CN102435133A - 一种基于fpga的旋转变压器测角系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于FPGA的旋转变压器测角系统，根据鉴相形测角装置，构建一种可用于模块化关节机器人控制器中的角度测量的，高集成度、可配置具有一定通用性、成本低廉、高精度的、基于FPGA平台的双通道旋转变压器测角系统提供旋转变压器所需的激励信号并对其的输出信号进行解算后输出角度值，包括：片内IP以产生数字形式的旋转变压器数字激励信号并且可计算由片外电路转换的旋转变压器输入的数字信号值、片外电路以进行励磁信号数模转换与功率放大并连接双通道旋转变压器进行输出值的模数转换。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，特别是涉及一种基于FPGA技术的旋转变压器高精度测角系统。
背景技术
高精度测角系统的核心外设是双通道旋转变压器(角度传感器)由于其高精度高可靠性应用广泛，本发明所面向的是工业级模块化关节机器人控制器中的角度测量问题。
由于旋转变压器输出的模拟信号需要通过专用的转换才能输入到计算机或其它控制系统，在普遍情况下需要使用专用芯片搭建旋转变压器测角系统如图2，但是同时也存在一些缺陷如下：
1、使用专用芯片要产生旋转变压器的激励信号，需要外围的电路配置频率等基本属性，且不能支持多种旋转变压器所需要的多种频率的激励信号；
2、使用专用芯片集成度低，需要外围电路配置基本属性且不能完成双通道旋转变压器的全部解码，且需要至少两块芯片进行解码工作而后依旧需要其后的控制单元(如单片机、DSP、FPGA)来完成对两路信号的后续耦合计算工作；
3、使用专用芯片成本过高，抑制了旋转变压器在普通系统中的使用。
发明内容
本发明主要针对解决上述问题，根据鉴幅型测量装置的改进，提供一种可用于模块化关节机器人控制器中的角度测量的，高集成度、可配置具有一定通用性、成本低廉、高精度的测角系统如图3所示。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：构建一个基于FPGA平台的双通道旋转变压器测角系统提供旋转变压器所需的激励信号并对其的输出信号进行解算后输出角度值，包括：片内IP以产生数字形式的旋转变压器数字激励信号并且可计算由片外电路转换的旋转变压器输入的数字信号值、片外电路以进行励磁信号数模转换与功率放大并连接双通道旋转变压器进行输出值的模数转换。
本发明中所述测角系统的片内IP进一步包括：提供旋转变压器激励电源的数字激励信号输出模块、进行旋转变压器信号转换后数字信号采样并取值的采样模块，进行采样后数字信号计算的解算算法模块、进行双通道信号解算后综合计算的粗精机耦合算法模块。
本发明中的数字激励信号产生使用DDS和CORDIC算法进行数字正弦信号的产生、采样通过分析振幅方式进行、解算模块使用CORDIC算法进行信号解算。
本发明中所述的测角系统的片外电路包括：提供旋转变压器激励电源数字信号转换和功率放大的电路、旋转变压器输出信号的转换电路。
本发明中系统最终可提供双通道旋转变压器粗机、精机、耦合三路数据输出。
本发明的优点在于：
1、借助FPGA技术将大量的算法写入片内，硬件进行大量的运算解放了上层控制MCU的大量资源空间提高系统的工作效率。
2、可将粗精机双通道的数据同时写入片内且耦合计算集成到片内不再需要后续计算提高了系统集成度，从而降低了专用解码芯片使用在工业级上节约了成本，减少了在普通系统中应用的影响。
3、由于FPGA的可重构特性以及算法的可配置性本系统的通用性强并且便于后续系统升级维护。
附图说明
图1基于旋转变压器的测角系统整体框图。
图2普通使用专用解码芯片搭建的测角系统框图。
图3本发明使用的基于FPGA的测角系统框图。
图4本发明中使用的DDS和CORDIC算法框图。
具体实施方式
首先说明本发明中涉及到的双通道旋转变压器进行说明：当变压器的一侧外施单相交流电压激磁时，另一侧输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系。使用正余弦双通道旋转变压器满足正余弦输出的函数关系，输出信号为：
Ecos＝Esin ωtcosθ (1)
Esin＝Esin ωtsinθ (2)
其中ω为激励电压的角速度与频率直接相关，θ为旋转变压器的转动角度。做为双通道旋变其转子旋转一周时，输出周期数不等的两正弦波电压，构成粗、精双通道系统。若速比为1∶16，那么由于精机转角经过了1∶16的传速比，所以当粗机转子转动θ时，精机的机械角位移为16θ，体现在电信号上就是精机输出电压的幅值变化频率是粗机的16倍。通过解码算法将输出的两路正余弦信号进行除法运算后进行反正切值的求取得到需要的角度值。
本发明包括励磁产生、信号采样，信号解算、数据耦合、选择输出四部分功能分别由片内外系统配合完成，具体系统工作步骤为，整体系统框图如图3所示：
1)片内IP产生数字正弦激励信号：使用DDS算法，IP内部实现相位累加器计数值由相位控制字进行控制以达到对输出信号的频率控制，输出实际数值的方法从传统的查表法改进为使用CORDIC算法产生正弦值更大程度的节省了硬件资源以提高系统的效率。
2)片外电路对产生的正弦激励信号进行转换以及功率放大：使用模数转换，以及功率放大电路在片外电路进行以上操作；
3)片外电路对旋转变压器信号进行转换：使用数模转换从片外电路输入12bit四路有效数据；
4)片内IP对转换信号进行采样并对过零点进行判断，而后通过激励信号发生频率计算信号最大值位置，之后使用寄存器将采集到的数据传入下一模块；
5)片内IP对转换的信号进行解算，耦合，多路输出：使用CORDIC算法根据改进型如式(3)、(4)、(5)所示其中X，Y为输入的信号值，通过对改进型的参考使用迭代以及流水线方式计算出Z为输出的解算值，粗精机双通道能得到两组不同的解算值，由于双通道旋转变压器的双通道粗精速比为1∶16，所以在耦合中可以直接将得到的2进制精机解算值右移4位之后对表示相同位的数进行比较使用耦合算法纠正跳码等错误耦合成最后的结果θ，同时保留两路粗精机信号组成多路输出供上层选择。
Xi+1＝Xi-δiYi2-i (3)
Yi+1＝Yi+δiXi2-i (4)
Zi+1＝Zi-δiarctan(2-i) (5)
Claims (4)
1.构建一个基于FPGA平台的双通道旋转变压器测角系统提供旋转变压器所需的激励信号并对其的输出信号进行解算后输出角度值，包括：片内IP以产生数字形式的旋转变压器数字激励信号并且可计算由片外电路转换的旋转变压器输入的数字信号值、片外电路以进行励磁信号数模转换与功率放大并连接双通道旋转变压器进行输出值的模数转换。
2.如权利要求1所述的片内IP，其特征在于：提供旋转变压器激励电源的数字激励信号输出模块、进行旋转变压器信号转换后数字信号采样并取值的采样模块，进行采样后数字信号计算的解算算法模块、进行双通道信号解算后综合计算的粗精机耦合算法模块。
3.如权利要求1或2中所述的数字激励信号产生，其特征在于：使用DDS和CORDIC算法进行数字正弦信号的产生、采样通过分析振幅方式进行、解算模块使用CORDIC算法进行信号解算。
4.如权利要求1中所述的测角系统的片外电路，其特征在于：提供旋转变压器激励电源数字信号转换和功率放大的电路、旋转变压器输出信号的转换电路。
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