周 瑋 張 軍 王斯琪 朱 凱 徐子立

(中國電力科學(xué)研究院武漢分院，武漢 430074)

0 引言

數(shù)字測角系統(tǒng)是現(xiàn)代加工定位系統(tǒng)最重要的組成部分之一。感應(yīng)同步器由于具有耐惡劣環(huán)境、能力強、精度高、可靠性好以及價格較低等特點，基于感應(yīng)同步器的數(shù)字測角系統(tǒng)在位置測量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域?qū)y角系統(tǒng)精度提出了越來越高的要求[1]?；诟袘?yīng)同步器的測角系統(tǒng)中應(yīng)用最多的方法是采用軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片將感應(yīng)同步器兩相分段繞組輸出的正、余弦信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字位置信號進(jìn)行處理。但其軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片中的積分環(huán)節(jié)和VCO的線性范圍限制了其測量精度，當(dāng)輸入控制電壓和跟蹤轉(zhuǎn)速提高到某一定值時，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。為簡化測量系統(tǒng)，提高測量精度，本文介紹對感應(yīng)同步器輸出信號采用時鐘細(xì)分的測量方法。

1 時鐘細(xì)分方法測角原理

以感應(yīng)同步器勵磁信號作為基準(zhǔn)信號ui，其波形運動速度為V。設(shè)轉(zhuǎn)子運動速度為v，當(dāng)傳感器的轉(zhuǎn)子停止時，感應(yīng)輸出信號u0和基準(zhǔn)信號ui都以速度V運動，信號周期為T。設(shè)兩者在初始t0時刻的相位差為0，u0在t1時刻移動一個節(jié)距W，基準(zhǔn)信號在t2時刻移動了一個節(jié)距W。可以得到如下關(guān)系式[2]：

(1)

(2)

(3)

由式(3)可以看出，通過測量時間差可以求得空間上的位移量。即通過變換，時域信號上的時間差ΔT具有了確定的空間意義。時間差ΔT如果用高頻高精度時鐘脈沖Pt對其進(jìn)行細(xì)分和計量，則位移變化就可以通過∑Pt的變化來反應(yīng)，其關(guān)系式

(4)

通過時鐘脈沖Pt可以求出空間位移量x，再通過高頻時鐘脈沖對時間差進(jìn)行細(xì)分，其分辨率以及測量精度取決于脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)多少。

為了便于時鐘脈沖細(xì)分，需要把感應(yīng)輸出信號u0和基準(zhǔn)信號ui分別送入高精度比較器轉(zhuǎn)換成方波信號。根據(jù)兩路信號上升沿的時間差產(chǎn)生門控信號A，通過對門控信號進(jìn)行時鐘細(xì)分計數(shù)可測得其對應(yīng)的開啟時間ΔT。設(shè)門控信號內(nèi)時間脈沖計數(shù)值為n，信號整周期內(nèi)計數(shù)值為n0，則相位差θx和位移量x分別為

θx=2p ΔT/T=2pn/n0

(5)

(6)

式中，p為感應(yīng)同步器對極數(shù)。設(shè)傳感器輸出信號頻率為ω，時鐘脈沖頻率為ω0，則一個細(xì)分脈沖時間Pt對應(yīng)的位移量Px為

(7)

因此，選取的時鐘脈沖頻率越高就可以得到越小的分辨率，時鐘脈沖細(xì)分的測量方法可以比其它方法得到更高的分辨率。采用高速、高精度的FPGA和CPLD芯片能夠提供高達(dá)數(shù)百兆的信號處理速度，能夠滿足時鐘脈沖細(xì)分測量的要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于脈沖細(xì)分的感應(yīng)同步器測角系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)臺、勵磁電源、信號提取電路、FPGA控制模塊、LED顯示、串口通信以及PC機構(gòu)成。激磁電源驅(qū)動感應(yīng)同步器產(chǎn)生電磁感應(yīng)，轉(zhuǎn)子連續(xù)繞組產(chǎn)生與激磁信號相同頻率的正弦微弱信號，經(jīng)過提取電路放大和濾波后把信號變換為方波信號輸入FPGA，然后利用時鐘脈沖細(xì)分方法進(jìn)行位置測量[3]。測試數(shù)據(jù)通過串口實時傳送到上位機并在LED上顯示。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

硬件電路主要由FPGA、激磁電源和信號調(diào)理電路組成。相比軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換的方法，系統(tǒng)采用省去了A/D和鎖相環(huán)環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單。FPGA選用Altera公司的EP3C10E144C8N芯片，它是一款低成本芯片，具有10320個邏輯單元，2個PLL，423個18×18嵌入式乘法器、10個全局時鐘網(wǎng)絡(luò)，滿足系統(tǒng)要求。以FPGA作為控制核心，且這套系統(tǒng)容易實現(xiàn)功能擴(kuò)展和升級[4]。

2.1 信號調(diào)理電路設(shè)計

基于時鐘脈沖細(xì)分方法的角度測量只使用了信號過零點的信息，所以對零電平波動很敏感，很容易受到噪聲的干擾[5]。為了得到干凈的方波序列信號，采用兩片AD8221芯片進(jìn)行兩級差分放大的方式，和高精度過零比較器LM211組成信號調(diào)理電路，如圖2所示。

圖2 信號調(diào)理電路原理

AD8221是一款高性能儀表放大器，具有低電壓失調(diào)、低失調(diào)漂移以及高CMRR特性。差分輸入放大方式能夠很好抑制共模干擾信號[6]，信號調(diào)理電路具有一定的抗干擾能力，滿足角度測量要求。

2.2 激勵電源設(shè)計

激磁電源由FPGA正余弦數(shù)字波形產(chǎn)生模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、濾波輸出模塊和功率放大模塊組成。正余弦數(shù)字信號是采用DDS技術(shù)產(chǎn)生的，能夠精確控制信號的波形頻率和相位，可以使激磁電源提高穩(wěn)定性和精度。在當(dāng)前數(shù)字領(lǐng)域中，數(shù)字信號發(fā)生器的設(shè)計多采用這種技術(shù)。

2.3 時鐘脈沖細(xì)分計數(shù)電路設(shè)計

由式(3)可知，要測量角位移x，需要測量門控信號開啟時間ΔT和方波信號整周期時間T。時鐘脈沖細(xì)分計數(shù)電路通過計數(shù)器計算ΔT和T時間內(nèi)的時鐘脈沖個數(shù)n和n0，然后把計數(shù)值送入嵌入式內(nèi)核。盡管經(jīng)過信號調(diào)理電路的抗噪處理，但是其輸出方波信號仍然會產(chǎn)生細(xì)微波動，所以對時鐘脈沖細(xì)分計數(shù)電路的設(shè)計采用了觸發(fā)器的邊沿觸發(fā)和鎖存功能等措施，具有很高的抗噪能力。

2.4 門控時間計算和辨向

嵌入式內(nèi)核實時采集時鐘計數(shù)器數(shù)值并計算門控信號開啟時間ΔT和方波信號周期T。傳感器轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個節(jié)距，信號就會移動一個周期，而計數(shù)器在時間ΔT內(nèi)的計數(shù)值n只是一個信號周期內(nèi)的計數(shù)值。當(dāng)轉(zhuǎn)子正向轉(zhuǎn)動每超過一個節(jié)距時，n會發(fā)生從最大值向最小值跳變；當(dāng)其反向轉(zhuǎn)動每超過一個節(jié)距時，n會由最小值向最大值跳變。所以在門控時間計算時需要進(jìn)行辨向設(shè)計[7]。ΔT計算和辨向流程圖如圖3。

圖3 ΔT計算和辨向流程圖

其中m為周期數(shù)，n0為信號周期內(nèi)計數(shù)值。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動超過一個極距，計數(shù)器送入內(nèi)核的數(shù)值會有一個周期的跳變，所以可以通過檢測這個跳變進(jìn)行辨向。

3 實驗分析

根據(jù)上述思路搭建基于時鐘脈沖細(xì)分的感應(yīng)同步器角位移測量系統(tǒng)，配以高精度光柵測角系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性實驗和精度實驗。實驗采用的感應(yīng)同步器為360對極，激磁頻率為10kHz，時鐘脈沖頻率為100GHz，所采用的光柵測角系統(tǒng)精度為±0.5″。

穩(wěn)定性測試是在一段時間內(nèi)對傳感器在某一固定位置處的測量值進(jìn)行采集，觀察采集的樣本值在這段時間內(nèi)的波動情況。理論上該值是一個定值，但實際上在各種噪聲干擾下該值會隨時間微小振動。圖4為系統(tǒng)穩(wěn)定性測試曲線，從圖中可以看出基于時鐘脈沖細(xì)分的測角系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到±0.6″，滿足實際測角要求。在整周范圍內(nèi)測量結(jié)果與作為標(biāo)準(zhǔn)器的高精度光柵整周實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，實驗結(jié)果表明該測角系統(tǒng)示值誤差為±3″。

圖4 讀數(shù)穩(wěn)定性測試

4 結(jié)束語

基于脈沖細(xì)分的測角方法，采用具有并行信號處理能力的FPGA作為核心處理單元構(gòu)建了感應(yīng)同步器的測角系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于時鐘脈沖細(xì)分的測角方法細(xì)分?jǐn)?shù)高，省去了A/D和鎖相環(huán)環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)，并有利于系統(tǒng)小型化。通經(jīng)實驗測試，測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度為±3″。脈沖細(xì)分法對感應(yīng)同步器測角系統(tǒng)測量精度進(jìn)一步提高提供借鑒，具有實用價值。

[1] 趙學(xué)增.現(xiàn)代傳感技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,2010

[2] 陳錫侯.新型時柵位移傳感器研究[學(xué)位論文].重慶:重慶大學(xué),2007

[3] Wang Xianquan,Wu Min,Zhu Ge,Feng Jiqin.Detection and Compensation of Amplitude Error and Quadrature Error for Inductosyn.2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation (ICMTMA 2010)，Changsha,2010

[4] 林華安,錢衛(wèi)飛.基于ARM和FPGA數(shù)控信號發(fā)生器的設(shè)計.計量技術(shù),2011(5)

[5] 王安敏,崔偉,牛傳猛.基于AT89C52和AD2S83的圓感應(yīng)同步器測角系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器,2009,9:55-57

[6] Liu Chengjun，Zou Jibin.Partial element equivalent circuit model of inductosyn.Proceedings of the CSEE.2010，6:018-022

[7] Lou Lina，Zhu Ge，Wang Xianquan，Wu Liang.Error Research and Software Compensation of Inductosyn Angle Measuring System.Computer Measurement & Control.2010，8：1730-1732