基于双通道旋转变压器的高精度测角系统设计

2018-06-11崔建飞孙凤鸣

电子设计工程 2018年11期

崔建飞，孙凤鸣

（1.天津津航计算技术研究所天津300300；2.天津市航空电子综合显示控制重点实验室天津300300；3.中国民航大学中欧航空工程师学院，天津300300）

在运动系统的精密控制领域，角度位置的测量至关重要，常用的角度位置传感器包括光电编码器[1]、霍尔传感器[2]、旋转变压器[3]（以下简称旋变）等种类。其中旋转变压器以其环境适应性高、使用可靠、使用寿命长等优点[1]，被广泛应用于雷达伺服[4]，航空航天[5]、火炮控制[6]等领域，也广泛应用于数控机床、汽车机械、机器人伺服控制系统等领域[7]。双通道旋转变压器通过单极线圈和多极线圈的组合，能够实现角秒级精度的角度位置测量。通常的研究工作是将单极线圈和多极线圈分别进行测量后再通过处理器或FPGA等进行数据整合和误差补偿[8-12]。本文的轴角解算电路则采用集成的轴角转换芯片，可以对双通道旋变进行直接的解算，不需要处理器或FPGA再进行数据整合和误差补偿。硬件接口简单，集成度相对较高，软件开销少。

1　系统设计

1.1　简介

本测角系统由双通道旋转变压器、励磁电源芯片、轴角转换芯片、数字信号处理器（DSP）组成，如图1所示。双通道旋转变压器转动部分与回旋机构转轴固定，激磁电源芯片输出的正弦交流信号进入到旋转变压器的激磁线圈，旋转变压器感应生成的信号经调理电路输入到轴角数字转换芯片。轴角数字转换芯片可以将旋转变压器次级绕组输出的正交信号转换为表示角度的数字量。经电平转换电路后由DSP读取。

图1　测角系统结构框图

1.2　双通道旋转变压器

旋转变压器简称旋变，主要由线圈组成。通常包括激磁绕组和次级绕组两部分。输入即激磁绕组上施加外部正弦激励信号。励磁信号输入初级绕组通过电磁耦合互感的原理，在两组相位相差90°的次级绕组上分别产生与励磁信号频率相同，幅值根据转子相位变化的正余弦信号。旋转变压器按照极对数可分为单极旋变和多极旋变。单极旋变的电气误差通常为角分级，而多极旋变的电气误差通常可达角秒级。

双通道旋转变压器由单极和多极旋变组成一体，通常采用同一铁芯两套绕组的共磁路式，结构简单。两套绕组分别为粗机（单极旋变）和精机（多极旋变），用于满足定位精度较高的位置伺服等需求场合。

如图2所示，双通道旋转变压器含有粗机和精机两套绕组。粗机的次级绕组输出两路正弦信号周期与转子转动周期相同，而精机的输出绕组输出的两路正弦信号周期与转子转动周期之比为1：N，N为极对数。

粗角度位置测量由单极旋变完成，精角度位置测量由多极旋变完成，通过粗机、精机组合完成360°机械角度的高精度测量。本文采用的双通道旋变型号为J150XFSW001型无刷分装式双通道旋变。励磁频率为400 Hz，变压比为3：1，极对数为1:32，精机电气误差≤±8.2″[13]。

共引出10根信号线，其中RH与RL为励磁信号，为正弦交流信号。双通道旋变粗机和精机的绕组分别输出两套正余弦信号。粗机输出的感应信号分别为余弦差分信号对cos1+、cos1-，正弦差分信号对sin1+、sin1-。精机输出的感应信号分别为余弦差分信号对cos2+、cos2-，正弦差分信号对sin2+、sin2-。余弦信号与正弦信号间相位差90°。粗机（单极旋变）和精机（多极旋变）的次级绕组的直流电阻通常不一致，可用来对粗机输出和精机输出加以区分

图2　双通道旋转变压器结构示意图

1.3　双通道轴角数字转换模块

对于双通道旋变的解算，通常的方案是采用两套轴角数字转换模块，分别接双通道旋变的精机和粗机。利用处理器或FPGA（复杂可编程门阵列）读出两套数字解算电路的数值后，再进行数据整合和误差补偿。此类应用中常用的轴角数字模块有AD2S1210、AD2S1200、AD2S80A等。

本文采用轴角数字转换模块为HTS19R32-619-T5（中电科技43所生产），内部含有两套角度数字转换器和编程器纠错逻辑电路。粗通道完成12位模拟角到数字角的转换，精通道完成14位模拟角到数字角的转换，然后将粗精转换的数字角度分别送入编程纠错逻辑电路，完成误差处理与纠错后，输出一个19位并行二进制数字量，送入输出缓存器缓冲输出数字角，完成全部转换[14]。与采用两套相同的轴角数字模块的方案相比，数字处理器的软件解算任务量较小，接口电路比较简单。

HTS19R32-619轴角数字转换模块的输入的模拟信号分为两类：一类为粗机和精机次级绕组输出的正余弦信号，要求的信号电压有效值为3 V；另一类为参考电压信号，要求的信号电压有效值7 V，相位和频率与粗机精机的初级绕组励磁信号相同。信号频率与通道旋变相符合为400 Hz。规定的粗、精组合的比速为1：32，与双通道旋转变压器的极对数相匹配。轴角数字转换模块HTS19R32-619-T5的输入信号主要包括：

1）参考信号RH、RL，这两个信号也是双通道旋变的励磁信号；

2）旋转变压器感应信号 cos1+、cos1-、sin1+、sin1-、cos2+、cos2-、sin2+、sin2-；

轴角数字转换模块的控制信号包括：

1.4　励磁电源

励磁电源选择HOSC2758A（中电科技43所生产），输出正弦波信号的电压有效值可以通过串接电阻调整大小（0～7 V），频率可通过外接电容进行调整。如图3所示。

图3　励磁芯片引线关系

外接电容和工作频率满足公式（1）：

外接电容需用一类陶瓷电容，本文中励磁频率为400 Hz，C1和C2为25 nF，由10 nF和15 nF的电容并联得到。

所需要的电压有效值满足公式（2）

本文需用电压有效值为7 V，R取0Ω。

2　硬件电路设计

图4为系统的原理图，励磁芯片HOSC2758A输出的励磁信号根据需要进行放大后施加到双通道旋转变压器，同时作为参考信号输入到轴角转换芯片HTS19R32。双通道旋转变压器的输出信号引入到轴角转换芯片。系统采用TMS320F28335型DSP作为主控CPU，它是电机数字控制专用的高速DSP，能够提供电机数字控制单片解决方案所必需的外围设备[15]。DSP通过通用输入输出引脚（GPIO）对轴角转换芯片进行控制，通过数据总线接收轴角转换芯片解算输出的角度信息。由于DSP和轴角转换芯片逻辑电路电平不一致，通过3片电平转换芯片SN74LVTH244完成电平转换。

图4　系统原理图

3　软件流程

3.1　读取时序

HTS19R32-619-T5型双通道旋转变压器-数字转换器数据的读取时序如下：

3.2　中断函数流程

在利用伺服电机驱动的位置伺服控制应用中，往往采用三级闭环控制[16]。双通道旋转变压器一般作为位置环的位置反馈传感器。其读取周期一般大于速度环读取周期。

图5　数据读取时序图

在本文中，设置定时中断周期为133 μs，在中断产生后读取位置环角度位置值用于反馈控制。将HTS19R32地址分配至TMS320F28335的XINTF Zone 6，读取地址0x100000可将该角度位置值读入。其软件流程如图6所示。

4　测量结果

图6　中断函数流程图

本文所采用的双通道旋转变压器与一台转速0～3 r/min的设备同轴固定安装，以0.5 r/min的速度驱动旋转设备。通过TMS320F28335每隔133 μs读取一次位置值，并将结果传输到观测窗口，角度测量斜坡线如下图7所示。纵坐标为角度值放大100倍，单位为rad。横坐标为读数次数，每隔133 μs读取一次。每90000次读数即120 s，旋转变压器转子随设备转动部分旋转一周。