雙通道多極旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
徐大林，廖良闖，高文政，黃慶安
(1東南大學(xué)，江蘇南京210096；2江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇連云港222006)
摘要：分析了雙通道多極轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換器的組成及原理，應(yīng)用數(shù)字化過(guò)采樣技術(shù)、閉環(huán)跟蹤解算算法、組合糾錯(cuò)算法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種全數(shù)字型雙通道多極RDc轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。
0引 言
雙通道多極旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換器(以下簡(jiǎn)稱雙通道多極RDc)作為一種高精度、高可靠性的軸角測(cè)量?jī)x器，具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于高精度、高可靠性的控制測(cè)量領(lǐng)域，諸如航天、航空、機(jī)器人控制、大型數(shù)控機(jī)床等。
雙通道多極旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)一般由測(cè)角元件和解算電路兩部分組成。測(cè)角元件采用雙通道多極旋轉(zhuǎn)變壓器，而解算電路的實(shí)現(xiàn)方式目前主要有以下三種：
(1)分立元件搭建的純硬件實(shí)現(xiàn)電路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大；
(2)專用RDc芯片加組合電路，成本高(萬(wàn)元)；
(3)A／D轉(zhuǎn)換加軟件三角法查表解算、組合，精度低。本文采用一種雙通道多極RDc的全數(shù)字式實(shí)現(xiàn)方案，較少的外圍電路元件完成信號(hào)調(diào)理，而其他功能部分全部由DsP利用數(shù)字處理方式實(shí)現(xiàn)，具有成本低(千元)、精度高、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。
1構(gòu)成與基本原理
雙通道多極旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的總體功能是實(shí)現(xiàn)電氣模擬角度θ到數(shù)字角度φ的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由雙通道多極旋轉(zhuǎn)變壓器、調(diào)理電路和DsP控制器組成。其基本原理是：雙通道多極旋轉(zhuǎn)變壓器的粗精兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成正、余弦信號(hào)，再由DsP控制器對(duì)兩路四通道模擬信號(hào)進(jìn)行同步A／D采樣，然后采用軟件R／D算法分別解算出粗精兩路的數(shù)字角度值，最后對(duì)粗精角度值進(jìn)行組合、糾錯(cuò)，并輸出并行二進(jìn)制數(shù)字量。
2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1設(shè)計(jì)
雙通道多極RDc系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由調(diào)理電路和DsP組成。
(1)調(diào)理電路
旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)需經(jīng)調(diào)理電路的比例放大、電平搬移、濾波，使模擬輸入滿足A／D轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)疊加入三角波信號(hào)，其信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。其中R和c組成Rc高頻濾波，電容c對(duì)運(yùn)放起穩(wěn)定作用，并對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行濾波。
(2)DsP控制器
系統(tǒng)中的大部分功能全部由DsP完成，編寫DsP軟件程序，主要實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，R／D角度解算，角度數(shù)據(jù)雙速組合、糾錯(cuò)處理和數(shù)據(jù)輸出功能，其總體軟件流程圖如圖3所示。
其中三角波生成如下：利用PwM脈寬調(diào)制輸出加上模擬積分器來(lái)生成，具體流程如圖4所示。
2．2實(shí)現(xiàn)方法
2. 2. 1 R／D解算算法
常用的R／D解算算法主要有三角法和角度跟蹤檢測(cè)法。三角法是通過(guò)求正、余弦信號(hào)的反正切函數(shù)值，并通過(guò)對(duì)象限的判斷求出該角度值，由于反正切函數(shù)值往往通過(guò)查表或函數(shù)逼近法近似求得，故誤差較大。而角度跟蹤檢測(cè)法是利用二階PI控制器的回饋閉環(huán)不斷更新誤差值，減小跟蹤誤差，使模擬角度和數(shù)字角度在我們要求的精度范圍內(nèi)相等，從而實(shí)現(xiàn)了模擬角度到數(shù)字角度的轉(zhuǎn)換，具有自適應(yīng)、解算精度高等優(yōu)點(diǎn)。
同時(shí)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，雙通道多極RDc轉(zhuǎn)換系統(tǒng)除了輸出高精度外，還需具備：1)具有角位移速度量輸出；2)系統(tǒng)的速度誤差為O，即跟蹤輸入角θ勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，φ角仍能保證****有效位的轉(zhuǎn)換精度。綜上，閉環(huán)系統(tǒng)模型構(gòu)建如圖5所示。R／D解算算法采用角度跟蹤檢測(cè)法，控制系統(tǒng)為三階II型系統(tǒng)，在輸入為階躍信號(hào)、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差為零。
2. 2. 2 A／D精度提高
高精度的角度解算，需要高精度的A／D轉(zhuǎn)換，其實(shí)現(xiàn)方法主要有：一是外接高分辨率的ADc芯片；二是利用DsP內(nèi)部A／D模塊，通過(guò)軟件法，采用過(guò)采樣技術(shù)來(lái)減小量化誤差，以提高轉(zhuǎn)換精度。高分辨率的ADc芯片價(jià)格昂貴，在不增加硬件空間和成本的前提下，系統(tǒng)采用DsP芯片自帶的A／D模塊結(jié)合過(guò)采樣技術(shù)，同樣能達(dá)到較高分辨 |
