低成本實用型旋轉變壓器解碼系統設計

張偉鵬 楊瑞峰 郭晨霞

摘? 要： 目前，測量角位移的光電碼盤體積大而且對使用環境要求苛刻，不適用于某些特殊場合，如果直接使用旋轉變壓器測量，又因為其輸出信號中混合有許多雜波信號，所以給精確解碼造成了很大困難。因此，設計通過使用AD公司的專用解碼芯片AD2S1210配合STC89C52單片機以及外圍的調理電路、濾波放大電路等構成的旋轉變壓器角位移測量系統來滿足工程中角位移測量精度高的需求。通過搭建角位移測量系統的實驗平臺對實驗數據進行分析后，得出最終解碼角度誤差可達到0.055°，可滿足一般的應用需求，具有較高的實際應用價值。

關鍵詞： 角度跳變; 角位移測量; 巴特沃斯濾波; 光電編碼器; 閉環角度跟蹤法; 角度解算

中圖分類號： TN76?34; TM383.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）09?0154?03

Design of decoding system for low cost practical rotary transformer

ZHANG Weipeng， YANG Ruifeng， GUO Chenxia

（School of Instrument and Electronics， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： At present， the photoelectric code disc used to measure the angular displacement is large and demanding in service environment. Therefore， it is not suitable for some special occasions. However， if the resolver is directly used to measure the angular displacement， it is very difficult to decode accurately because of the clutter signals mixed in the output signal. Thus， in this design， the resolver angular displacement measurement system composed of AD2S1210 special decoding chip of AD company in combination with SCM STC89C52， as well as peripheral conditioning circuit and filter amplifier circuit， is used to meet the need of high precision of angle displacement measurement in engineering. The experimental platform of angle displacement measurement system is built and the experimental data are analyzed. It shows that the final decoding accuracy can reach 0.055°， which can meet the general application requirement. Therefore， it has a high value in the practical application.

Keywords： angle jump; angle displacement measurement; Butterworth filter; photoelectric encoder; closed?loop angle tracking method; angle solution

0? 引? 言

在伺服控制的許多領域需要角位移傳感器來獲取軸角位移，而大多數獲取軸角位置的傳感器分為光電編碼器、磁編碼器。而這些傳感器的體積、使用條件和價格昂貴，限制了一些對成本、精度要求不高的產品的使用。在此背景下，旋轉變壓器由于其體積小、穩定性高、壽命長、耐油污、抗擊壓等優點，成為角位移測量領域非常好的選擇。但是目前通過算法實現的解碼對微處理器性能要求高，而且價格昂貴，不利于推廣[1?5]。本設計采用專用的解碼芯片AD2S1210，配合外圍電路和STC89C52單片機，嚴格控制成本，在價格低廉的情況下，也使解碼精度達到0.055°，滿足了大多數領域的使用，穩定性好，對產品的普及有非常大的實用價值。

1? 正余弦旋轉變壓器工作原理

正余弦旋轉變壓器的原理圖如圖1所示。其中，[S1]/[S2]和[S3]/[S4]為旋轉變壓器的定子繞組，[R1]/[R2]和[R3]/[R4]為旋轉變壓器的轉子繞組。在旋變的定子繞組[S1]/[S2]接交流激勵電壓為[Uf]，頻率為[f]時，理想情況下，兩個轉子繞組產生兩路正交幅值的調制信號[6?7]，如式（1）所示：

[ErA=4.44fNrkNr?mcos θ=kufcos θErB=4.44fNrkNr?msin θ=kEufsin θ] （1）

式中：[?m]為軸線[S1]/[S2]的脈振磁場;[f]為激勵信號頻率;[k=NrKNrNsKNs]為定轉子上兩組繞組上的有效匝數比值，[Ns]為定子繞組的匝數，[Nr]為轉子繞組的匝數，[KNs]為定子繞組的繞組系數，[KNr]為轉子繞組的繞組系數;[uf]為定子端輸入的激勵信號[8]。

2? 硬件設計

該設計以AD2S1210作為解碼芯片，結合外圍電路的搭建進行單片機編程，通過上位機界面讀出角度信息。

2.1? AD2S1210工作原理

AD2S1210的工作過程主要由內部集成的激勵信號發生器向旋轉變壓器提供激勵信號，將承載位置信息的兩路正余弦模擬信號輸入到解碼芯片中，經過二階環路跟蹤輸入信號，并將正余弦輸入端的信息轉換為輸入角度和速度所對應的數字量[9]。其二階角度解碼算法如圖2所示。

圖2中的[K1=sin θsin ωt]與[K2=cos θsin ωt]為旋轉變壓器輸出給AD2S1210的解碼信號，[ω]為旋轉變壓器激勵信號的角頻率，[θ]為旋轉變壓器定、轉子相對位置，[φ]由AD2S1210的解碼系統產生，其原理為：轉換器內部的模擬乘法器將旋轉變壓器的輸出信號[K1]與[cos φ]，[K2]與[sin φ]分別按一定的衰減系數進行乘法運算得到[10?11][W1]和[W2]如下：

[W1=E0sin ωt sin θcos φW2=E0sin ωtcos θsin φ] （2）

將式（2）的兩項做差后得到[Ur]為：

[Ur=E0sinωt（sin θcosφ-cos θsin φ）=E0sinωtsin（θ-φ）] （3）

利用解調器內部合成的基準信號來解調式（3）后得到式（4），在式（4）中，當[θ-φ≈0]時，有[sin（θ-φ）≈θ-φ]，利用角度跟蹤使得[U=0]時，則[θ≈φ]，便完成了角度解碼，其角度解碼的角度值為[φ]。

[U=sin（θ-φ）] （4）

2.2? 外圍電路設計

該外圍電路主要由主控制單片機、解碼轉換器AD2S1210、旋變激勵信號的濾波放大電路、旋變輸出信號的濾波調理電路等構成。其中，激勵信號濾波放大電路如圖3所示，其解碼芯片輸出有很大噪聲的激勵信號[exc]，[exc]，通過該電路濾波放大后輸出給旋轉變壓器。經實測該電路相移10°左右，小于解碼芯片的鎖相誤差范圍±44°。調理濾波電路如圖4所示，由于旋轉變壓器內部存在共模、噪聲等干擾，導致輸出兩路正余弦信號，波形失真嚴重，并不能達到理想的要求，雖然對旋轉變壓器一次側繞組D3/D4短接，其余繞組按之前接法，但旋變輸出信號仍然不理想，經過圖4電路后輸出信號達到了解碼要求。

3? 軟件設計

軟件設計包括上位機軟件設計和下位機軟件設計。首先對下位機軟件進行詳述，其包括系統復位、初始化配置、獲取命令、運行狀態等，如圖5所示。上位機軟件如圖6所示，為LabVIEW編寫，該上位機軟件主要負責為用戶提供所需功能，包括串口設置窗口、角位移波形窗口、寫入串口、讀取緩存區、保存數據、退出程序、停止采集按鈕。能夠實現實時輸出角度位置信息和角位移波形曲線，對于其輸出的角位移信息可以實現文本保存和數據回放。

4? 系統測試及結果分析

在該系統測試過程中，如圖7所示，搭建角度測量系統，其所用到的儀器主要有：旋轉變壓器、解碼系統電路板、筆記本電腦、光電編碼器、安捷倫示波器、直流電源、固定支架、聯軸器。其中，直流電源給解碼系統提供15 V供電，示波器用來觀測AD2S1210輸出激勵信號的波形和旋變輸入給解碼系統的波形，光電編碼器用來與旋變輸出角度值作對比，固定支架用來把旋變和光電編碼器轉軸通過聯軸器緊密固定。將旋轉變壓器接在解碼系統板上，把光電編碼器放在支架上，通過聯軸器與旋轉變壓器轉軸固定，此時要注意，二者必須保證同軸度，解碼系統板通過串口線與電腦連接，打開測試軟件，調整旋變，直到旋變測量系統輸出值為0，此時，將光電編碼器輸出清零作為初始，所測得的數據經過處理后如圖7所示。

由圖8可以看出，在16位分辨率下，誤差達到了10 LSB，精度為0.055°。分析誤差原因主要來源于光電編碼器自身也存在誤差，還有解碼系統電路中元器件的精度與溫度影響，都會影響解碼性能，給解碼系統的測試結果帶來誤差。

5? 結? 語

本文基于AD2S1210解碼芯片配合STC89C52單片機，通過分析解碼原理與外圍電路的搭建分析，搭建了角位移測量系統的實驗平臺。利用LabVIEW編制的上位機界面進行數據采集，通過Matlab進行數據分析，最后得出該解碼系統精度達到0.055°，可滿足一般的應用需求。由于該解碼系統元器件選擇和線路的屏蔽不好，會受環境中其他噪聲的影響，導致解碼出現誤差，今后在設計優化過程中，一方面從元器件選型入手，另一方面從信號屏蔽入手，進行更深入的研究。

參考文獻

[1] 帥浩，楊瑞峰，郭晨霞.旋轉變壓器的數字解碼算法研究[J].中國科技論文，2014，10（9）：1192?1195.

[2] 崔業兵，許敬，李裕，等.電動伺服旋轉變壓器的激磁放大電路研究[J].現代電子技術，2016，39（24）：167?171.

[3] 郭晨霞，楊瑞峰，帥浩，等.旋轉變壓器的低成本角位移測量系統[J].中北大學學報，2016，37（3）：304?310.

[4] 李育龍，皮大偉，閆明帥.基于AD2S1205的旋變解碼系統設計[J].電子技術應用，2018，44（9）：71?74.

[5] 龐岳峰，陳建友，樊全鑫，等.雙通道旋轉變壓器解碼算法改進[J].電子科技，2018，32（1）：1?5.

[6] 劉蕓邑，鄭婕，李燕，等.基于AD2S1210的旋變解碼電路設計[J].紅外技術，2016，38（12）：1042?1046.

[7] 程胭脂，麻友良，李樂榮，等.旋轉變壓器軟件解碼系統研究[J].科技通報，2016，32（8）：186?120.

[8] 李長兵，吳玉新，楊懷彬.基于TMS320F2808的旋轉變壓器數字解算方法[J].微電機，2014，47（8）：57?60.

[9] 艾勝，任強，程思為，等.一種大功率永磁電機旋轉變壓器位置補償方法[J].電力電子技術，2018，52（2）：13?15.

[10] 劉記龍，肖飛，麥志勤，等.一種簡便高效的旋轉變壓器位置信號濾波算法[J].電力電子技術，2017，51（6）：95?97.

[11] 李偉偉.旋轉變壓器軸角數字變換技術（一）綜述[J].伺服控制，2015，7（5）：72?76.

[12] 張健，吳忠.旋轉變壓器輸出信號自動標定[J].北京航空航天大學學報，2014，40（3）：383?388.