基于RD26的双通道旋转变压器位置解码设备的设计.pdf
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1、计算机测量与控制 ()C o m p u t e r M e a s u r e m e n t&C o n t r o l 设计与应用 收稿日期:;修回日期:.基金项目:装备综合研究项目(L J Z ).作者简介:颜亚灵(),女,湖南长沙人,硕士研究生,助理工程师,主要从事兵器系统分析与保障工程方向的研究.通迅作者:王洛国(),男,甘肃靖远人,博士研究生,教授,主要从事装备保障工程方向的研究.引用格式:颜亚灵,王洛国,阎瑞,等基于R D 的双通道旋转变压器位置解码设备的设计J计算机测量与控制,():,文章编号:()D O I:/j c n k i /t p 中图分类号:T P 文献标识码:A
2、基于R D 的双通道旋转变压器位置解码设备的设计颜亚灵,王洛国,阎瑞,武明(陆军防化学院,北京 )摘要:双通道旋转变压器的解码问题一直是伺服控制系统非常重要的一个问题,快速、准确地解码出伺服系统位置信息是闭环控制系统的关键;通过对某伺服系统闭环控制系统位置解码技术的研究,分析了R D 的解码过程及原理,设计一种基于R D 的双通道旋转变压器位置解码设备,此设备将双通道旋转变压器输出的信号与R D 相连,通过并口向F P G A发送数据,F P G A通过时序读取R D 信号,能将双通道旋转变压器粗机、精机的模拟电压信号转换成具有绝对位置的数字信号,不需要再进行纠错与粗精结合,解码精度可达到角分
3、和L S B.关键词:R D ;双通道旋转变压器;解码设备;硬件设计;软件设计;F P G AD e s i g no fD u a lC h a n n e lR e s o l v e rP o s i t i o nD e c o d e rB a s e do nR D YANY a l i n g,WANGL u o g u o,YANR u i,WU M i n g(I n s t i t u t eo fN B CD e f e n c e,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:D u a l c h a n n e l r e s o
4、 l v e rd e c o d i n g i s a l w a y s av e r y i m p o r t a n t p r o b l e mi ns e r v oc o n t r o l s y s t e m T h e r a p i da n da c c u r a t ed e c o d i n go f s e r v os y s t e mp o s i t i o n i n f o r m a t i o n i s t h ek e yt ot h ec l o s e d l o o pc o n t r o l s y s t e m T h
5、 ep o s i t i o nd e c o d i n gt e c h n o l o g yo f as e r v oc l o s e d l o o pc o n t r o l s y s t e mi s r e s e a r c h e d t oa n a l y z e t h ed e c o d i n gp r o c e s s a n dp r i n c i p l eo fR D ,a n dd e s i g nad u a l c h a n n e l r e s o l v e rp o s i t i o nd e c o d i n gd
6、e v i c eb a s e do nR D T h i sd e v i c ec o n n e c t s t h es i g n a l o u t p u tb yt h ed u a l c h a n n e l r e s o l v e rw i t hR D ,s e n d sd a t at oF P G At h r o u g h t h ep a r a l l e l p o r t,a n dF P G Ar e a d s t h eR D s i g n a l t h r o u g h t h e t i m e s e q u e n c e,
7、t h e a n a l o gv o l t a g e s i g n a l so f t h e c o a r s ea n df i n e c h a n n e l r e s o l v e r c a nb ec o n v e r t e d i n t o t h e d i g i t a l s i g n a lw i t ha b s o l u t ep o s i t i o n N oe r r o r c o r r e c t i o na n dc o a r s e f i n ec o m b i n a t i o na r er e q u
8、 i r e d,a n dt h ed e c o d i n ga c c u r a c yc a nr e a c ha r cs e c o n d sa n d L S BK e y w o r d s:R D ;d u a l c h a n n e l r e s o l v e r;d e c o d i n ge q u i p m e n t;h a r d w a r ed e s i g n;s o f t w a r ed e s i g n;F P G A引言角度位置检测一直是航天、航空、火炮、雷达、机器人伺服控制等精密控制领域中最为关键的一环.目前,在角度位置检
9、测方面主要有无位置传感器检测技术、“嵌入式”位置检测技术、外置位置传感器检测技术.无位置传感器检测技术和“嵌入式”位置检测技术由于其应用范围小和实现方法上受到限制还停留在理论与实践阶段,应用较少.外置位置传感器检测技术作为主要的角度位置检测技术主要包括霍尔型位置传感器 、光电 式 编 码器、旋转变压器 种传感器检测技术.相比霍尔位置传感器和光电编码器,旋转变压器由于其结构简单、精度高、可靠性强,耐高温、抗振动、防尘、耐油污、耐腐蚀、抗电磁干扰性强、寿命长、能够应用在各种恶劣的环境中等优点 ,因而广泛应用于可靠性要求高且工况恶劣的高低、方向伺服系统角位置及角速度检测中 进行位置检测.双通道旋转变
10、压器 是一个由单极绕组旋转变压器(简称粗机)和一个多极绕组的旋转变压器(简称精机)组合而成,它能够准确的检测出角度位置信号.在研究双通道旋转变压器进行角度位置检测时,普遍的做法 是将双通道旋转变压器粗机、精机分别进行角度转换后,使用双速处理器进行纠错,然后使用二进制数进行粗精结合,得到角度位置.本文提出一种基于R D (解算数字转换器)的轴角数字转换电路,能够对双通道旋转变压器直接进行解算,不需要再进行纠错和粗精整合处理,结构简单、集成度高、使用方便.R D 解码及工作原理R D ,是由杰瑞电子生产的双通道旋转变压器解码芯片,采用两路独立的转换通道,每通道分辨率为 位,采用自然并行二进制数码,
11、频率 H z k H z,双使能,兼投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m第期颜亚灵,等:基于R D 的双通道旋转变压器位置解码设备的设计 容T T L/CMO S电平,最高转换精度(角分 L S B),V单电源供电,具有内部自检信号B I T输出.能满足被测信号最高输入幅值不低于A C V、最高采集频率不低于 H z、分辨率(位)、最高工作温度()的指标要求,采用混合集成电路和微电路制造工艺,具有体积小、功耗低,精度高,使用方便的特点.R D 解码过程如图所示.由于粗机和精机解码算法基本一致,下面以粗机为例进行介绍,微型变压器将粗机的两路信号(US Sk Es i n
12、 ts i n、US Sk Es i n tc o s)解调后,经乘法器与估计值相乘,放大后作差,得到估计值与 真 实 值 的 误 差,通 过 控 制的 值 来 观 测 误 差s i n().图R D 解码过程图假定可逆计数器当前字状态为,将US S、US S 分别与估计转子位置的c o s、s i n相乘可得:Us S c o sk Es i n ts i nc o sUs S s i nk Es i n tc o ss i n()这些信号经误差放大器相减,得到估计值与真实值的误差:k Es i n ts i nc o sk Es i n tc o ss i nk Es i n t(s i
13、nc o sc o ss i n)k Es i n ts i n()()当时,得到转子的位置得到角位置:()系统硬件设计硬件上以模块化设计为思想,基于微型处理器系统而进行研发.硬件总体设计总体分为处理模块、采集模块、显示模块和电源模块四大模块.处理模块处理模块是整个设备的核心,它的工作频率、运行速度对位置检测设备最终的状态曲线的绘制、角度位置的计算会造成很大影响.因此,选择合适的控制处理器对提高设备性能、保证设备可靠运行非常重要.目前主流的控制处理器主要有以D S P、MC U、F P G A、A RM为核心的四类嵌入式微处理器系统.D S P具有很强的数字处理能力,抗干扰能力强,可靠性高,便
14、于大规模集成,但是对串行指令受到限制,对采样速率要求不能太高,超过几MH z就很受限,功率消耗较大.MC U体积小、结构简单、功耗低、成本低、具有多种I/O接口,但是其存储量小,不能实现复杂控制,在数据处理能力上比不上D S P和F P GA.F P G A内有大量的触发器、门阵列和丰富的I/O引脚,集成度高,功能强大,可做复杂的逻辑运算,处理速度快,执行效率高,能够以电路的方式对信号进行同步采集,但是不能同时处理多个事件,掉电后原有的配置会丢失.A RM具有高性能,低功耗,环境适应能力强的特点,对界面及应用程序进行控制能力强是其最突出的优势,相比MC U,A RM的功能更强,使用范围更广,但
15、是A RM运算能力较弱,在连接中不提供并行交换.根据检测设备功能要求,选择核心处理器时尽量考虑高性能,低功耗,环境适应能力强的处理器,通过上述对种处理器分析,选取A RM作为嵌入式微处理器系统,作为设备C P U使用.但是,在进行轴角转换过程中需要进行并行传输,而A RM不提供所需的并行接口,且数据同步采集及处理能力上F P G A具有其优势,所以选择F P G A作为第二处理器.即整个设备采用A RMF P GA双处理器的形式,可满足检测设备所需的各种性能要求.其中,A RM作为控制器,对整个系统进行控制.主要用来与F P GA和显示器进行通信;对各种操作指令进行控制;对F P GA处理后的
16、数据进行读取并反馈至显示器上;F P GA作为处理器,对数据进行处理.主要用来对信号进行配置、同步与控制;对数据进行比较、分析、运算与处理,对A/D转换后的数据进行处理;对解码算法进行编程与设计;对轴角转换后的数据处理处理.采集模块采集模块主要包括信号采集、信号调理、A/D转换三部分内容.用来对高低、方向伺服系统输出的位置信号进行同步采集、滤波、放大与处理,将处理后的模拟量信号转换为数字量信号.电源模块电源模块主要提供检测设备所需的各种电源,用来对硬件的其它各模块进行供电,以保证检测设备的正常运行.显示模块显示模块主要用来提供人机操作所需的界面和设备的所需的各种接口.采用L C D触摸显示屏,
17、用来提供应用软件所需的界面,进行良好的人机互动.为方便用户使用,设计各种备用接口完成软件的升级、更新与扩展.系统的硬件连接与工作原理位置解码设备主要设计成由R D 、A RMF P G A双处理器、显示屏以及电源组成.系统基本结构如图所示.双通道旋转变压器输出的信号,经过分压网络将 V模拟信号进行分压处理,进入R D 转换成数字信号,经并行接口将角度位置信号传输至F P GA进行处理;A RM通过L AN传读取F P G A处理好的数据,将输出角度位置显示至L C D,L C D显示屏上显示当前角度值及偏差,完成各种状态信息的描绘,便于人机互动.投稿网址:w w wj s j c l y k
18、z c o m计算机测量与控制第 卷 图系统基本结构框图 处理模块整个设备采用A RMF P GA双处理器的形式.F P G A的选型图F P G A外围硬件电路设计图F P G A选用A r t i x 系统X C A T F G G A B X 芯片,内存接口 MB/s;工作电压 V;最大工作频率 MH z;I/O端口数量 ,所有的I/O都支持双倍数据速率(D D R),每个I/O都能执行串行到并行或者并行到串行的转换;高速S P I和B P I(并行NO R)配置;内含多种配置位,速率 G B/s;内含 k B双端口块R AM;具有强大的时针管理器;具有低功耗性能(GMA C/s),可进
19、行重复编程.A RM的选型A RM选 用R K p r o主 板 芯 片,该芯片采用六核处理器,主频 G H z,体积 小、处 理 速 度 快;EMMC标 配 G,输入电压V,最大功率小于W,具有高性能、低功耗、低成本的优点;该板寻址方式简单,执行效率高,可用来运行界面及应用程序.该板支持大操作系统(A n d r o i d 、L i n u xQT 、U b u n t u 、D e b i a n、F e d o r a ),便 于 人 机互 动;核心板接口丰富,支持路独立U S B接口;路S P I接口,路M I P ID S I可支持双路,也可拆分二单路;支持路GMA CP HY以太
20、网接口,用来与F P G A进行数据通信;支持路HD M I输出(P,f p s)接口用来连接L C D显示屏.F P G A与A RM的连接设计由于F P GA内部没有C P U控制单元,无法处理由控制器产生的中断,所以F P G A一侧不能利用现成的控制器构成 串 行 接 口,即F P G A不 能 与A RM直 接 相 连,必 须 将F P GA的P HY引脚与千兆网络变压器相连后接入百兆以太网接口然后通过网线连接至A RM的以太网接口.同理,各子电路也不能直接与F P GA相连,因此需在进入F P G A侧接入一个小电阻,用来对两部分子电路进行隔离.F P G A与A RM的连接设计如
21、图所示.F P G A外围硬件电路设计如图所示.图F P G A与A RM硬件电路设计 采集模块采集模块使用R D 芯片,R D 使用方便,只需要将角度位置信号接入R D ,然后与F P G A对应的引脚相连即可.R D 电路连接如图所示.电源模块电源电路是保障整个解码设备能量供应的基础,可靠、稳定的供电性能设计非常重要.为保证无供电情况下运行,解码设备采用V D D_ V锂电池电源带供电充电器,通过非隔离、非同步整流型降压D C D C电源转换电路将其转换投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m第期颜亚灵,等:基于R D 的双通道旋转变压器位置解码设备的设计 图R D
22、电路连接图出 V、V、V、R E F 四种不同的电源对不同的部件进行供电.电源电路设计如图所示.图电源电路设计框图 V/V供电电路设计输入 V电压经过电源转换芯片S GM 得到V/V电压.V电压主要为A RM、数字转换器、F P GA进行供电;V电压主要为交 换 机进 行 供 电.电 源转 换 芯 片S GM 是一个电流模式降压转换器,提供 V的可调输出电压和 V,V,V的固定电压输出,具有良好的输出线性、负载可调、逐周期限流和浪涌电流限制、防止输出电压过冲、热关断等保护功能.I N是电源输入端,在此引脚上需加一个 F与 F的电容接地改善电压质量和降低线路损耗,该引脚为S GM 转换器开关供电
23、.E N用来控制转换器的通断,当E N拉高时打开转换器,当E N拉至最低时关闭,此时输出电压放电.SW为输出端,在此引脚上需要接电感器,向输出负载提供恒定电流,同时需要加输出电容提高稳定性和进行滤波处理,电感值计算式为:LLOUTfO F C IL VOUTVI N()()B S为高侧栅极升压输入,此引脚与输出引脚间通过电阻与电容串联,以降低输出端的尖锋电压.S S为软启动控制输入,此引脚与地之间串连电容与电阻用来设置软启动.C OMP控制补偿回路,此引脚接入电容至G N D,用来防止直流信号通过.F B为反馈输入,与电阻分压器相连,通过改变F B脚对地的电位来更改R、R两个电阻的值,从而用来
24、设置输出电压,F B脚电位计算公式为:VF BVOUTRRR()输出电压调节公式为:VOUT RRR()供电电路设计如图所示.图供电电路设计图 R E F V供电电路设计将输出的V电压,接入基准电压源A/D R R Z后得到R E F V电 压,主 要 用 来 对F P GA进 行 供 电.A D R R Z是一种压差低、超低噪声的基准电压源,具有高精度和低温度漂移特能,并且所需的电源电压裕量较小,适合精密数据采集和高分辨率数据转换器供电.V I N为输入端,此引脚需要接一个 F电容保持稳定和一个 F保持线路电压瞬态.N C 为输出端,需要接一个 F电容,得到稳定的参考基准电压 V.R E F
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- 基于 RD26 双通道 旋转 变压器 位置 解码 设备 设计
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