甘戈,熊偉,吳洋,劉占才,劉景巖,朱雙雙

(1中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院安徽光學精密機械研究所,中國科學院通用光學定標與表征技術重點實驗室,安徽 合肥 230031;2中國科學技術大學,安徽 合肥 230036)

0 引言

隨著載荷探測技術的不斷進步和對大氣環(huán)境日益迫切的探測需求,近年來我國發(fā)射了越來越多的星載成像儀器。而對于星載成像系統(tǒng)這類閉環(huán)精密系統(tǒng)的掃描機構而言,為了控制掃描機構的推掃位置及速度、加速度等參數(shù),通常把角度值作為一個重要參量,需要實時獲得其精確的反饋值,之后通過簡單的數(shù)學運算就可以獲得掃描執(zhí)行機構的速度以及加速度等信息,有利于構建完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。航空航天應用上對掃描機構有著較高的速度精度及定位精度等控制要求[1],因此,選用高測量精度的傳感器作為整個系統(tǒng)的角度測量元件并對其測角技術進行研究有著十分重要的工程價值。

在科研領域及日常生產(chǎn)制造活動中,通常采用角度傳感器來檢測待測物體的角度位置。其基本工作機制是按照不同的電子學轉換原理將角位移轉換成電信號,并通過數(shù)據(jù)接口對外輸出。常用角度傳感器有光電編碼器、感應同步器、旋轉變壓器三種[2]。旋轉變壓器的定、轉子的機械結構相對來說比較獨立,因此其結構件的抗沖擊性比光電編碼器及感應同步器更好,沒有特別薄弱的環(huán)節(jié),能夠適應軍工武器、航空航天過載以及沖擊大、工作溫度變化范圍廣的惡劣環(huán)境要求,從而被廣泛應用于上述領域[3]。

以中國科學院安徽光學精密機械研究所研制的大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀(GMI)為例[4]。GMI載荷采用旋轉變壓器(下文簡稱為旋變)作為角度傳感器并使用單片機控制電機啟停工作,轉速為每分鐘5轉,將旋變數(shù)據(jù)解算為16位使用。本課題出于對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角系統(tǒng)的角度測量元件加以研究。衛(wèi)星載荷的實際項目中要求測角系統(tǒng)的測量精度在±30′′以內(nèi),本設計以現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)作為主控芯片,并使用中電二十一所研制的J75XFSW002型無刷雙通道旋變作為系統(tǒng)的角度測量元件,同時采用AD2S1210高精度解碼芯片作為解碼芯片[5]設計了一個可用于實際工程的測角系統(tǒng),具有一定創(chuàng)新性和實用性。

1 旋轉變壓器角度傳感原理簡介

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

如圖1所示,當勵磁繞組端輸入的激勵電壓為U=Umsin ωt時,在粗機、精機輸出繞組上得到的感應電壓分別為

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

式中:K為旋轉變壓器的電壓比,Us為粗機正弦輸出繞組電壓,Uc為粗機余弦輸出繞組電壓,UNS為精機正弦輸出繞組電壓,UNC為精機余弦輸出繞組電壓,N為精粗機的極對數(shù)比,θc為粗機測得的轉子轉動角度粗值,θj為精機測得的轉子轉動角度精值。通過后續(xù)電子學系統(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軸角。

2 旋轉變壓器測角系統(tǒng)設計

2.1 整體方案設計

經(jīng)過分析,測角系統(tǒng)電子學硬件電路需要具備的功能有以下幾點:

1)接受上位機指令驅動電機轉動,控制電機轉動方向;

2)接受上位機指令驅動絕對式編碼器采集電機角位移量;

3)接受上位機指令驅動雙通道多對極旋變采集電機轉動的的角位移量,并將其輸出的與待測軸角成正余弦關系的模擬信號轉換為計算機系統(tǒng)可以讀取的數(shù)字量并對其進行處理;

4)將最終得到的角度值送回上位機;

5)為上述功能模塊提供電源。

角度測量系統(tǒng)的整體方案是采用步進電機作為系統(tǒng)的轉動部件并將旋變固定在電機轉動軸上隨步進電機同步旋轉,將電機轉動角度值作為系統(tǒng)的輸出量。同時,為了驗證所設計的角度測量系統(tǒng)的精度,采用與電機和旋轉變壓器同軸安裝的精度更高的編碼器作為基準。

如圖2所示,采用FPGA作為角度測量系統(tǒng)的核心控制單元,上位機發(fā)送電機啟動和角度采集命令后,FPGA控制電機啟動旋轉,同時開始驅動絕對式光電編碼器與旋轉變壓器同步測量電機軸角位移量,并通過FPGA進行處理后送回上位機顯示。

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

2.2 機械結構方案

由于采用絕對式光電編碼器和雙通道旋轉變壓器同步采集電機旋轉角度的方式來驗證測角系統(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)電子學系統(tǒng)的引入誤差較小,而不會影響后續(xù)測試對測角系統(tǒng)的精度結果的誤判。

因此繪制了角度測量系統(tǒng)的三維模型和二維機械結構圖紙并通過加工和測量來驗證裝調(diào)精度。如圖3所示,海德漢絕對式光電編碼器通過編碼器座安裝在支架結構件上,編碼器軸通過轉軸結構件與同樣安裝在支架上的旋轉變壓器轉子相連,步進電機通過帶動聯(lián)軸器使得支架上方的旋變及編碼器跟著其一起轉動。整個機械結構主要靠加工和檢測來控制結構件配合面的同軸度及垂直度,盡量減小編碼器、旋變和電機的安裝機械誤差對電路系統(tǒng)的影響。

圖3 系統(tǒng)機械結構圖Fig.3 Schematic of mechanical structure of the system

2.3 硬件電路方案

針對系統(tǒng)功能設計了硬件電路,整個雙通道多對極旋變系統(tǒng)的詳細硬件電路框圖如圖4所示。電源模塊根據(jù)系統(tǒng)其他模塊的負載及供電特性將外部輸入電壓進行轉換并分流到各自的區(qū)域;FPGA通過485收發(fā)芯片來控制光電編碼器,并接受其返回的EnDat格式角度數(shù)字值;步進電機由FPGA主控邏輯程序發(fā)送脈沖并通過專用芯片控制其運動;RDC芯片通過FPGA配置工作模式及分辨率后,直接輸出差分勵磁信號并經(jīng)過信號調(diào)理模塊進行處理后再送入雙通道旋變激勵繞組;旋變精粗機正余弦信號經(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進行組合糾錯,最終得到的角度值數(shù)字量通過串口傳送至上位機。整個硬件電路設計的難點主要在于信號調(diào)理及RDC芯片的配置及使用。因為旋變及RDC額定輸入輸出電壓并不一致,需要綜合考慮電壓匹配及驅動功率放大等因素。RDC芯片的配置及使用需要嚴格按照芯片手冊上的時序進行,同時采用兩片RDC芯片進行解碼需要考慮時鐘同步及解碼同步的問題,避免解算出錯。

圖4 硬件電路方案設計圖Fig.4 Schematic of hardware circuit

2.4 系統(tǒng)軟件方案

旋轉變壓器測角系統(tǒng)軟件設計主要包括FPGA主控程序設計(圖5)以及精、粗機旋變數(shù)字轉換器數(shù)據(jù)的組合糾錯算法設計。主控程序的主要功能是控制電機啟停,并通過控制雙通道旋轉變壓器以及絕對式編碼器的時序信號,來驅動旋變和編碼器進行角度數(shù)據(jù)處理,并最終將其角度值數(shù)字量送回上位機。精、粗機旋變數(shù)字轉換器數(shù)據(jù)的組合糾錯算法設計主要是為了消除雙通道旋轉變壓器精、粗通道之間過零點不一致導致讀數(shù)結果有誤的問題[7,8]。

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

3 旋轉變壓器測角系統(tǒng)測試與分析

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行雙通道旋轉變壓器角度測量系統(tǒng)的調(diào)試并對角度測量系統(tǒng)電路的中的重要信號波形進行抓取驗證,如圖6所示。

圖6 測角系統(tǒng)調(diào)試現(xiàn)場圖Fig.6 Schematic of testing site of angle measurement system

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

圖8 勵磁差分信號圖Fig.8 Difference excitation signal waveform

圖9 正弦差分信號圖Fig.9 Difference sinusoidal signal waveform

圖10 電機驅動脈沖圖Fig.10 Motor driven pulse signal waveform

3.2 測試結果

旋變及編碼器最終得到的均為包含角度信息的十六進制源碼。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,分為四個字節(jié)輸出。源碼與角度之間的計算公式為

式中:θ為旋變及編碼器角度值;D為旋變及編碼器十六進制源碼轉換為十進制后的數(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控制電機以每分鐘十五轉的速度連續(xù)轉動,通過上位機串口同時控制旋變和編碼器不斷采集電機當前角度,并分別縱向計算每次采集前后旋變及編碼器所測得的角度變化量,將二者作差得到橫向的相對誤差。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誤差Fig.12 Schematic of relative error of resolver and encoder

4 結論

研究了雙通道旋轉變壓器的測角原理,并制定系統(tǒng)的整體方案,設計了機械結構和軟硬件電路,最后對搭建的角度測量系統(tǒng)進行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與數(shù)據(jù)分析。通過示波器萬用表等測試工具驗證了系統(tǒng)實際電路和設計的一致性,并將絕對式編碼器得到的角度值作為基準,與旋轉變壓器所測得角度進行對比,得出了系統(tǒng)滿足設計精度指標的結論。