楊 輝 何海龍 朱新勃 劉艷行

(西安電子工程研究所 西安 710100)

基于LabVIEW的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器軸角解調(diào)算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 輝 何海龍 朱新勃 劉艷行

(西安電子工程研究所 西安 710100)

采用圖形化編程軟件Lab VIEW對(duì)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的軸角解調(diào)算法進(jìn)行了研究。首先對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理和解調(diào)中存在的問題作了簡(jiǎn)單的介紹。接著對(duì)其粗精角的組合及糾錯(cuò)方法進(jìn)行了研究，并提出了一種粗精組合角糾錯(cuò)方法并通過lab view編程實(shí)現(xiàn)了其糾錯(cuò)過程。最后應(yīng)用本文所討論的方法在某轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)中進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法有較好的解碼速度和精度。

雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器；lab view；軸角解調(diào)；粗精組合；

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

在常用的光柵編碼器、霍爾傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器等角位置傳感器中，由于旋轉(zhuǎn)變壓器具有很強(qiáng)的抗沖擊震動(dòng)和溫度濕度變化能力，所以，它作為現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中廣泛使用的角位置測(cè)量元件，在各種導(dǎo)航制導(dǎo)、雷達(dá)天線跟蹤、火炮隨動(dòng)、數(shù)控機(jī)床及工業(yè)器人等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。

對(duì)于測(cè)角精度要求高的場(chǎng)合，多采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器，利用粗、精機(jī)信號(hào)組合的方法來提高測(cè)角精度。多極旋轉(zhuǎn)變壓器的解調(diào)可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件來實(shí)現(xiàn)[3，4]。采用硬件模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，雖然電路設(shè)計(jì)比較方便，但電路模塊的體積、重量和功耗都比較大，而且規(guī)格有限，價(jià)格昂貴[5，6]。因此，對(duì)于某些既需要綜合考慮體積、重量、功能性要求，又需要采用匯編語言實(shí)現(xiàn)的機(jī)載武器系統(tǒng)而言，對(duì)用軟件實(shí)現(xiàn)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗精機(jī)角解調(diào)的方法進(jìn)行研究具有很重要的工程意義。

Lab VIEW是一個(gè)完全的開放的儀器開發(fā)系統(tǒng)，利用它可以構(gòu)成任意形式的虛擬儀器，Lab VIEW提不但供了大量的函數(shù)庫供用戶直接調(diào)用，還提供了許多具有標(biāo)準(zhǔn)接口(如VXI，GPIB 等)儀器的驅(qū)動(dòng)程序，用戶可以使用現(xiàn)成的模塊方便地組建自己的測(cè)試系統(tǒng)。Lab VIEW使用圖標(biāo)表示功能模塊，使用圖標(biāo)間的連線表示各功能模塊間的數(shù)據(jù)傳遞，使用大多數(shù)工程師和科學(xué)家所熟悉的數(shù)據(jù)流程圖式的語言書寫程序源代碼，其編程過程與思維過程非常近似。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)角位置轉(zhuǎn)臺(tái)的精確控制，同時(shí)縮短其控制系統(tǒng)開發(fā)的周期，本文采用圖形化編程軟件Lab VIEW語言作為開發(fā)工具，進(jìn)行了角位置轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的研制，重點(diǎn)對(duì)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角解調(diào)算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了介紹。最后應(yīng)用設(shè)計(jì)的算法在角位置轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證實(shí)了本文方法的有效性。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器的基本原理

安裝在電機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)變壓器可以被看作是由激磁繞組和輸出繞組組成的一種能提供電機(jī)轉(zhuǎn)子絕對(duì)角位置的感應(yīng)式微電機(jī)。激磁繞組和輸出繞組分別被放置在定、轉(zhuǎn)子上，當(dāng)激磁繞組采用某個(gè)固定的交流電壓進(jìn)行勵(lì)磁時(shí)，輸出繞組上便會(huì)產(chǎn)生幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正、余弦函數(shù)關(guān)系的電壓[3]。單通道的旋轉(zhuǎn)變壓器粗精機(jī)組合原理如圖1所示。

假設(shè)采用如下的單頻信號(hào)進(jìn)行激磁：

Uref=U0cos(ωt)

(1)

圖1 單通道旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

當(dāng)轉(zhuǎn)角為θ時(shí)，其輸出的正、余弦信號(hào)為：

(2)

其中，U0表示輸入激磁信號(hào)幅值；ω為輸入激磁信號(hào)的頻率；θ表示轉(zhuǎn)軸的角位置；K0表示旋轉(zhuǎn)變壓器定子與轉(zhuǎn)子繞組間的比例系數(shù)；t表示轉(zhuǎn)軸的運(yùn)行時(shí)間。

(3)

由(3)式得：

(4)

2 雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗精角的組合及糾錯(cuò)

由于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器是將一個(gè)多極旋轉(zhuǎn)變壓器(精機(jī))和一個(gè)單極旋轉(zhuǎn)變壓器(粗機(jī))集成在一起構(gòu)成的，相比于單通道的旋轉(zhuǎn)變壓器，雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗、精機(jī)輸出的信號(hào)比較復(fù)雜，無法通過前文(4)式進(jìn)行計(jì)算來獲得被測(cè)軸轉(zhuǎn)過的實(shí)際角度。為了獲得被測(cè)軸轉(zhuǎn)過的實(shí)際角度，就需要對(duì)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗、精機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行組合及糾錯(cuò)處理，即真實(shí)軸角值所在的區(qū)間由粗級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，隨后再結(jié)合精級(jí)數(shù)據(jù)，通過粗精組合算法計(jì)算出真實(shí)軸角的精確值。

假設(shè)本文研究的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的粗精機(jī)極對(duì)數(shù)比為N：1，也就是說當(dāng)精軸角會(huì)轉(zhuǎn)過N圈時(shí)，粗軸角才轉(zhuǎn)過一圈。假設(shè)θC表示通過雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗機(jī)端輸出電壓UC_sin和UC_cos值獲得的粗機(jī)角值，同理，θJ表示利用精機(jī)輸出端電壓UJ_sin和UJ_cos值獲得的精機(jī)角值。在θC和θJ均已獲得的情況下，才可以根據(jù)下式(5)來進(jìn)行組合求解被測(cè)軸轉(zhuǎn)角θ的測(cè)量值。

(5)

其中，int[ ]表示取整運(yùn)算；N為雙通道旋變粗、精機(jī)極對(duì)數(shù)比，本文N=16.

由于在實(shí)際加工與裝配過程中存在的誤差等往往會(huì)影響得到雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗、精機(jī)理想配合的水平，所以在雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗精角的組合解算中，當(dāng)電機(jī)軸角處于兩個(gè)區(qū)間的邊界附近時(shí)，公式(5)中粗機(jī)θC的讀整數(shù)與真實(shí)軸角θ所在區(qū)間相比，很可能會(huì)發(fā)生多“1”或者少“1”的事情，進(jìn)而就會(huì)引起實(shí)際軸角θ的計(jì)算值與其真實(shí)值相差360°/N. 這種誤差是是粗精機(jī)組合系統(tǒng)中粗讀取整不可避免的誤差，依靠提高器件及電路精度只會(huì)減少產(chǎn)生這種差錯(cuò)的機(jī)率，但達(dá)到絕對(duì)避免這種原理性誤差是不可能的。因此，本文粗精機(jī)組合采用下式(6)來對(duì)上式(5)的取整區(qū)間進(jìn)行糾錯(cuò)判斷。

(6)

其中，θL即為糾錯(cuò)之后轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角的測(cè)試值.

根據(jù)上述糾錯(cuò)算法，設(shè)計(jì)的粗、精機(jī)角組合及糾錯(cuò)處理流程如下圖2 所示。

圖2 粗、精機(jī)角組合及糾錯(cuò)流程圖

3 解調(diào)算法的軟件實(shí)現(xiàn)

采用圖形化編程軟件Lab VIEW語言作為開發(fā)工具，以動(dòng)畫、圖表、曲線和虛擬面板的形式不但在上位機(jī)上可以完成測(cè)試所需的所有功能，管理檢測(cè)設(shè)備的供電，而且具有較高的可靠性、較高的運(yùn)行效率和較直觀的軟件操作界面。更重要的是Lab VIEW提供強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具，具有解反三角函數(shù)的功能，所以本文可以直接調(diào)用，這比使用其它軟件來實(shí)現(xiàn)編程要方便的多。根據(jù)(3)、(4)、(5)式利用旋轉(zhuǎn)變壓器的粗機(jī)輸出電壓與精機(jī)輸出電壓進(jìn)行首次求解粗精組合角度數(shù)的Lab VIEW程序框圖如圖3 所示。根據(jù)(6)式進(jìn)行糾錯(cuò)處理利的Lab VIEW程序框圖如圖4 所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)變壓器的粗精組合角度數(shù)首次求取程序

圖4 粗精組合角度數(shù)糾錯(cuò)處理程序

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的工作原理及性能要求，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)如圖5 所示，采用Lab VIEW編制的上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件如圖6和圖7所示。直流力矩電機(jī)采用J94XFS型雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器完成對(duì)電機(jī)角位移信號(hào)的采集并與期望值進(jìn)行比較，二者的偏差通過角位移PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后角位移PID控制器以速度信號(hào)的方式輸出調(diào)節(jié)量的大小并和XK型陀螺儀采集回來的電機(jī)角速度信號(hào)比較，它們的偏差再通過角速度PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出最終的調(diào)節(jié)量，這個(gè)調(diào)節(jié)量控制直流力矩電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器輸出相應(yīng)的控制信號(hào)去完成對(duì)電機(jī)的控制。

圖5 直流力矩電機(jī)PID雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

從圖6和圖7可以看出，本文采用圖形化編程軟件Lab VIEW語言作為開發(fā)工具，編制的上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件不但可以以動(dòng)畫、圖表、曲線和虛擬面板的形式在上位機(jī)上完成測(cè)試所需的所有功能，而且該軟件還具有較高的可靠性、較高的運(yùn)行效率和較直觀的軟件操作界面。

圖6 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)調(diào)試軟件主程序界面

圖7 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)調(diào)試軟件曲線觀測(cè)界面

5 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)奈奎斯特采樣定律的要求，要從上述轉(zhuǎn)臺(tái)所配的旋轉(zhuǎn)變壓器粗、精機(jī)端輸出電壓中解調(diào)出有效的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，就必須使采樣頻率最低不能低于此旋變激磁頻率(旋變的激磁頻率為800HZ)的兩倍，也即1600HZ。然而采樣頻率也不能盲目增大，否則會(huì)因?yàn)橛邢迺r(shí)間內(nèi)采集到的樣本數(shù)據(jù)太多而占用大量的內(nèi)存資源，降低伺服系統(tǒng)的運(yùn)行速度。為了保證在旋轉(zhuǎn)變壓器一個(gè)激磁周期內(nèi)能夠出現(xiàn)4次粗、精機(jī)解調(diào)的機(jī)會(huì)，本文的采樣頻率經(jīng)過權(quán)衡后最終取為32000HZ.

為檢驗(yàn)本文所提出的旋轉(zhuǎn)變壓器軸角解調(diào)算法的有效性和解調(diào)精度，首先做了轉(zhuǎn)臺(tái)的等間隔角轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試。由測(cè)試試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 角位置轉(zhuǎn)臺(tái)等間隔角轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)(單位：度)

從上表可以看出，采用本文提出的軸角組合及糾錯(cuò)處理算法對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的粗、精機(jī)角信息進(jìn)行處理，同時(shí)采用圖形化編程軟件Lab VIEW語言作為開發(fā)工具，編制的上位機(jī)軟件對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以將伺服轉(zhuǎn)臺(tái)在等間隔角轉(zhuǎn)動(dòng)的角位置誤差控制在0.10度以內(nèi)，表明提出的算法具有較高的解調(diào)精度。由于旋轉(zhuǎn)變壓器在0度附近存在標(biāo)度值的突變，而控制算法存在調(diào)節(jié)滯后等因素會(huì)造成轉(zhuǎn)臺(tái)在0度附近定位時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器的解調(diào)過程會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。

設(shè)定轉(zhuǎn)臺(tái)以10°/s的角速度進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，由內(nèi)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件畫出的轉(zhuǎn)臺(tái)角位置及角角速度曲線如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)臺(tái)角位置及角角速度

從圖8可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過本文算法解調(diào)后，其角位置隨時(shí)間的變化近似為斜率為10的一列鋸齒波。從圖8可以看出，本文用圖形化編程軟件Lab VIEW語言作為開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角解調(diào)算法具有很好高的解調(diào)精度和很好穩(wěn)定性。

6 結(jié) 語

本文采用圖形化編程軟件Lab VIEW語言作為開發(fā)工具，對(duì)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角解調(diào)算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。最后應(yīng)用設(shè)計(jì)的算法在角位置轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證實(shí)了本文方法不但具有較高的精度，而且明顯的縮短了系統(tǒng)開發(fā)的周期。

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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

楊輝(1983-)，男，工程師。研究方向?yàn)樽詣?dòng)檢測(cè)與儀器智能化，導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)。