【正文】 ............................................................................. 73 圖 2020 轉 /min 跟蹤響應 ............................................................................ 74 表目錄 表 各數(shù)碼權值表 ........................................................................................... 7 表 解算方法對比 ......................................................................................... 16 表 AD2S1210 相應參數(shù) .............................................................................. 23 表 性能對比 ................................................................................................. 23 表 CORDIC 解算誤差 ................................................................................. 39 表 數(shù)據(jù)采集特點對比 ................................................................................. 60 表 靜態(tài)角度輸出 ......................................................................................... 70 表 抖碼測試 ................................................................................................. 72 表 設計結果對比 ......................................................................................... 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)進入信息時代。 傳感器作為信息采集的首要部件，是實現(xiàn)自動化、信息化的首要環(huán)節(jié)。 隨著科學技術的不 斷發(fā)展，人們對于傳感器的要求也越來越高。甚至我們常用的手機上就有十幾個傳感器之多。角度測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。光電編碼器精度高 [67]、使用方便 [ 8]，但它存在價格貴、怕震動、怕沖擊、怕油污等缺點，適用于精度要求較高，環(huán)境較好的場合。由于 精度高 、可靠性高和強大的惡劣環(huán)境適應能力，旋轉變壓器廣泛的應用于高精度和高可靠性的控制系統(tǒng)中，例如艦炮、雷達、工業(yè) 控制等 [9]。 通過專門的解算電路 [10](RDC)，得到數(shù)字化的角度信息，送到計算機中進行下一步處理。因此解算模塊的發(fā)展成為角度測量環(huán)節(jié)的決定因素。單片集成的 RDC 已達16 位，例如美國 AD 公司的 AD2S83，在理想的旋轉變壓器信號下，轉換誤差為 239。集成 RDC 的缺點是成本高、靈活性差。當前美國 AD 公司推出基于數(shù)字式的低成本產(chǎn)品 AD2S1210，數(shù)字式具有跟蹤速度快、成本低、靈活性高等特點。由于數(shù)字解算算法 地 限制，國內(nèi)一直尚未出現(xiàn)數(shù)字式解算的軸角轉換芯片。國內(nèi) R/D 轉中國艦船研究院碩士學位論文 2 換芯片受現(xiàn)有技術基 礎和工藝水平 地 制約，產(chǎn)品在可靠性和環(huán)境適應性方面無法滿足高端用戶的需求。因此直接攻關數(shù)字式軸角解算芯片，取代國外進口產(chǎn)品，抵制西方國家的國防尖端技術的限制和提高國防工業(yè)的實力有著十分重要的現(xiàn)實意義。 軸角轉換的發(fā)展 軸角轉換 [12]分布在幾乎所有的控制系統(tǒng)中。因此各個國家對 軸角轉換都投入大量的人力、物力，使軸角轉換發(fā)展為一個較為完備的 技術 。 到二十世紀七十年代，單片 CMOS 乘法型數(shù)字 模擬 IC 的問世，并很快成為角度類變換技術使用的核心器件，具有代表性轉換器紛紛問世，并成功地大量應用各種控制系統(tǒng)中，其生產(chǎn)工藝是 IC、阻容、通孔插裝組裝工藝，體積較大。 大約在八十年代中后期，由于 IC 工藝技術的飛速發(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。專用的解算芯片，有 AD 公司的模擬式AD2S83 系列和數(shù)字式 AD2S1210[13]系列。 國內(nèi)還是以二次集成開發(fā)為主 [14]，如七一六研究所生產(chǎn)的轉換模塊。同時模塊化后系統(tǒng)參數(shù)將被固定 [17]，不具有靈活性 [ 18 ]。國內(nèi)尚無數(shù)字式 AD2S1210 的對應產(chǎn)品。尤其是其實時處理能力，在某些場合甚至超過模擬系統(tǒng)。 數(shù)字式高精度軸角解算研究 3 論文工作與安排 實現(xiàn)數(shù)字化軸角解算的難點在于數(shù)字解算算法的實現(xiàn)。以 AD2S1210 為例，其解算方案就是將模擬系統(tǒng)改進為高頻的數(shù)字系統(tǒng)。造成解算精度與響應速度相互制約的問題。前者導致計算周期長，影響解算速度；后者則需要占用大量存儲空間，同時存儲空間的增長隨位數(shù) 呈指數(shù)增長。例如 AD2S1210，有幾位的抖碼 。為 國產(chǎn) 化數(shù)字式軸角解算 芯片 的研制 打下基礎。介紹角度測量系統(tǒng)的研究背景及意義，分析軸角轉換模塊的發(fā)展現(xiàn)狀， 以及數(shù)字式軸角解算存在的問題 。 重點研究了 旋轉變壓器的基本原理 和基礎知識，對解算過程中可能出現(xiàn)的誤差進行詳盡分析 。選擇適于數(shù)字化實現(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。 3）第三章 數(shù)字式軸角解算算法設計 。對數(shù)字化二階系統(tǒng)的 數(shù)字式 實現(xiàn)進行適應性改進， 針對解算系統(tǒng)中 正余弦值直接計算消耗運算資源多、查表法占用空間大，設計了 360 度 CORDIC 加速算法 。針對數(shù)字式軸角解算抖碼問題，提出了 狀態(tài) 判斷 算法 和最多值數(shù)據(jù)濾波 。其中包括數(shù)據(jù)采集模塊設計、激磁模塊設計、 AD 轉換電路設計、 DSP 硬件設計以及電源模塊設計。搭建系統(tǒng)的軟硬測試平臺，分別測試解算模塊的動態(tài)特性與靜態(tài)特性?？偨Y已經(jīng)完成的工作，并對進一步的工作改進提出展望。 角度測量傳感器種 類很多 [21]，將各種傳感器輸出的模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號的方法也有很多種。重點研究模擬量到數(shù)字量的變換。 旋轉變壓器 旋轉變壓器 [22](簡稱旋變 )是一種輸出電壓幅值隨轉子轉角變化的測量器件 。 旋轉變壓器常用于坐標變換、三角運算和角度傳輸中，有事 也作為兩相移相器用在角度 —數(shù)字轉換裝置中。 本文研究的旋轉變壓器都是正余弦旋轉變壓器。通常采用內(nèi)轉子接參考電壓的方式。對于正余弦旋轉變壓器 0U 、 1U 、2U 、 ? 數(shù)字關系如 圖 ： 101 1010 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 6 0 101U0U1U2θ 圖 旋轉變壓器信號與角度關系圖 由圖中看出轉子與定子之間角度信息跟激磁信號通過旋轉變壓器調(diào)制之后，得到包含絕對角度信息的正余弦耦合信號。定子繞組感應電壓與旋轉角度關系如下 [25]： )s in (s in1 ?? tUkU ? () )c o s (s in2 ?? tUkU ? () 其中 k 是轉子繞組和定子繞組壓變比。故通過測 量1U 和 2U 就得到角 度 θ 的信息。 二者僅在輸出性能有所不同，但作為發(fā)送角度信號的傳感器，功能完全相同。的星形連接 。 U 為激磁電壓最大幅值， k 為壓變比。 SCOTT 變壓器結構如下： 圖 SCOTT 變壓器 對比旋轉變壓器和自整角機輸出信號，旋轉變壓器輸出為正余弦信號。而 SCOTT 變壓器恰好完成兩組信號之間的相 互轉換。因此只需要研究旋轉變壓器的 解算 模塊就完成自整角機的角度解算。 很重要的一點，旋轉變壓器和自整角機信號之所以能用來表示軸角位置，是因為它們的輸出信號載波幅值之間存在嚴格的對應關系，與軸角位置具有密切的相關性。因此，雖然經(jīng)常使用“相位角”來描述某個軸的位置，例如描述自整角機是三線信號，旋轉變壓器是四1: 1S1S3S2自整角機信號2/3S1S3S2S4N0 . 8 6 6 N N正弦余弦旋轉變壓器信號T1T2數(shù)字式高精度軸角解算研究 7 線的，但實際上所有載波信號都是正弦波信號，而且在某一個系統(tǒng)中是完全同相的。 數(shù)字角度表示 實際工程中，一般使用二進制數(shù)碼來表示角度值。對于一個 18 位的角度值 ―110000000000001100‖，最高位（ MSB）為最左邊一位，最低位（ LSB）為最右邊一位。每位二進制碼所代表的權值為 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，各位二進制碼 的權值如 表 所示。） 位數(shù)（ N） 權值（ 176。作為控制系統(tǒng)中的測量系統(tǒng)，其精度是十分重要的性能之一。其誤差分為原理誤差、器件誤差以及環(huán)境誤差。下面將對前四種誤差進行數(shù)學分析。到便對該類型誤差 進行補償，補償?shù)姆椒ㄓ熊浖陀布煞N方法：其中，軟件方法對采集到的正弦信號乘以補償系數(shù) )1( ?? ，保證正余弦幅值相同。 旋轉變壓器繞組不正交，安裝的軸系偏差等引起正交誤差。后一項歸為幅值誤差部分進行補償。從而使輸出正余弦信號中參雜有各次諧波，對旋轉變壓器的精度產(chǎn)生影響，假設諧波正余弦信號有如下公式： ????????????? ???????? ??????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 為直流分量對基波的比值。根據(jù)實際數(shù)據(jù)，一般情況下 nK （ n 為 0， 2， 3， 4… ） 1.這樣簡化得到由此引起的函數(shù)誤差： ??? ???? 10 ))1s i n ( ()4/c o s (2 n n nKK ???? () 減小這類 誤差的辦法是增加濾波器，濾除信號中的雜波。對于系統(tǒng)的精度有重要影響。分析激磁各個諧波對于解算精度的影響。 ???? 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 ??? () 中國艦船研究院碩士學位論文 10 該電壓為初始誤差電壓，需要在經(jīng)過參考信號解調(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 時1?n ， sn VV， 較小，有： )2sin ()()(11 ???????????nsnnsnVVVV () 上式看出，當不存在幅值誤差時，激磁失真 [26]不會給角度運算帶來誤差。當有高次諧波存在時，高次諧波的幅值不能夠保證像正常工作頻率的幅值匹配，從而引起如上誤差。 看到函數(shù)誤差和激磁失真誤差的表達式比較復雜，使用硬件消除的方法比較好。軸角解算的方法有很多種，如 圖 ，根據(jù)解算結構分為直接解算和跟蹤解算。跟蹤解算方案則用閉環(huán)角度對比結構進行數(shù)字解算，例如鑒幅方法、鑒相方法。 角 度 量 θU 1 U 2 A D C A D C U 1 U 2 采 樣N b i t K . 2 F r e f n n + 1 帶 通 濾 波 U1U2Arctan( ) 圖 反正切法結構框圖 角度信號 1U 和 2U 經(jīng)過 AD 采樣后經(jīng)過帶通濾波 濾除采樣噪聲之后，直接進行反正切運算即可得到角度值