié)合外圍電路的搭建進(jìn)行單片機(jī)編程，通過上位機(jī)界面讀出角度信息。

2.1? AD2S1210工作原理

AD2S1210的工作過程主要由內(nèi)部集成的激勵信號發(fā)生器向旋轉(zhuǎn)變壓器提供激勵信號，將承載位置信息的兩路正余弦模擬信號輸入到解碼芯片中，經(jīng)過二階環(huán)路跟蹤輸入信號，并將正余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對應(yīng)的數(shù)字量[9]。其二階角度解碼算法如圖2所示。

圖2中的[K1=sin θsin ωt]與[K2=cos θsin ωt]為旋轉(zhuǎn)變壓器輸出給AD2S1210的解碼信號，[ω]為旋轉(zhuǎn)變壓器激勵信號的角頻率，[θ]為旋轉(zhuǎn)變壓器定、轉(zhuǎn)子相對位置，[φ]由AD2S1210的解碼系統(tǒng)產(chǎn)生，其原理為：轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的模擬乘法器將旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號[K1]與[cos φ]，[K2]與[sin φ]分別按一定的衰減系數(shù)進(jìn)行乘法運(yùn)算得到[10?11][W1]和[W2]如下：

[W1=E0sin ωt sin θcos φW2=E0sin ωtcos θsin φ] （2）

將式（2）的兩項做差后得到[Ur]為：

[Ur=E0sinωt（sin θcosφ-cos θsin φ）=E0sinωtsin（θ-φ）] （3）

利用解調(diào)器內(nèi)部合成的基準(zhǔn)信號來解調(diào)式（3）后得到式（4），在式（4）中，當(dāng)[θ-φ≈0]時，有[sin（θ-φ）≈θ-φ]，利用角度跟蹤使得[U=0]時，則[θ≈φ]，便完成了角度解碼，其角度解碼的角度值為[φ]。

[U=sin（θ-φ）] （4）

2.2? 外圍電路設(shè)計

該外圍電路主要由主控制單片機(jī)、解碼轉(zhuǎn)換器AD2S1210、旋變激勵信號的濾波放大電路、旋變輸出信號的濾波調(diào)理電路等構(gòu)成。其中，激勵信號濾波放大電路如圖3所示，其解碼芯片輸出有很大噪聲的激勵信號[exc]，[exc]，通過該電路濾波放大后輸出給旋轉(zhuǎn)變壓器。經(jīng)實測該電路相移10°左右，小于解碼芯片的鎖相誤差范圍±44°。調(diào)理濾波電路如圖4所示，由于旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)部存在共模、噪聲等干擾，導(dǎo)致輸出兩路正余弦信號，波形失真嚴(yán)重，并不能達(dá)到理想的要求，雖然對旋轉(zhuǎn)變壓器一次側(cè)繞組D3/D4短接，其余繞組按之前接法，但旋變輸出信號仍然不理想，經(jīng)過圖4電路后輸出信號達(dá)到了解碼要求。

3? 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括上位機(jī)軟件設(shè)計和下位機(jī)軟件設(shè)計。首先對下位機(jī)軟件進(jìn)行詳述，其包括系統(tǒng)復(fù)位、初始化配置、獲取命令、運(yùn)行狀態(tài)等，如圖5所示。上位機(jī)軟件如圖6所示，為LabVIEW編寫，該上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)為用戶提供所需功能，包括串口設(shè)置窗口、角位移波形窗口、寫入串口、讀取緩存區(qū)、保存數(shù)據(jù)、退出程序、停止采集按鈕。能夠?qū)崿F(xiàn)實時輸出角度位置信息和角位移波形曲線，對于其輸出的角位移信息可以實現(xiàn)文本保存和數(shù)據(jù)回放。

4? 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

在該系統(tǒng)測試過程中，如圖7所示，搭建角度測量系統(tǒng)，其所用到的儀器主要有：旋轉(zhuǎn)變壓器、解碼系統(tǒng)電路板、筆記本電腦、光電編碼器、安捷倫示波器、直流電源、固定支架、聯(lián)軸器。其中，直流電源給解碼系統(tǒng)提供15 V供電，示波器用來觀測AD2S1210輸出激勵信號的波形和旋變輸入給解碼系統(tǒng)的波形，光電編碼器用來與旋變輸出角度值作對比，固定支架用來把旋變和光電編碼器轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器緊密固定。將旋轉(zhuǎn)變壓器接在解碼系統(tǒng)板上，把光電編碼器放在支架上，通過聯(lián)軸器與旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)軸固定，此時要注意，二者必須保證同軸度，解碼系統(tǒng)板通過串口線與電腦連接，打開測試軟件，調(diào)整旋變，直到旋變測量系統(tǒng)輸出值為0，此時，將光電編碼器輸出清零作為初始，所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后如圖7所示。

由圖8可以看出，在16位分辨率下，誤差達(dá)到了10 LSB，精度為0.055°。分析誤差原因主要來源于光電編碼器自身也存在誤差，還有解碼系統(tǒng)電路中元器件的精度與溫度影響，都會影響解碼性能，給解碼系統(tǒng)的測試結(jié)果帶來誤差。

5? 結(jié)? 語

本文基于AD2S1210解碼芯片配合STC89C52單片機(jī)，通過分析解碼原理與外圍電路的搭建分析，搭建了角位移測量系統(tǒng)的實驗平臺。利用LabVIEW編制的上位機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最后得出該解碼系統(tǒng)精度達(dá)到0.055°，可滿足一般的應(yīng)用需求。由于該解碼系統(tǒng)元器件選擇和線路的屏蔽不好，會受環(huán)境中其他噪聲的影響，導(dǎo)致解碼出現(xiàn)誤差，今后在設(shè)計優(yōu)化過程中，一方面從元器件選型入手，另一方面從信號屏蔽入手，進(jìn)行更深入的研究。

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