全數字式旋轉變壓器的解碼設計

胡衛鵬 劉 峰 王 軒

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

角度傳感系統的測量精度和響應速度直接影響到伺服系統的運動控制精度。在某些工作環境惡劣的場合,如具有高沖擊震動、低溫、濕熱的條件下,旋轉變壓器(簡稱旋變)被廣泛地應用于角度傳感系統中,軍用領域絕大多數伺服系統也都使用旋轉變壓器作為角度測量傳感器[5]。

在激磁繞組輸入恒定的正弦電壓 Uref ,當單通道旋變的轉子旋轉時,在定子繞組就會感應輸出兩組隨轉子角位置不同而相對變化的正余弦電壓 Us_sin,Us_cos。軸角-數字轉換器(RDC)就是將旋變輸出的模擬信號轉換成角位置的數字信號。而角度傳感系統的精度主要取決于旋轉變壓器的精度和軸角-數字轉換器(簡稱RDC)的精度,因此RDC的性能對于角度傳感系統的精度至關重要。

軸角數字轉換通常使用集成的專用RDC芯片(或模塊),另一種是全數字式解碼方式,即直接將旋變信號進行A/D轉換后,通過處理器軟件算法實現角位置解碼。RDC芯片不僅要占據一定的體積,且價格昂貴;在某些對體積、重量限制嚴格的場合(如機載和彈載雷達),全數字式解碼方式可以滿足體積小、低成本的要求,而且還可以用軟件的方式來降低系統的非線性誤差。

1 基礎理論

旋轉變壓器的原理如同一個變壓器,轉子為原邊,定子為副邊。圖1 為一個單通道旋變原理圖。E1、E2為轉子繞組,可以將激磁信號輸入至激磁繞組;S1、S2是正弦定子繞組,C1、C2是余弦定子繞組[2]。

圖1 旋轉變壓器原理簡圖

設激磁信號為

Ve=Umcos(ωet)

(1)

當激磁正弦波信號輸入至轉子繞組后,在定子繞組上會感應出兩組正交的正、余弦電壓信號,它們是激磁信號在機械角度θm的調制生成的:

(2)

其中:k——轉子匝數/定子匝數;

Um——激磁信號的幅值;

θm——旋轉變壓器的角位置;

ωe——激磁信號的角頻率。

如果旋轉變壓器角速度ωe與激磁信號的角頻率dθm/dt相比足夠小,第二項的影響可以被忽略(通常激磁信號的角頻率dθm/dt=2000～10000Hz,雷達轉臺一般ωe<1000rps,fe=ωe/2π=159Hz)。

因此忽略第二項后得到[3]:

VS=kUmsinθmcos(ωet)

VC=kUmcosθmcos(ωet)

(3)

即正余弦輸出信號的幅值對應了轉子的角位置,對應關系見圖2所示,因此可以對正余弦信號進行解調來計算出角位置[1]。

圖2 激磁信號(上)與輸出信號sin(中)、cos(下)對應關系圖

2 算法設計

本文采用反正切法作為角度信號解算算法。反正切法是直接對正、余弦輸出電壓信號進行采樣,它們的比值就是對應角度的正切值,再對此值用四象限反正切函數解算即得到角位置值[6]。此算法原理簡單,角度測量實時性高。

3 電路硬件實現

全數字 RDC的硬件電路相對簡單,主要功能是由軟件算法實現,但是為了驗證其功能及性能,板上也設計了 RDC 芯片-RD19230的硬件電路。本系統選擇處理器是湖南進芯電子科技有限公司自主研發的DSP數字處理芯片AVP32F335QP176S,它的最高運行頻率是 150MHz,外圍接口豐富。AD采樣選用DSP的片上AD,通信電路將DSP讀取的角度值發送到上位機,方便數據保存和分析。系統硬件組成見圖3所示。

圖3 系統硬件框圖

DSP片上AD采樣范圍為0～3V,需將將旋轉變壓器的激磁、SIN/COS輸出信號調制到AD采樣范圍內,SIN/COS輸出信號的零位電壓調制到AD的中點1.5V,1.5V基準電壓產生電路見圖4所示。

圖4 1.5V基準電壓產生電路

DSP產生一路互補SPWM信號,該信號經過差分放大、二階濾波和功率放大后,做為旋變的激勵信號,并輸入至RD19230;同時此信號還要經過調理后輸入至DSP片上AD。激磁產生電路見圖5所示。

圖5 激磁產生電路

為提高采樣精度,將旋轉變壓器的激磁、SIN/COS輸出信號采用過采樣。AD采樣周期為2μs,16路片上AD順序采樣,定時中斷執行。每個周期旋轉變壓器的SIN和COS輸出信號在DSP內部6倍過采樣,旋轉變壓器的激磁信號2倍過采樣。DSP片上AD電路見圖6所示。

圖6 DSP片上AD電路圖

為進行對比實驗,DSP需讀取RD19230的旋變解調值,具體硬件電路見圖7所示[4]。

圖7 RD19230的硬件電路圖

4 電路軟件實現

4.1 激磁信號的產生

SPWM波由DSP的EPWM單元實現,軟件建立正弦波的半周期數組,單元數為50個。基波頻率為100kHz,這樣,輸出載波頻率為2kHz。

4.2 全數字 RDC軟件實現

5 實驗結果

實驗采用單通道旋變作為測角對象,旋變激磁輸入波形如圖8所示,旋變定子SIN輸出波形如圖9所示。由圖8和圖9可知,系統輸出的激磁波形平整、畸變小,且激磁頻率為2kHz。

圖8 激磁輸入波形

圖9 旋變粗機SIN輸出波形

對旋變定子的輸出信號進行全數字式軸角-數字轉換,將其所得結果與軸角轉換芯片 RD19230硬件轉換結果進行對比。其中RD19230分辨率為14位, 雖然DSP片上AD的分辨率為為12位,但信號經過了6倍過采樣,實際分辨率已大于14位。

表1為旋變測角系統的實測數據,可以看出全數字RDC角度與RD19230的角度讀數的誤差控制在0.03°以內,可以滿足一般系統需要,精度較高。

表1 實驗測角數據

6 結束語

本設計根據理論分析,搭建了基于DSP的全數字軸角-數字轉換的軟、硬件平臺,將復雜硬件用軟件來實現,不僅節省空間、節約成本,而且對于非理想的旋變信號還可以設計靈活的誤差消除算法,從而提高了系統的穩定性。實驗結果證實了本文所研究的全數字RDC算法可以應用于某些小體積(如機載、彈載雷達系統),中低轉速的測角場合。