基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的高精度測角系統(tǒng)設(shè)計

崔建飛，孫鳳鳴

（1.天津津航計算技術(shù)研究所天津300300；2.天津市航空電子綜合顯示控制重點實驗室天津300300；3.中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院，天津300300）

在運動系統(tǒng)的精密控制領(lǐng)域，角度位置的測量至關(guān)重要，常用的角度位置傳感器包括光電編碼器[1]、霍爾傳感器[2]、旋轉(zhuǎn)變壓器[3]（以下簡稱旋變）等種類。其中旋轉(zhuǎn)變壓器以其環(huán)境適應(yīng)性高、使用可靠、使用壽命長等優(yōu)點[1]，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)伺服[4]，航空航天[5]、火炮控制[6]等領(lǐng)域，也廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、汽車機(jī)械、機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)等領(lǐng)域[7]。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器通過單極線圈和多極線圈的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)角秒級精度的角度位置測量。通常的研究工作是將單極線圈和多極線圈分別進(jìn)行測量后再通過處理器或FPGA等進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和誤差補(bǔ)償[8-12]。本文的軸角解算電路則采用集成的軸角轉(zhuǎn)換芯片，可以對雙通道旋變進(jìn)行直接的解算，不需要處理器或FPGA再進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和誤差補(bǔ)償。硬件接口簡單，集成度相對較高，軟件開銷少。

1　系統(tǒng)設(shè)計

1.1　簡介

本測角系統(tǒng)由雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器、勵磁電源芯片、軸角轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)字信號處理器（DSP）組成，如圖1所示。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)動部分與回旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸固定，激磁電源芯片輸出的正弦交流信號進(jìn)入到旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁線圈，旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)生成的信號經(jīng)調(diào)理電路輸入到軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片可以將旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組輸出的正交信號轉(zhuǎn)換為表示角度的數(shù)字量。經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路后由DSP讀取。

圖1　測角系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2　雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變，主要由線圈組成。通常包括激磁繞組和次級繞組兩部分。輸入即激磁繞組上施加外部正弦激勵信號。勵磁信號輸入初級繞組通過電磁耦合互感的原理，在兩組相位相差90°的次級繞組上分別產(chǎn)生與勵磁信號頻率相同，幅值根據(jù)轉(zhuǎn)子相位變化的正余弦信號。旋轉(zhuǎn)變壓器按照極對數(shù)可分為單極旋變和多極旋變。單極旋變的電氣誤差通常為角分級，而多極旋變的電氣誤差通常可達(dá)角秒級。

雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器由單極和多極旋變組成一體，通常采用同一鐵芯兩套繞組的共磁路式，結(jié)構(gòu)簡單。兩套繞組分別為粗機(jī)（單極旋變）和精機(jī)（多極旋變），用于滿足定位精度較高的位置伺服等需求場合。

如圖2所示，雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器含有粗機(jī)和精機(jī)兩套繞組。粗機(jī)的次級繞組輸出兩路正弦信號周期與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動周期相同，而精機(jī)的輸出繞組輸出的兩路正弦信號周期與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動周期之比為1：N，N為極對數(shù)。

粗角度位置測量由單極旋變完成，精角度位置測量由多極旋變完成，通過粗機(jī)、精機(jī)組合完成360°機(jī)械角度的高精度測量。本文采用的雙通道旋變型號為J150XFSW001型無刷分裝式雙通道旋變。勵磁頻率為400 Hz，變壓比為3：1，極對數(shù)為1:32，精機(jī)電氣誤差≤±8.2″[13]。

共引出10根信號線，其中RH與RL為勵磁信號，為正弦交流信號。雙通道旋變粗機(jī)和精機(jī)的繞組分別輸出兩套正余弦信號。粗機(jī)輸出的感應(yīng)信號分別為余弦差分信號對cos1+、cos1-，正弦差分信號對sin1+、sin1-。精機(jī)輸出的感應(yīng)信號分別為余弦差分信號對cos2+、cos2-，正弦差分信號對sin2+、sin2-。余弦信號與正弦信號間相位差90°。粗機(jī)（單極旋變）和精機(jī)（多極旋變）的次級繞組的直流電阻通常不一致，可用來對粗機(jī)輸出和精機(jī)輸出加以區(qū)分

圖2　雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3　雙通道軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊

對于雙通道旋變的解算，通常的方案是采用兩套軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，分別接雙通道旋變的精機(jī)和粗機(jī)。利用處理器或FPGA（復(fù)雜可編程門陣列）讀出兩套數(shù)字解算電路的數(shù)值后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和誤差補(bǔ)償。此類應(yīng)用中常用的軸角數(shù)字模塊有AD2S1210、AD2S1200、AD2S80A等。

本文采用軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊為HTS19R32-619-T5（中電科技43所生產(chǎn)），內(nèi)部含有兩套角度數(shù)字轉(zhuǎn)換器和編程器糾錯邏輯電路。粗通道完成12位模擬角到數(shù)字角的轉(zhuǎn)換，精通道完成14位模擬角到數(shù)字角的轉(zhuǎn)換，然后將粗精轉(zhuǎn)換的數(shù)字角度分別送入編程糾錯邏輯電路，完成誤差處理與糾錯后，輸出一個19位并行二進(jìn)制數(shù)字量，送入輸出緩存器緩沖輸出數(shù)字角，完成全部轉(zhuǎn)換[14]。與采用兩套相同的軸角數(shù)字模塊的方案相比，數(shù)字處理器的軟件解算任務(wù)量較小，接口電路比較簡單。

HTS19R32-619軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸入的模擬信號分為兩類：一類為粗機(jī)和精機(jī)次級繞組輸出的正余弦信號，要求的信號電壓有效值為3 V；另一類為參考電壓信號，要求的信號電壓有效值7 V，相位和頻率與粗機(jī)精機(jī)的初級繞組勵磁信號相同。信號頻率與通道旋變相符合為400 Hz。規(guī)定的粗、精組合的比速為1：32，與雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的極對數(shù)相匹配。軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊HTS19R32-619-T5的輸入信號主要包括：

1）參考信號RH、RL，這兩個信號也是雙通道旋變的勵磁信號；

2）旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)信號 cos1+、cos1-、sin1+、sin1-、cos2+、cos2-、sin2+、sin2-；

軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的控制信號包括：

1.4　勵磁電源

勵磁電源選擇HOSC2758A（中電科技43所生產(chǎn)），輸出正弦波信號的電壓有效值可以通過串接電阻調(diào)整大小（0～7 V），頻率可通過外接電容進(jìn)行調(diào)整。如圖3所示。

圖3　勵磁芯片引線關(guān)系

外接電容和工作頻率滿足公式（1）：

外接電容需用一類陶瓷電容，本文中勵磁頻率為400 Hz，C1和C2為25 nF，由10 nF和15 nF的電容并聯(lián)得到。

所需要的電壓有效值滿足公式（2）

本文需用電壓有效值為7 V，R取0Ω。

2　硬件電路設(shè)計

圖4為系統(tǒng)的原理圖，勵磁芯片HOSC2758A輸出的勵磁信號根據(jù)需要進(jìn)行放大后施加到雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器，同時作為參考信號輸入到軸角轉(zhuǎn)換芯片HTS19R32。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號引入到軸角轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)采用TMS320F28335型DSP作為主控CPU，它是電機(jī)數(shù)字控制專用的高速DSP，能夠提供電機(jī)數(shù)字控制單片解決方案所必需的外圍設(shè)備[15]。DSP通過通用輸入輸出引腳（GPIO）對軸角轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制，通過數(shù)據(jù)總線接收軸角轉(zhuǎn)換芯片解算輸出的角度信息。由于DSP和軸角轉(zhuǎn)換芯片邏輯電路電平不一致，通過3片電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVTH244完成電平轉(zhuǎn)換。

圖4　系統(tǒng)原理圖

3　軟件流程

3.1　讀取時序

HTS19R32-619-T5型雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的讀取時序如下：

3.2　中斷函數(shù)流程

在利用伺服電機(jī)驅(qū)動的位置伺服控制應(yīng)用中，往往采用三級閉環(huán)控制[16]。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器一般作為位置環(huán)的位置反饋傳感器。其讀取周期一般大于速度環(huán)讀取周期。

圖5　數(shù)據(jù)讀取時序圖

在本文中，設(shè)置定時中斷周期為133 μs，在中斷產(chǎn)生后讀取位置環(huán)角度位置值用于反饋控制。將HTS19R32地址分配至TMS320F28335的XINTF Zone 6，讀取地址0x100000可將該角度位置值讀入。其軟件流程如圖6所示。

4　測量結(jié)果

圖6　中斷函數(shù)流程圖

本文所采用的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器與一臺轉(zhuǎn)速0～3 r/min的設(shè)備同軸固定安裝，以0.5 r/min的速度驅(qū)動旋轉(zhuǎn)設(shè)備。通過TMS320F28335每隔133 μs讀取一次位置值，并將結(jié)果傳輸?shù)接^測窗口，角度測量斜坡線如下圖7所示。縱坐標(biāo)為角度值放大100倍，單位為rad。橫坐標(biāo)為讀數(shù)次數(shù)，每隔133 μs讀取一次。每90000次讀數(shù)即120 s，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子隨設(shè)備轉(zhuǎn)動部分旋轉(zhuǎn)一周。

圖7　DSP讀取旋轉(zhuǎn)角度值

5　結(jié)論

本文利用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度測量傳感器，軸角轉(zhuǎn)換芯片HTS19R32與DSP芯片TMS320F28335構(gòu)成高精度位置檢測電路，其外圍接口電路簡潔，軟件任務(wù)量較小，能夠?qū)崿F(xiàn)角度位置的精確測量，滿足角度位置伺服系統(tǒng)的要求。