旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁感應(yīng)式傳感器,，用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度,，它由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊,，接受勵(lì)磁電壓,，轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過(guò)電磁耦合得到感應(yīng)電壓,。為了提高測(cè)量精度,，采用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器采用單相定子激磁,、兩相定子感應(yīng)輸出,。
AD2S82A和AD2S80A是美國(guó)模擬器件公司(Analog Devices Inc)生產(chǎn)的分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱RDC),。AD2S8X系列RDC可將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)角成比例的數(shù)字量,，它實(shí)質(zhì)上是一種特殊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,。
AD2S82A和AD2S80A都屬于AD2S8X系列中的產(chǎn)品，是一種單片式,、分辨率可變RDC,。在制造過(guò)程中它采用BiMOS工藝，使用雙極性高精度線性電路,，因此具有精度高,、性能穩(wěn)定及可靠性高等特點(diǎn)。
1 總體設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,，采用集成芯片AD2S82A和AD2S80A,，分別作為旋轉(zhuǎn)變壓器粗碼盤和精碼盤輸出信號(hào)的解碼器，將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字量,。然后將它們送入FPGA中進(jìn)行誤差補(bǔ)償和數(shù)據(jù)組合,，再在FPGA中對(duì)誤差補(bǔ)償后的二進(jìn)制角度值，通過(guò)分段查表轉(zhuǎn)換為以度分秒顯示的角度值,。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 硬件電路框圖
該硬件電路框圖如圖2所示，F(xiàn)PGA芯片作為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心,，對(duì)其他電路模塊進(jìn)行控制,，同時(shí)在FPGA中實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償和數(shù)據(jù)組合和角度轉(zhuǎn)換。
2.2 驅(qū)動(dòng)及A/D轉(zhuǎn)換模塊
驅(qū)動(dòng)電路主要采用集成芯片MAX038CPP,，用其來(lái)產(chǎn)生正弦波,，由于該正弦波電流很小，不能用其直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓器,，還要對(duì)其進(jìn)行功率放大,。功率放大電路主要采用集成芯片OPA541AM。
把驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的正弦波作為雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵(lì)信號(hào),，加到其定子繞組上,，于是在其粗通道轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生正弦波和余弦波，將它們送入AD2S82A,，對(duì)其進(jìn)行解碼,。同時(shí)，將旋轉(zhuǎn)變壓器精通道轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的正弦波和余弦波送入AD2S80A,，也進(jìn)行解碼,。
通過(guò)AD2S82A和AD2S80A的片選端口，可以選擇它們各自的分辨率10 b,，12 b,，14 b,，16 b，與其對(duì)應(yīng)的最高跟蹤速度為1 040 r/s,，260 r/s,，65 r/s，16 125 r/s,。由于它們將旋轉(zhuǎn)變壓器式信號(hào)轉(zhuǎn)換成自然二進(jìn)制代碼,，是采用一種比率式跟蹤方法，輸出數(shù)字角只與輸入正余弦信號(hào)的比值有關(guān),，而與絕對(duì)值無(wú)關(guān),，因此具有較高的噪音抑制能力，可以減小旋轉(zhuǎn)變壓器遠(yuǎn)距離傳輸帶來(lái)的誤差,。這里AD2S82A和AD2S-SOA都選擇12位輸出,。
當(dāng)AD2S82A和AD2S80A正處于運(yùn)算過(guò)程當(dāng)中時(shí)，會(huì)在它們各自的BUSY端口,，產(chǎn)生一個(gè)繁忙信號(hào),。用FPGA對(duì)這兩個(gè)繁忙信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)兩芯片有一塊處在運(yùn)算過(guò)程當(dāng)中時(shí),，F(xiàn)PGA發(fā)出一個(gè)禁止信號(hào),，送入AD2S82A和AD2S80A各自的INHIBIT端口，禁止這時(shí)讀取兩芯片的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),。這樣即能使兩芯片工作同步,，又能防止誤讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。
2.3 FPGA誤差補(bǔ)償和數(shù)據(jù)組合模塊
當(dāng)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗碼盤和精碼盤的極數(shù)比值為1：32時(shí),，旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)1圈,，這時(shí)粗軸相當(dāng)于轉(zhuǎn)了1圈，而精軸相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)了32圈,，也即粗軸旋轉(zhuǎn)1圈相當(dāng)于轉(zhuǎn)過(guò)360°,，而精軸旋轉(zhuǎn)1圈只轉(zhuǎn)過(guò)了11.25°(360°/32)。所以,，精軸解碼后的數(shù)字角最高位Q1代表5.625°(11.25°/2),，相當(dāng)于粗軸的P6位。解碼后的粗軸和精軸各個(gè)位的權(quán)重如表1所示,。
由于粗軸的后幾位肯定不如放大32倍之后的精軸的數(shù)字準(zhǔn)確,，所以粗精數(shù)字角組合的原則是，粗精軸都輸出12位數(shù)字角,，但粗軸只取高5位(P1～P5),，而精軸取全12位(Q1～Q12)。
由于旋轉(zhuǎn)變壓器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),，粗碼盤和精碼盤之間存在各種各樣的誤差,，粗精通道對(duì)應(yīng)位可能不同是變化,。即存在粗通道數(shù)據(jù)變化后，精通道對(duì)應(yīng)位的數(shù)據(jù)還沒(méi)有變化,，同樣也存在精通道數(shù)據(jù)變化,，而粗通道對(duì)應(yīng)位的數(shù)據(jù)還沒(méi)有變化，因此還要對(duì)解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償,。
通過(guò)表1可以看出,，粗通道和精通道對(duì)應(yīng)的位只有P6和Q1，它們都代表5°37’30",。當(dāng)P6和Q1變化不同步時(shí)，就要進(jìn)行誤差補(bǔ)償,。采用VHDL語(yǔ)言編寫誤差補(bǔ)償模塊,，在FPGA中實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，其程序流程圖如圖3所示,。
2.4 角度值轉(zhuǎn)換模塊
誤差補(bǔ)償后的角度值，是以二進(jìn)制顯示的角度,，即如表1所示的R1～R17,，不同的位代表的角度值不同。為了方便顯示和后續(xù)電路運(yùn)算,，還要對(duì)二進(jìn)制角度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，將其轉(zhuǎn)換為以度分秒顯示的角度值。直接按各個(gè)位的權(quán)重進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，涉及到多次乘法和除法運(yùn)算,，影響整個(gè)電路的速度。通過(guò)查表可以避開(kāi)免乘法和除法運(yùn)算,，但是直接查表需要很大的ROM空間,，這里采用分段查表法，把誤差補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)分成整度數(shù)的位R1～R3和帶分秒的位R4～R17,，其中R4～R17按度分秒分別進(jìn)行查表,，再將查到的整度數(shù)和R1～R3查到的整度數(shù)做加法運(yùn)算。這樣可以將ROM空間減小到原來(lái)的大約1/8,。
3 仿真驗(yàn)證
現(xiàn)將誤差補(bǔ)償,、數(shù)據(jù)組合、角度轉(zhuǎn)換3個(gè)模塊進(jìn)行仿真,。仿真是基于Altera公司的EP2C35F484C6型FGPA,，仿真中建立了3種情況的測(cè)試平臺(tái)，仿真結(jié)果如圖4所示,。
仿真的時(shí)鐘周期為10 nS,，dbl～dbl8為FPGA的輸入信號(hào),，其中dbl為最高位。db的高6位dbl～db6為AD2S82A的輸出(P1～P6),，db的其他位db7～dbl8為AD2S80A的輸出(Ql～Q12),，db_outl～db_out17為誤差補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)，再用db_outl～db_outl7去分段查表,。圖4中deg為度數(shù)輸出,，min為分?jǐn)?shù)輸出，sec為秒數(shù)輸出,。
從仿真結(jié)果可以看出,，當(dāng)db6(P5)和db7(Q1)不同時(shí)，就要進(jìn)行誤差補(bǔ)償,。誤差補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)再通過(guò)分段查表,，就可以得到正確的以度分秒顯示的角度值。
4 結(jié)語(yǔ)
提出并建立了一種基于FPGA的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角系統(tǒng),。該方案的主要特點(diǎn)是充分利用了FPGA豐富的硬件資源,，將復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制運(yùn)算用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，大大提高了轉(zhuǎn)換的速率和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。該方案也可以輕松地移植到更多極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器上,，可進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換的精度。