全数字式旋转变压器的解码设计.pdf

第 卷 第 期(总第 期)年 月火控雷达技术 ()收稿日期:作者简介:胡卫鹏()男高级工程师 主要研究方向为伺服系统设计全数字式旋转变压器的解码设计胡卫鹏 刘 峰 王 轩(西安电子工程研究所 西安)摘 要:本设计是基于 的全数字旋转变压器解码系统包括信号处理器、激磁信号、正余弦信号调理等硬件电路 旋变的激磁信号产生和输出信号采集以及轴角转换算法均由 及其程序实现为了方便验证板上还添加了 芯片 的硬件电路来与其转换结果相比对 实验证明本设计不仅能完全满足旋转变压器测角系统的需要同时还具有体积小可靠性高成本低等优点关键词:旋转变压器轴角转换中图分类号:文献标志码:文章编号:()引用格式:胡卫鹏刘峰王轩 全数字式旋转变压器的解码设计 火控雷达技术():/():引言角度传感系统的测量精度和响应速度直接影响到伺服系统的运动控制精度 在某些工作环境恶劣的场合如具有高冲击震动、低温、湿热的条件下旋转变压器(简称旋变)被广泛地应用于角度传感系统中军用领域绝大多数伺服系统也都使用旋转变压器作为角度测量传感器在激磁绕组输入恒定的正弦电压 当单通道旋变的转子旋转时在定子绕组就会感应输出两组随转子角位置不同而相对变化的正余弦电压 轴角 数字转换器()就是将旋变输出的模拟信号转换成角位置的数字信号 而角度传感系统的精度主要取决于旋转变压器的精度和轴角 数字转换器(简称)的精度因此 的性能对于角度传感系统的精度至关重要轴角数字转换通常使用集成的专用 芯片(或模块)另一种是全数字式解码方式即直接将旋变信号进行/转换后通过处理器软件算法实现角位置解码 芯片不仅要占据一定的体积且价格昂贵在某些对体积、重量限制严格的场合火 控 雷 达 技 术第 卷(如机载和弹载雷达)全数字式解码方式可以满足体积小、低成本的要求而且还可以用软件的方式来降低系统的非线性误差 基础理论旋转变压器的原理如同一个变压器转子为原边定子为副边 图 为一个单通道旋变原理图、为转子绕组可以将激磁信号输入至激磁绕组、是正弦定子绕组、是余弦定子绕组图 旋转变压器原理简图设激磁信号为()()当激磁正弦波信号输入至转子绕组后在定子绕组上会感应出两组正交的正、余弦电压信号它们是激磁信号在机械角度 的调制生成的:()()()()()其中:转子匝数/定子匝数 激磁信号的幅值 旋转变压器的角位置 激磁信号的角频率如果旋转变压器角速度与激磁信号的角频率/相比足够小第二项的影响可以被忽略(通 常 激 磁 信 号 的 角 频 率/雷达转台一般 /)因此忽略第二项后得到:()()()即正余弦输出信号的幅值对应了转子的角位置对应关系见图 所示因此可以对正余弦信号进行解调来计算出角位置图 激磁信号(上)与输出信号(中)、(下)对应关系图算法设计本文采用反正切法作为角度信号解算算法反正切法是直接对正、余弦输出电压信号进行采样它们的比值就是对应角度的正切值再对此值用四象限反正切函数解算即得到角位置值此算法原理简单角度测量实时性高当 时 当 时 同时还可以每个象限进行细分例如在第一象限里当 时 当 时 电路硬件实现全数字 的硬件电路相对简单主要功能是由软件算法实现但是为了验证其功能及性能板上也设计了 芯片 的硬件电路 本系统选择处理器是湖南进芯电子科技有限公司自主研发的 数字处理芯片 它的最高运行频率是 外围接口丰富 采样选用 的片上 通信电路将 读取的角度值发送到上位机方便数据保存和分析 系统硬件组成见图 所示第 期胡卫鹏等:全数字式旋转变压器的解码设计图 系统硬件框图 片上 采样范围为 需将将旋转变压器的激磁、/输出信号调制到 采样范围内/输出信号的零位电压调制到 的中 点 基 准 电 压 产 生 电 路 见 图 所示图 基准电压产生电路 产生一路互补 信号该信号经过差分放大、二阶滤波和功率放大后做为旋变的激励信号并输入至 同时此信号还要经过调理后输入至 片上 激磁产生电路见图 所示图 激磁产生电路 为提高采样精度将旋转变压器的激磁、/输出信号采用过采样 采样周期为 路片上 顺序采样定时中断执行 每个周期旋转变压器的 和 输出信号在 内部 倍过采样旋转变压器的激磁信号 倍过采样 片上 电路见图 所示为进行对比实验 需读取 的旋变解调值具体硬件电路见图 所示图 片上 电路图火 控 雷 达 技 术第 卷图 的硬件电路图 电路软件实现 激磁信号的产生 波由 的 单元实现软件建立正弦波的半周期数组单元数为 个 基波频率为这样输出载波频率为 全数字 软件实现 的 采样设置成定时中断模式定时中断为中断周期(即频率)旋转变压器激磁信号和 、输出信号每 采样一次其中 和 输出信号为 倍过采样激磁信号为 倍过采样 中断服务程序内计算激磁信号和、输出信号的均值后得到 /然后求反正切变换得到 并与激磁信号相位比较后得到最终的角度值(具体公式见第 节)实验结果实验采用单通道旋变作为测角对象旋变激磁输入波形如图 所示旋变定子 输出波形如图 所示 由图 和图 可知系统输出的激磁波形平整、畸变小且激磁频率为 图 激磁输入波形第 期胡卫鹏等:全数字式旋转变压器的解码设计图 旋变粗机 输出波形 对旋变定子的输出信号进行全数字式轴角 数字转换将其所得结果与轴角转换芯片 硬件转换结果进行对比 其中 分辨率为 位 虽然 片上 的分辨率为为 位但信号经过了 倍过采样实际分辨率已大于 位表 为旋变测角系统的实测数据可以看出全数字 角度与 的角度读数的误差控制在 以内可以满足一般系统需要精度较高表 实验测角数据 的角度读数全数字 角度读数轴角误差 结束语本设计根据理论分析搭建了基于 的全数字轴角 数字转换的软、硬件平台将复杂硬件用软件来实现不仅节省空间、节约成本而且对于非理想的旋变信号还可以设计灵活的误差消除算法从而提高了系统的稳定性 实验结果证实了本文所研究的全数字 算法可以应用于某些小体积(如机载、弹载雷达系统)中低转速的测角场合参考文献:张博.基于 的多通道旋转变压器测角系统设计.西安邮电大学学报():.张伟鹏.低成本实用型旋转变压器解码系统设计 .现 代 电 子 技 术 ():.李明.基于多级旋转变压器的高精度角位移测量方法.航空计算技术():.张明.解算数字转换器输出抖动问题的原因及消除.电子质量():.曹晖.雷达伺服中双通道旋变测角系统的设计.火控雷达技术():.郑殿臣.具有误差抑制功能的全数字 算法研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.