高精度数字化轴角转换器的设计

摘 要:介绍了一种通过FPGA来完成数据采集、运算,实现高精度轴角转换设计。运用双通道旋转变压器数据的纠错组合原理、方法,及其在FPGA当中的软件实现,发挥了FPGA在数据处理上的优势,实现了轴角转换的实时、高精度、高可靠性,具有较广泛的应用范围。

关键词:旋转变压器 FPGA 轴角转换

中图分类号:TM383文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)07(a)-0061-01

角位置测量是工业控制系统的重要研究内容,在系统控制当中有着广泛的应用。为了适应测量、伺服系统数字化的要求,常采用轴角数字转换器完成模拟角位移信号到数字信号的转变。高精度双通道旋转变压器数字转换器(RDC)轴角转换系统,以其高可靠性著称,应用广泛。本文从工程应用的角度,针对精密无刷多极双通道旋转变压器,采用高精度、高集成度双路RDC模块作为轴角解算元件,应用大规模FPGA器件,实现实时、高精度轴角转换。

1 系统硬件组成

精密多极双通道旋转变压器作为轴角测量元件,一般与转轴同轴安装,它相当于一台1∶1的旋转变压器和一台1∶n的旋转变压器的结合体。当粗机旋变转过1圈时,精机旋变则转过n圈,即粗机以360°为1个周期,精机以360°/n为1个周期,精机的1圈(360°)表示真实轴角角度的1个360°/n。这种方式相对于单极单通道具有更高的测角精度。

RDC模块采用了二阶无静差伺服系统原理,具有精度高、稳定性好、跟踪速度快等优点。当其端子上加上旋变的正、余弦信号和激磁信号后,就能输出一个并行TTL电平的二进制码,表示以1转为单位的输入角的二进制码。本系统采用的RDC模块是双通道转换器,内部2个通道相互独立,集成度更高,有独立的参考电压和输入信号,其输出数据双通道公用,通过锁存器与外部数据总线连接,如14XSZ2S02系列,分辨率为14位,解算精度5.2′。

FPGA芯片主要完成数据处理功能,该类芯片具有高性能、高集成度、大容量、高可靠性等特点,可以重复编程,开发时间短,在数字电路中广泛应用。设计中选用的是Altera公司的Cyclone(飓风)系列芯片,其内部的M4K块能够用来实现软乘法器运算,程序由硬件编程语言VHDL实现,全硬件式的处理使得轴角转换的实时性进一步提高。系统硬件组成如图1。

2 软件实现

2.1 粗、精通道数据的读取

双通道RDC模块有3个控制信号:输入信号A/B、OE,输出信号BIT。其中输入信号A/B是通道选择控制端,当它为逻辑高或逻辑低时,RDC输出总线端为A或B通道。OE信号是输出使能端,当OE为逻辑高时,总线上输出数据为高阻态;当OE为逻辑低时,总线上输出数据在转换器规定精度范围内代表了旋变的角度。并且A/B和OE信号均触发640ns后有效。BIT控制信号是误差监测输出,当监测信号BIT为低电平时,总线上的输出信号才有效。

在实际应用中把输出使能端OE接地,同时将粗机数据通过A通道输入,将精机数据通过B通道输入。由于A/B信号触发持续640ns才有效,因此通过系统时钟信号,将A/B信号赋值时间分别定为为2000ns;在有效时序内,将A或B通道的数据送进设计在FPGA内的数据锁存器,再给粗精数据分离程序一个相应的1000ns周期的读数时钟。这样,当该时钟沿到来时,且BIT为低电平情况下,便可以根据A/B控制端的逻辑“1”或“0”实现粗、精机数值分离。

2.2 粗、精通道数据纠错

在双通道1∶n组成模式中,存在一种特殊的极对数比形式,即n为2的m次方,这种形式的粗精数据纠错组合有一种很简单的方法。如图2所示,在理想情况下,粗机的角度数据低位D14-m～D1与精机的角度数据高位D14～D14-m+1对应相等,只要将粗机的前m位数据同精机的14位数据拼接起来,就可以精确地得到转轴角度。

但是由于存在系统误差,粗、精通道的这几位数据往往并不一致,纠错方法就是在精通道数据的D14位没有进位或退位时,不允许粗通道数据的D14～D14-m+1位数据有变化。方法是选择粗通道数据的D14-m、D14-m-1位同精通道数据的D14、D13位作比较:当粗通道数据的D14-m、D14-m-1位全为0,且精通道数据的D14、D13位全为1时,合成的角度数据等于按理想情况组合成的数据减去04000H;反之合成的角度数据等于按理想情况组合成的数据加上04000H;除此之外,则按理想情况,直接合成角度数据。如1∶32的极对数比模式,由n的值可知m=5,则粗精组合后的数据为19位精度(分辨率为2.5″)。

3 结语

通过以上设计,很好的完成了转轴角度的采集和结算。同时,利用FPGA器件在数据处理方面的优势,以及多种的外部配置、资源,使其具有实时、高精度、高可靠性、体积小、简单易实现等优点。同时可将该转换系统集成为一个独立的模块,嵌入到不同的数字伺服系统当中,适用于多种控制场合根据需要,还可以方便的进行数字接收、显示。

参考文献

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