CN103557830A - 一种兼容多种传感器的测角板卡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼容多种传感器的测角板卡，属于测控领域。CPU与激磁/解算电路、光栅和光电编码器相连；激磁/解算电路根据CPU1的信号，产生所需频率的激磁信号，激磁/解算电路将激磁信号传给感应同步器和旋转变压器。旋转变压器将采集的角度信号返回激磁/解算电路，经激磁/解算电路解算之后返回CPU。感应同步器将采集的角度信号输出给放大电路进行放大，放大后的信号进入滤波电路，滤波后的信号进入A/D电路，转换后的信号返回到CPU，经过CPU的解码后即能够得到角度。很好的兼容了感应同步器、光栅、旋转变压器、光电编码器这四种测角设备，极大的降低了研发成本和研发周期，提高了工作效率。

Description

一种兼容多种传感器的测角板卡

技术领域

本发明涉及一种兼容多种传感器的测角板卡，属于测控领域。

背景技术

随着科学技术的发展，伺服系统在各个领域扮演着越来越重要的角色。测角设备作为伺服系统的一个重要组成部分，直接决定着伺服系统的好坏。

目前的测角设备主要有感应同步器、光栅、旋转变压器、光电编码器，各种设备各有优缺点。

感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于数控机床及各类机床数显改造。但由于感应同步器的检测精度比较高，故对制作和安装有一定的要求，如制作和安装不满足要求，则会影响检测灵敏度和检测精度。

光栅电路简单，解算方便，可以用平均读数原理来减小由分度误差和安装偏心误差引起的读数误差，因此其准确度高、稳定可靠。但其价格昂贵，精度相同的光栅和感应同步器，前者的价格比后者高几倍甚至十几倍。

光电编码器具有精度高（可用倍频电路进一步提高精度）、构造简单、成本较低、既适合测角也适合测速、无接触测量、可靠性高、寿命长等优点，但开机后先要寻零、在脉冲传输过程中干扰产生累计误差、需要计数器、速度受到一定限制。

旋转变压器结构简单，坚固耐用，维护方便，非接触式结构，抗干扰能力好，具有很高的可靠性，高速性能优秀，可配置到60000rpm的电机上，具有防尘、防油、防敲击等特点。缺点是低速响应不理想，低速性能稍差；精度不高。

综上所述，不同测角仪器各有其优缺点。在具体项目中，根据不同的精度要求、现场环境、研制周期、项目经费等等因素，可能会选择不同的测角仪器，如果每次都要重新设计电路板，将是一件很繁琐的事情，而且会极大影响工作效率，增加研发成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决不同的测角仪器需要更换不同的板卡的问题，提供一种兼容多种传感器的测角板卡，该测角板卡可以兼容感应同步器、光栅、旋转变压器、光电编码器。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种兼容多种传感器的测角板卡，包括CPU，数据总线，QEP/CAP模块，激磁/解算电路，放大电路，滤波电路，A/D电路，感应同步器，旋转变压器，光栅，光电编码器，PCI总线接口，RS232接口，RS422接口，SPI接口。

CPU：选取运算速度快、集成度高、外设资源丰富的C2000系列DSP芯片，CPU将作为板卡的核心部分，起到解算角度的作用。

滤波电路：采用RC低通滤波，可根据激磁信号的频率调整R、C的值，达到最佳的滤波效果，截止频率f=1/2πRC。

激磁/解算电路：为感应同步器和旋转变压器提供所需的激磁信号，并且可以对旋转变压器返回的角度信息进行解算。

PCI总线接口，RS232接口，RS422接口，SPI接口：为用户提供的角度输出接口。CPU解算得到角度值后，用户可根据具体需要，选择不同的接口读取角度值。

连接关系：CPU与激磁/解算电路、光栅和光电编码器相连；CPU同时向外提供4种接口：PCI总线接口，RS232接口，RS422接口，SPI接口。激磁/解算电路根据CPU1的信号，产生所需频率的激磁信号，激磁/解算电路将激磁信号传给感应同步器和旋转变压器。旋转变压器将采集的角度信号返回激磁/解算电路，经激磁/解算电路解算之后返回CPU。感应同步器将采集的角度信号输出给放大电路进行放大，放大后的信号进入滤波电路，滤波后的信号进入A/D电路，转换后的信号返回到CPU，经过CPU的解码后即能够得到角度。

激磁/解算电路包括：AD2S1200激磁芯片，NE5532放大芯片，LM12CLK大功率运算放大器；CPU通过给AD2S1200芯片的31引脚FS1和32引脚FS2配置不同的值，可以为芯片设置不同的频率；AD2S1200芯片从34引脚EXC和35引脚EXC*，输出两路激磁信号。24引脚CPO、25引脚A和26引脚B可以接收并解算编码器信号。从AD2S1200芯片34引脚EXC和35引脚EXC*出来的两路激磁信号，通过两片NE5532放大芯片，将激磁信号放大，放大后的信号进入LM12CLK大功率运算放大器，进一步放大至所需要电压。此时，两路激磁信号输出给感应同步器或者旋转变压器。如图2所示。

A/D电路包括AD780芯片，AD976芯片，SN74LVT16373锁存器；AD780芯片为AD976芯片提供基准电压。感应同步器的两路模拟输出信号进入AD976芯片，AD976芯片将模拟信号转换为数字信号，然后数字信号进入SN74LVT16373锁存器，再由CPU读取后进行角度解算。如图3所示。

工作过程：

1）感应同步器

CPU将控制信号传递给AD2S1200芯片的FS1和FS2引脚，CPU通过控制FS1和FS2引脚的高低电平，来设置激磁信号的频率。激磁/解算电路将激磁信号输出给感应同步器；

感应同步器的两路输出信号为：

$V_{\sin }=\sin \left[\frac{\mathrm{\πN}({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\ωt})}{180}\right]\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)$

$V_{\cos }=\cos \left[\frac{\mathrm{\πN}({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\ωt})}{180}\right]\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)$

V_sin和V_cos分别为sin和cos通道的输出；N代表感应同步器的极对数；θ₀+ωt为轴位置，θ₀为轴的初始位置，ω为一固定的角速度，t为时间；f_c为载波信号频率。

感应同步器输出的两路信号依次经过放大电路、滤波电路和A/D电路，然后返回CPU。

CPU处理过程中利用反正切函数来计算精确的角度，解码过程按下式处理：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left[\frac{V_{\sin }}{V_{\cos }}\right]$

感应同步器不直接提供sin和cos通道的信号,只是提供经过激磁或载波信号调制过的信号。载波信号sin(2πf_ct)在一个载波周期T=1/f_c的时间内影响两路输出信号的符号和幅值。CPU提供一个频率为f_c的方波信号,对载波信号进行锁相。两路信号经过解调和校准后,CPU利用反正切函数来对信号进行处理。

经过CPU处理后，即可得到角度值。

2）旋转变压器

CPU通过FS1和FS2引脚设置激磁信号的频率，激磁/解算电路将激磁信号放大后输出给旋转变压器。旋转变压器将采集的两路电压信号返回激磁/解算电路，两路信号经激磁/解算电路解算后得到角度值，然后将角度值返回CPU。

旋转变压器输出电压随转子角度变化而变化，转子输出的绕组电势等于电压，两路电压信号为：

V_sin＝U_msinωtsinθ

V_cos＝U_msinωtcosθ

U_m为正、余弦绕组感应交流电势的振幅值，θ为余弦绕组轴线与转子绕组轴线之间的夹角，即被测转轴量旋转的角度信息，ω为一固定的角速度，t为时间。

两路电压信号返回AD2S1200芯片的Sin/SinL0、Cos/CosL0输入端。CPU通过对AD2S1200芯片的SAMPLE和RDVEL引脚进行控制，以保证准确得到所需要的位置或速度信息。

3）光栅

当光栅被检测对象带动旋转时，会输出两路数字脉冲信号，脉冲信号接到CPU芯片上QEP模块的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引脚，CPU对输入的脉冲信号进行译码和计数，即可得到光栅角度值。

增量式圆光栅编码器有A相、B相及Z相3个输出。A相、B相信号包含了圆光栅编码器的旋转方向、旋转速率等信息。当圆光栅编码器被检测对象带动旋转时，会输出相位差为90°的A相和B相两路数字脉冲信号。当圆光栅编码器顺时针正向旋转时，A相信号的相位超前B相信号90。当圆光栅编码器逆时针反向旋转时，则B相信号超前A相信号90。Z相信号功能主要是用于测量的同步或调零，光电角度编码器每旋转一圈，输出一个Z相脉冲信号。利用Z相信号，可以矫正系统的计数数据，有效地消除系统的累计误差。

4）光电编码器

光电编码器是一种高精度的角位置测量传感器，它是由高精度计量圆光栅盘和光电检测装置组成。当电动机旋转时，光栅盘与电动机一起旋转，光敏元件接受透过光栅的光，通过光电转换，将输入的角位置信息转换成相应的数字脉冲，并将脉冲信号输出给CPU，利用CPU内部的QEP模块进行译码和计数，以获得其位置和速率信息，实现数字测量与数字控制。

有益效果

1、本发明的一种兼容多种传感器的测角板卡，因为选取了集成度高、外设资源丰富的C2000系列DSP芯片作为CPU，很好的兼容了感应同步器、光栅、旋转变压器、光电编码器这四种测角设备，极大的降低了研发成本和研发周期，提高了工作效率。

2、本发明的一种兼容多种传感器的测角板卡，可以广泛运用于运动控制系统、高精度伺服系统、惯导测试、飞行器模拟技术等领域，应用相当广泛。因此，可兼容多种测角设备的板卡具有很大的市场。

3、本发明的一种兼容多种传感器的测角板卡，能够确保精度。

1）感应同步器的精度可达±1″，分辨力0.05″，重复性0.1″；

2）16bit的旋转变压器的分辨力可达360°/65536=19.77″；

3）光栅的脉冲周期范围为50到10000Hz，精度可达±1/10脉冲周期；

4）16bit的光电编码器的分辨力可达360°/65536=19.77″。

4、本发明的一种兼容多种传感器的测角板卡，集成度高，应用范围广，可以批量生产，因此可以很大的降低生产成本和使用成本。

附图说明

图1为本专利板卡控制系统的原理图；

图2为本专利的激磁/解算电路原理图；

图3为本专利A/D电路原理图。

其中，1—CPU，2—数据总线，3—QEP/CAP模块，4—激磁/解算电路，5—放大电路，6—滤波电路，7—A/D电路，8—感应同步器，9—旋转变压器，10—光栅，11—光电编码器，12—PCI总线接口，13—RS232接口，14—RS422接口，15—SPI接口；16—AD2S1200激磁芯片，17—NE5532运算放大器芯片，18—LM12CLK大功率运算放大器；19—AD780芯片，20—AD976芯片，21—SN74LVT16373锁存器。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例加以进一步说明。

如图1所示，一种兼容多种传感器的测角板卡由CPU1，数据总线2，QEP/CAP模块2，激磁/解算电路4，放大电路5，滤波电路6，A/D电路7，感应同步器8，旋转变压器9，光栅10，光电编码器11，PCI总线接口12，RS232接口13，RS422接口14，SPI接口组成15。

图2为激磁/解算电路原理图，由AD2S1200芯片及其外围电路组成。CPU将控制信号传递给AD2S1200芯片的FS1和FS2引脚，CPU通过控制FS1和FS2引脚的高低电平，来设置激磁信号的频率。

FS1=high,FS2=high，频率为10KHz；

FS1=high,FS2=low，频率为12KHz；

FS1=low,FS2=high，频率为15KHz；

FS1=low,FS2=low，频率为20KHz。

AD2S1200芯片从34引脚EXC和35引脚EXC*，产生同步器和旋转变压器所需要的两路激磁信号。24引脚CPO、25引脚A和26引脚B可以接收并解算编码器信号。

从AD2S1200芯片34引脚EXC和35引脚EXC*出来的两路激磁信号，通过两片NE5532放大芯片及其外围电路，将激磁信号放大，放大后的信号进入LM12CLK运放，进一步放大至所需要电压。此时，激磁信号输出给感应同步器或者旋转变压器。

角度解算：

1）感应同步器

感应同步器的两路信号返回板卡，两路输出信号为：

$V_{\sin }=\sin \left[\frac{\mathrm{\πN}({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\ωt})}{180}\right]\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)$

$V_{\cos }=\cos \left[\frac{\mathrm{\πN}({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\ωt})}{180}\right]\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)$

V_sin和V_cos分别为sin和cos通道的输出；N代表感应同步器的极对数；θ₀+ωt为轴位置，θ₀为轴的初始位置，ω为一固定的角速度，t为时间；f_c为载波信号频率。两路信号经过由AD976芯片及其外围电路组成的A/D转换电路，将同步器的模拟信号转换为数字信号，A/D电路部分采用官方推荐电路。然后数字信号进入SN74LVT16373锁存器，再由CPU读取后进行角度解算。AD780高精度参考电压源芯片为AD976提供基准电压。在解码处理过程中利用反正切函数来计算精确的角度。

本发明的解码过程按下式处理：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left[\frac{V_{\sin }}{V_{\cos }}\right]$

感应同步器不直接提供sin和cos通道的信号,只是提供经过激磁或载波信号调制过的信号。载波信号sin(2πf_ct)在一个载波周期T=1/f_c的时间内影响两路输出信号的符号和幅值。CPU提供一个频率为f_c的方波信号,对载波信号进行锁相。两路信号经过解调和校准后,CPU利用反正切函数来对信号进行处理。

经过CPU处理后，即可得到角度值。

2）旋转变压器

旋转变压器输出电压随转子角度变化而变化，转子输出的绕组电势等于电压，两路电压信号为：

V_sin＝U_msinωtsinθ

V_cos＝U_msinωtcosθ

Um为正、余弦绕组感应交流电势的振幅值，θ为余弦绕组轴线与转子绕组轴线之间的夹角，即被测转轴量旋转的角度信息；ω为一固定的角速度，t为时间。

两路电压信号经A/D电路返回AD2S1200芯片的Sin/SinL0、Cos/CosL0输入端。AD2S1200芯片内部由乘法器、相敏校验器、数字滤波器、速度积分器和位置积分器组成的Ⅱ型闭环反馈系统可以直接解码旋转变压器的角度，可以输出12位绝对位置信息和带符号的11位速度信息，±11弧分精确度，最大跟踪速度1000r/s。本专利选用串口输出。CPU通过对芯片SAMPLE和RDVEL引脚进行控制，以保证准确得到所需要的位置或速度信息。

3）光栅

增量式圆光栅编码器有A相、B相及Z相3个输出。A相、B相信号包含了圆光栅编码器的旋转方向、旋转速率等信息。当圆光栅编码器被检测对象带动旋转时，会输出相位差为90°的A相和B相两路数字脉冲信号。当圆光栅编码器顺时针正向旋转时，A相信号的相位超前B相信号90。当圆光栅编码器逆时针反向旋转时，则B相信号超前A相信号90。Z相信号功能主要是用于测量的同步或调零，光电角度编码器每旋转一圈，输出一个Z相脉冲信号。利用Z相信号，可以矫正系统的计数数据，有效地消除系统的累计误差。

将圆光栅的A相、B相输出接到CPU芯片上QEP模块的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引脚，CPU对输入的脉冲信号进行译码和计数，即可得到光栅角度值。

4）光电编码器

光电编码器是一种高精度的角位置测量传感器，它是由高精度计量圆光栅盘和光电检测装置组成。当电动机旋转时，光栅盘与电动机一起旋转，光敏元件接受透过光栅的光，通过光电转换，将输入的角位置信息转换成相应的数字脉冲，并将脉冲信号输出给CPU，利用CPU内部的QEP模块进行译码和计数，即可获得其位置和速率信息，实现数字测量与数字控制。

本专利提供多种角度输出接口：

1）RS232串行接口

本专利采用MAX232芯片及其外围电路提供RS232串口输出，最大传输速度可达120Kbps。

2）RS422串行接口

本专利采用MAX3070芯片及其外围电路提供RS422串口输出，最大传输速度可达10Mbps。

3）SPI接口

本专利利用CPU自带的SPI接口提供同步串行外设接口。

4）PCI接口

本专利通过双口RAM将角度信息传递给PCI，本专利采用PCI9052芯片。它的局部总线（LOCALBUS）可以通过编程设置为8/16/32位的（非）复用总线，数据传输率可达到132Mb/s。PCI9052的LOCALBUS与PCI总线的时钟相互独立的运行，两总线的异步运行方便了高、低速设备的兼容。板卡通过CPU控制PCI读写时序，解决了PCI9052和双口RAM之间读写时序不匹配的问题。

Claims (6)

1.一种兼容多种传感器的测角板卡，其特征在于：包括CPU（1），数据总线（2），QEP/CAP模块（3），激磁/解算电路（4），放大电路（5），滤波电路（6），A/D电路（7），感应同步器（8），旋转变压器（9），光栅（10），光电编码器（11），PCI总线接口（12），RS232接口（13），RS422接口（14），SPI接口（15）；CPU（1）与激磁/解算电路（4）、光栅（10）和光电编码器（11）相连；CPU（1）同时向外提供4种接口：PCI总线接口（12），RS232接口（13），RS422接口（14），SPI接口（15）；激磁/解算电路（4）根据CPU（1）的信号，产生所需频率的激磁信号，激磁/解算电路（4）将激磁信号传给感应同步器（8）和旋转变压器（9）；旋转变压器（9）将采集的角度信号返回激磁/解算电路（4），经激磁/解算电路（4）解算之后返回CPU1；感应同步器（8）将采集的角度信号输出给放大电路（5）进行放大，放大后的信号进入滤波电路（6），滤波后的信号进入A/D电路（7），转换后的信号返回到CPU1，经过CPU的解码后即能够得到角度。

2.如权利要求1所述的一种兼容多种传感器的测角板卡，其特征在于：所述激磁/解算电路（4）包括：AD2S1200激磁芯片（16），NE5532放大芯片（17），LM12CLK大功率运算放大器（18）；CPU通过给AD2S1200芯片的31引脚FS1和32引脚FS2配置不同的值，可以为芯片设置不同的频率；AD2S1200芯片从34引脚EXC和35引脚EXC*，输出两路激磁信号；24引脚CPO、25引脚A和26引脚B可以接收并解算编码器信号；从AD2S1200芯片34引脚EXC和35引脚EXC*出来的两路激磁信号，通过两片NE5532放大芯片，将激磁信号放大，放大后的信号进入LM12CLK大功率运算放大器，进一步放大至所需要电压；此时，两路激磁信号输出给感应同步器或者旋转变压器。

3.如权利要求1所述的一种兼容多种传感器的测角板卡，其特征在于：所述A/D电路（7）包括AD780芯片（19），AD976芯片（20），SN74LVT16373锁存器（21）；AD780芯片为AD976芯片提供基准电压。感应同步器的两路模拟输出信号进入AD976芯片，AD976芯片将模拟信号转换为数字信号，然后数字信号进入SN74LVT16373锁存器，再由CPU读取后进行角度解算。

4.如权利要求1所述的一种兼容多种传感器的测角板卡，其特征在于：所述CPU选取运算速度快、集成度高、外设资源丰富的C2000系列DSP芯片，CPU将作为板卡的核心部分，起到解算角度的作用。

5.如权利要求1所述的一种兼容多种传感器的测角板卡，其特征在于：所述滤波电路采用RC低通滤波，可根据激磁信号的频率调整R、C的值，达到最佳的滤波效果，截止频率f=1/2πRC。

6.如权利要求1所述的一种兼容多种传感器的测角板卡，其特征在于：所述PCI总线接口（12），RS232接口（13），RS422接口（14），SPI接口（15），为用户提供4种标准工业总线接口；CPU解算得到角度值后，用户可根据具体需要，选择不同的接口读取角度值。

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