【正文】 文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 數(shù)字式高精度軸角解算研究 I 摘要 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種高可靠性的角度測(cè)量傳 感器，具有耐沖擊、耐高溫、耐油污、高可靠、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛 地 應(yīng)用于雷達(dá)、坦克、地炮火控、機(jī)器人、汽車、電力、冶金、紡織、印刷等領(lǐng)域。由于數(shù)字解算算法實(shí)現(xiàn)難度較大，國(guó)內(nèi)尚無該類型芯片。針對(duì)誤差計(jì)算環(huán)節(jié)中正余弦值直接計(jì)算計(jì)算量大、查表法占用空間大的問題，設(shè)計(jì)了基于CORDIC 算法的誤差計(jì)算環(huán)節(jié)，減少了計(jì)算量、節(jié)省了存儲(chǔ)空間。驗(yàn)證結(jié)果顯示軸角 179176。 關(guān)鍵詞 ：數(shù)字化軸角解算；旋轉(zhuǎn)變壓器； CORDIC；系統(tǒng)設(shè)計(jì)； DSP 中國(guó)艦船研究院碩士學(xué)位論文 II Abstract Resolver is a kind of highly reliable angle measurement device, which is resistant to impact, high temperature and oil. Its highreliability and long life make it a widely use in military field and industry filed, such as radar, fire control , tanks, robotics, automotive, power, metallurgy, textile printing and so on. The output of resolver is AC analog signals, it must be converted to digital signals before enter the puter. The shaft conversion module in tradition bines special shaft conversion chip and peripheral circuit. The special shaft conversion chip can be separate to analog mode and digital mode. Analogmode chip has highprecision, highstability and no data jitter, its disadvantages includes: low tracking speed, highprice. Digitalmode chip with its high tracking speed and low price give the new direction of shaft conversion. its plex algorithm, low accuracy and data jitter make it difficult to realize. In view of this situation, the subject of the digital highprecision axis angle solver depth study. The work of this paper focuses on the following aspects: Account the shorting of fixed bandwidth can not ensure the speed and accuracy at the same time, proposed a dynamic bandwidth algorithm witch improved the accuracy with a fast step response. Design a new error calculationg method based on CORDIC algorithm instead of direct calculation witch take lots of time or look up witch take largue space. For digital code solver shake severe cases, proposed the most dynamic and static judgments and median filtering method, effectively reduced the number of data jitter, and controlled the jitter amplitude. To reduce the impact of the noise, use the FIR filter and cumulative sampling program. Finally, the algorithm was verified on the ΣΔAD and DSPbased hardware platform. The result indicate that the angle resolution reached 18, the 179176。 system design。階躍響應(yīng) ......................................................................................... 73 圖 2020 轉(zhuǎn) /min 跟蹤響應(yīng) ............................................................................ 74 表目錄 表 各數(shù)碼權(quán)值表 ........................................................................................... 7 表 解算方法對(duì)比 ......................................................................................... 16 表 AD2S1210 相應(yīng)參數(shù) .............................................................................. 23 表 性能對(duì)比 ................................................................................................. 23 表 CORDIC 解算誤差 ................................................................................. 39 表 數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)對(duì)比 ................................................................................. 60 表 靜態(tài)角度輸出 ......................................................................................... 70 表 抖碼測(cè)試 ................................................................................................. 72 表 設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比 ......................................................................................... 74 數(shù)字式高精度軸角解算研究 1 第 1章 第一章 緒論 隨著科技 的 日新月異，人類已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代。 隨著科學(xué)技術(shù)的不 斷發(fā)展，人們對(duì)于傳感器的要求也越來越高。角度測(cè)量傳感器作為一種重要的位置傳感器，在傳感器 家族中有著極 其重要的位置。由于 精度高 、可靠性高和強(qiáng)大的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力，旋轉(zhuǎn)變壓器廣泛的應(yīng)用于高精度和高可靠性的控制系統(tǒng)中，例如艦炮、雷達(dá)、工業(yè) 控制等 [9]。因此解算模塊的發(fā)展成為角度測(cè)量環(huán)節(jié)的決定因素。集成 RDC 的缺點(diǎn)是成本高、靈活性差。由于數(shù)字解算算法 地 限制，國(guó)內(nèi)一直尚未出現(xiàn)數(shù)字式解算的軸角轉(zhuǎn)換芯片。因此直接攻關(guān)數(shù)字式軸角解算芯片，取代國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，抵制西方國(guó)家的國(guó)防尖端技術(shù)的限制和提高國(guó)防工業(yè)的實(shí)力有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此各個(gè)國(guó)家對(duì) 軸角轉(zhuǎn)換都投入大量的人力、物力，使軸角轉(zhuǎn)換發(fā)展為一個(gè)較為完備的 技術(shù) 。 大約在八十年代中后期，由于 IC 工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，單片集成的角度類變換器 RDC 被研制成功，使得其體積更小，精度更高。 國(guó)內(nèi)還是以二次集成開發(fā)為主 [14]，如七一六研究所生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換模塊。國(guó)內(nèi)尚無數(shù)字式 AD2S1210 的對(duì)應(yīng)產(chǎn)品。 數(shù)字式高精度軸角解算研究 3 論文工作與安排 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化軸角解算的難點(diǎn)在于數(shù)字解算算法的實(shí)現(xiàn)。造成解算精度與響應(yīng)速度相互制約的問題。例如 AD2S1210，有幾位的抖碼 。介紹角度測(cè)量系統(tǒng)的研究背景及意義，分析軸角轉(zhuǎn)換模塊的發(fā)展現(xiàn)狀， 以及數(shù)字式軸角解算存在的問題 。選擇適于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的 鑒幅解算方案，并分別以 AD2S83 和AD2S1210 為代表介紹了模擬式芯片和數(shù)字式芯片的基本原理。對(duì)數(shù)字化二階系統(tǒng)的 數(shù)字式 實(shí)現(xiàn)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)， 針對(duì)解算系統(tǒng)中 正余弦值直接計(jì)算消耗運(yùn)算資源多、查表法占用空間大，設(shè)計(jì)了 360 度 CORDIC 加速算法 。其中包括數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)、激磁模塊設(shè)計(jì)、 AD 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、 DSP 硬件設(shè)計(jì)以及電源模塊設(shè)計(jì)。總結(jié)已經(jīng)完成的工作，并對(duì)進(jìn)一步的工作改進(jìn)提出展望。重點(diǎn)研究模擬量到數(shù)字量的變換。 旋轉(zhuǎn)變壓器常用于坐標(biāo)變換、三角運(yùn)算和角度傳輸中，有事 也作為兩相移相器用在角度 —數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置中。通常采用內(nèi)轉(zhuǎn)子接參考電壓的方式。定子繞組感應(yīng)電壓與旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系如下 [25]： )s in (s in1 ?? tUkU ? () )c o s (s in2 ?? tUkU ? () 其中 k 是轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組壓變比。 二者僅在輸出性能有所不同，但作為發(fā)送角度信號(hào)的傳感器，功能完全相同。 U 為激磁電壓最大幅值， k 為壓變比。而 SCOTT 變壓器恰好完成兩組信號(hào)之間的相 互轉(zhuǎn)換。 很重要的一點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)變壓器和自整角機(jī)信號(hào)之所以能用來表示軸角位置，是因?yàn)樗鼈兊妮敵鲂盘?hào)載波幅值之間存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，與軸角位置具有密切的相關(guān)性。 數(shù)字角度表示 實(shí)際工程中，一般使用二進(jìn)制數(shù)碼來表示角度值。每位二進(jìn)制碼所代表的權(quán)值為 N2/360? .則如上數(shù)值代表的角度為： 6 7 9 7 102 1. ..02 112 11213 6 02 13 6 0 183211??????? ????????????????? ??? ??Nn ind 不難理解 LSB 代表著數(shù)字化角度的最低分辨率，各位二進(jìn)制碼 的權(quán)值如 表 所示。作為控制系統(tǒng)中的測(cè)量系統(tǒng)，其精度是十分重要的性能之一。下面將對(duì)前四種誤差進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。 旋轉(zhuǎn)變壓器繞組不正交，安裝的軸系偏差等引起正交誤差。從而使輸出正余弦信號(hào)中參雜有各次諧波，對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的精度產(chǎn)生影響，假設(shè)諧波正余弦信號(hào)有如下公式： ????????????? ???????? ??????knnknnnKKUkUnKKUkU102101)c o s ()s in (?? () 其中 nK 為 n 諧波與基波幅值的比值，可知 11?K ， 0K 為直流分量對(duì)基波的比值。對(duì)于系統(tǒng)的精度有重要影響。 ???? 1 )cos(n nd tnDU ? () 將（ ）、（ ）代入公式（ ）得到： ??????? 1 )s i n (]s i n)c o s (c o s)[ s i n ( ncsd tnVVu ??? () 中國(guó)艦船研究院碩士學(xué)位論文 10 該電壓為初始誤差電壓，需要在經(jīng)過參考信號(hào)解調(diào)之后生成誤差電壓： nn nn sn DVDVE ?????? ???? 11 s i n)c o s (21c o s)s i n (21 ?? () 跟蹤完成后有上式為 0，且有當(dāng) 時(shí)1?n ， sn VV， 較小，有： )2sin ()()(11 ???????????nsnnsnVVVV () 上式看出，當(dāng)不存在幅值誤差時(shí)，激磁失真 [26]不會(huì)給角度運(yùn)算帶來誤差。 看到函數(shù)誤差和激磁失真誤差的表達(dá)式比較復(fù)雜，使用硬件消除的方法比較好。跟蹤解算方案則用閉環(huán)角度對(duì)比結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字解算，例如鑒幅方法、鑒相方法