基于LabVIEW的双通道旋转变压器轴角解调算法的设计与实现

杨 辉 何海龙 朱新勃 刘艳行

(西安电子工程研究所 西安 710100)

基于LabVIEW的双通道旋转变压器轴角解调算法的设计与实现

杨 辉 何海龙 朱新勃 刘艳行

(西安电子工程研究所 西安 710100)

采用图形化编程软件Lab VIEW对双通道旋转变压器的轴角解调算法进行了研究。首先对旋转变压器工作原理和解调中存在的问题作了简单的介绍。接着对其粗精角的组合及纠错方法进行了研究，并提出了一种粗精组合角纠错方法并通过lab view编程实现了其纠错过程。最后应用本文所讨论的方法在某转台系统的内场试验中进行了测试，试验结果表明该方法有较好的解码速度和精度。

双通道旋转变压器；lab view；轴角解调；粗精组合；

Abstract: Shaft-angle demodulation algorithm for two-channel resolver is studied by using graphical programming software LabVIEW. Operational principle of resolver and issues existed in demodulation is firstly introduced briefly; then combination of coarse and fine angle code and error-correcting method is studied, and an error-correcting method of combination coarse and fine angle code is presented, and error-correction process is implemented by LabVIEW programming software; and finally, the discussed method is tested on a turntable system indoor experimentation. The tested result shows that this method has favorable decoding speed and accuracy.

Keywords：two-channel resolver; labVIE；shaft-angle demodulation；combination of coarse and fine code

0 引言

在常用的光栅编码器、霍尔传感器和旋转变压器等角位置传感器中，由于旋转变压器具有很强的抗冲击震动和温度湿度变化能力，所以，它作为现代伺服系统中广泛使用的角位置测量元件，在各种导航制导、雷达天线跟踪、火炮随动、数控机床及工业器人等领域中得到了广泛的应用[1，2]。

对于测角精度要求高的场合，多采用多极旋转变压器，利用粗、精机信号组合的方法来提高测角精度。多极旋转变压器的解调可以通过硬件实现，也可以用软件来实现[3，4]。采用硬件模块进行实现，虽然电路设计比较方便，但电路模块的体积、重量和功耗都比较大，而且规格有限，价格昂贵[5，6]。因此，对于某些既需要综合考虑体积、重量、功能性要求，又需要采用汇编语言实现的机载武器系统而言，对用软件实现双通道旋转变压器粗精机角解调的方法进行研究具有很重要的工程意义。

Lab VIEW是一个完全的开放的仪器开发系统，利用它可以构成任意形式的虚拟仪器，Lab VIEW提不但供了大量的函数库供用户直接调用，还提供了许多具有标准接口(如VXI，GPIB 等)仪器的驱动程序，用户可以使用现成的模块方便地组建自己的测试系统。Lab VIEW使用图标表示功能模块，使用图标间的连线表示各功能模块间的数据传递，使用大多数工程师和科学家所熟悉的数据流程图式的语言书写程序源代码，其编程过程与思维过程非常近似。

为了实现对角位置转台的精确控制，同时缩短其控制系统开发的周期，本文采用图形化编程软件Lab VIEW语言作为开发工具，进行了角位置转台控制系统的研制，重点对双通道旋转变压器测角解调算法的设计与实现进行了介绍。最后应用设计的算法在角位置转台上进行了室内测试，测试结果证实了本文方法的有效性。

1 旋转变压器的基本原理

安装在电机轴上的旋转变压器可以被看作是由激磁绕组和输出绕组组成的一种能提供电机转子绝对角位置的感应式微电机。激磁绕组和输出绕组分别被放置在定、转子上，当激磁绕组采用某个固定的交流电压进行励磁时，输出绕组上便会产生幅值与转子转角成正、余弦函数关系的电压[3]。单通道的旋转变压器粗精机组合原理如图1所示。

假设采用如下的单频信号进行激磁：

Uref=U0cos(ωt)

(1)

图1 单通道旋转变压器工作原理

当转角为θ时，其输出的正、余弦信号为：

(2)

其中，U0表示输入激磁信号幅值；ω为输入激磁信号的频率；θ表示转轴的角位置；K0表示旋转变压器定子与转子绕组间的比例系数；t表示转轴的运行时间。

(3)

由(3)式得：

(4)

2 双通道旋转变压器粗精角的组合及纠错

由于双通道旋转变压器是将一个多极旋转变压器(精机)和一个单极旋转变压器(粗机)集成在一起构成的，相比于单通道的旋转变压器，双通道旋转变压器粗、精机输出的信号比较复杂，无法通过前文(4)式进行计算来获得被测轴转过的实际角度。为了获得被测轴转过的实际角度，就需要对双通道旋转变压器粗、精机输出的信号进行组合及纠错处理，即真实轴角值所在的区间由粗级数据进行确定，随后再结合精级数据，通过粗精组合算法计算出真实轴角的精确值。

假设本文研究的双通道旋转变压器的粗精机极对数比为N：1，也就是说当精轴角会转过N圈时，粗轴角才转过一圈。假设θC表示通过双通道旋转变压器粗机端输出电压UC_sin和UC_cos值获得的粗机角值，同理，θJ表示利用精机输出端电压UJ_sin和UJ_cos值获得的精机角值。在θC和θJ均已获得的情况下，才可以根据下式(5)来进行组合求解被测轴转角θ的测量值。

(5)

其中，int[ ]表示取整运算；N为双通道旋变粗、精机极对数比，本文N=16.

由于在实际加工与装配过程中存在的误差等往往会影响得到双通道旋转变压器粗、精机理想配合的水平，所以在双通道旋转变压器粗精角的组合解算中，当电机轴角处于两个区间的边界附近时，公式(5)中粗机θC的读整数与真实轴角θ所在区间相比，很可能会发生多“1”或者少“1”的事情，进而就会引起实际轴角θ的计算值与其真实值相差360°/N. 这种误差是是粗精机组合系统中粗读取整不可避免的误差，依靠提高器件及电路精度只会减少产生这种差错的机率，但达到绝对避免这种原理性误差是不可能的。因此，本文粗精机组合采用下式(6)来对上式(5)的取整区间进行纠错判断。

(6)

其中，θL即为纠错之后转台转角的测试值.

根据上述纠错算法，设计的粗、精机角组合及纠错处理流程如下图2 所示。

图2 粗、精机角组合及纠错流程图

3 解调算法的软件实现

采用图形化编程软件Lab VIEW语言作为开发工具，以动画、图表、曲线和虚拟面板的形式不但在上位机上可以完成测试所需的所有功能，管理检测设备的供电，而且具有较高的可靠性、较高的运行效率和较直观的软件操作界面。更重要的是Lab VIEW提供强大的数学工具，具有解反三角函数的功能，所以本文可以直接调用，这比使用其它软件来实现编程要方便的多。根据(3)、(4)、(5)式利用旋转变压器的粗机输出电压与精机输出电压进行首次求解粗精组合角度数的Lab VIEW程序框图如图3 所示。根据(6)式进行纠错处理利的Lab VIEW程序框图如图4 所示。

图3 旋转变压器的粗精组合角度数首次求取程序

图4 粗精组合角度数纠错处理程序

4 系统测试

本文根据转台系统的工作原理及性能要求，设计的控制系统如图5 所示，采用Lab VIEW编制的上位机控制系统软件如图6和图7所示。直流力矩电机采用J94XFS型双通道旋转变压器完成对电机角位移信号的采集并与期望值进行比较，二者的偏差通过角位移PID控制器进行调节，然后角位移PID控制器以速度信号的方式输出调节量的大小并和XK型陀螺仪采集回来的电机角速度信号比较，它们的偏差再通过角速度PID控制器进行调节后输出最终的调节量，这个调节量控制直流力矩电机伺服驱动器输出相应的控制信号去完成对电机的控制。

图5 直流力矩电机PID双闭环控制系统框图

从图6和图7可以看出，本文采用图形化编程软件Lab VIEW语言作为开发工具，编制的上位机控制系统软件不但可以以动画、图表、曲线和虚拟面板的形式在上位机上完成测试所需的所有功能，而且该软件还具有较高的可靠性、较高的运行效率和较直观的软件操作界面。

图6 转台伺服系统调试软件主程序界面

图7 转台伺服系统调试软件曲线观测界面

5 测试结果分析

根据奈奎斯特采样定律的要求，要从上述转台所配的旋转变压器粗、精机端输出电压中解调出有效的转台转动角度，就必须使采样频率最低不能低于此旋变激磁频率(旋变的激磁频率为800HZ)的两倍，也即1600HZ。然而采样频率也不能盲目增大，否则会因为有限时间内采集到的样本数据太多而占用大量的内存资源，降低伺服系统的运行速度。为了保证在旋转变压器一个激磁周期内能够出现4次粗、精机解调的机会，本文的采样频率经过权衡后最终取为32000HZ.

为检验本文所提出的旋转变压器轴角解调算法的有效性和解调精度，首先做了转台的等间隔角转动测试。由测试试验所得的数据如表1所示。

表1 角位置转台等间隔角转动测试数据(单位：度)

从上表可以看出，采用本文提出的轴角组合及纠错处理算法对旋转变压器反馈的粗、精机角信息进行处理，同时采用图形化编程软件Lab VIEW语言作为开发工具，编制的上位机软件对转台系统进行控制，可以将伺服转台在等间隔角转动的角位置误差控制在0.10度以内，表明提出的算法具有较高的解调精度。由于旋转变压器在0度附近存在标度值的突变，而控制算法存在调节滞后等因素会造成转台在0度附近定位时，旋转变压器的解调过程会出现较大的误差。

设定转台以10°/s的角速度进行匀速转动，由内场测试试验数据通过MATLAB软件画出的转台角位置及角角速度曲线如图8所示。

图8 转台角位置及角角速度

从图8可以看出，当转台匀速运动时，旋转变压器输出的电压信号经过本文算法解调后，其角位置随时间的变化近似为斜率为10的一列锯齿波。从图8可以看出，本文用图形化编程软件Lab VIEW语言作为开发工具，实现的双通道旋转变压器测角解调算法具有很好高的解调精度和很好稳定性。

6 结 语

本文采用图形化编程软件Lab VIEW语言作为开发工具，对双通道旋转变压器测角解调算法的设计与实现进行了研究。最后应用设计的算法在角位置转台上进行了室内测试，测试结果证实了本文方法不但具有较高的精度，而且明显的缩短了系统开发的周期。

[1] 颜骥，王昌金，周立军.基于C8051F021的双通道轴角测量实验装置的设计[J].信息技术与信息化，2009(4)：76-78.

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[7] 李敏，赵剡，杨辉，张海峰. 基于多功能数据采集卡和变速PID的转台控制系统设计[J].计算机测量与控制，2015，23(5)：1556-1559.

DesignandImplementationofLabVIEW-basedShaft-angleDemodulationAlgorithmforTwo-channelResolver

Yang Hui， He Hailong， Zhu Xinbo， Liu Yanhang

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100)

TN

A

1008-8652(2017)02-052-05

2016-11-07

杨辉(1983-)，男，工程师。研究方向为自动检测与仪器智能化，导航与制导技术。