CN104197965A - 一种多圈旋转变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多圈旋转变压器，包括旋转变压器、旋变解码芯片、FPGA芯片、韦根传感器、霍尔传感器和外部NVRAM。韦根传感器通过并联的稳压电路和整形电路连接到FPGA芯片。旋转变压器连接到旋变解码芯片再连接到FPGA芯片。霍尔传感器和外部NVRAM也均连接到FPGA芯片。该多圈旋转变压器无需特定型号的旋变解码芯片即可实现多圈计数功能，并且无需外部电池就可实现多圈信息的保存，与单圈角度值实现同步后一起输出。该多圈旋转变压器结构简单，成本低廉。并且，使用通用FPGA实现角度信息和多圈信息的同步和整合，不受限于ASIC芯片，为用户自主开发通讯接口和协议提供了良好的二次开发条件，适于大规模使用。

Description

一种多圈旋转变压器

 

技术领域

本发明属于角度测量传感器技术领域，特别是一种多圈旋转变压器。

背景技术

旋转变压器（以下简称旋变）是一种输出电压随着转子转角变化的信号元件。原理上它相当于一个可以转动的变压器，结构上相当于两相线式异步电动机。旋变的定子绕组接受一定频率的交流电压激励，由于转子是两个轴线互成90电角度的分布绕组，在激励电压作用下能够产生一对相位相差90°、幅值和转子转角相关的模拟量信号。旋变解码芯片是一种用于实现旋转变压器—数字转换的专用芯片，是一种特殊的模数转换器（ADC），它的解码原理是通过检测两路正余弦信号进行正切法取得角度值                                               ，并采用实时跟踪反馈的原理测角，实现无静差地快速测得角度值。旋转变压器按输出电压与转子转角间的函数关系，主要分为三类：正-余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器。

旋变用于机器人等领域时会遇到多圈计数功能的需求，而目前市面上大多数旋变解码芯片没有这一功能。而少数公司如多摩川采用ASIC配合旋变解码芯片实现多圈计数功能，这种方案不仅成本很高，且对旋变解码芯片有特定型号的要求。由于特定型号的旋变解码芯片在分辨率等重要参数方面无法满足应用需求，因此开发一种不受解码芯片限制的旋变通用多圈方案成为迫切的需要。

韦根传感器是利用韦根效应制成的一种无源磁敏器件，一般包括韦根丝、检测线圈和外部永磁体三个部分。它可实现将变化的磁场转变为电脉冲信号。工作原理是：在交变磁场中，当平行于韦根丝的某极性磁场达到触发磁感应强度时，韦根丝中的内核由于磁矫顽力弱于外壳而受到激励而发生磁极翻转，磁化方向瞬间转为与外壳同一方向，同时在韦根丝周围空间磁场也发生瞬间变化，由此在检测线圈中感生出一个电脉冲。此后若该磁场减弱，内核的磁化方向将保持稳定不变，检测线圈也无电脉冲输出；但当相反极性磁场增强到触发磁感应强度时，韦根丝内核磁化方向又瞬间发生翻转，并在检测线圈中感生出一个方向相反的电脉冲。

Actel公司推出的ProASIC3系列器件自从问市以来就成为高性能便携设备的首选FPGA（现场可编程门阵列）芯片，其特点是低功耗、上电即运行和安全性极高。与传统FPGA采用的SRAM（静态随机存取存储器）技术不同，ProASIC3系列采用Flash LVCMOS（需给出对应的中文术语）工艺，上电无需加载逻辑，且带有的安全机制可防止外界对所有编程信息进行访问。此外，ProASIC3系列FPGA有非常小的芯片体积和足以媲美ASIC的价格，非常适合编码器等传感器使用。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种多圈旋转变压器，该旋变无需特定型号的旋变解码芯片即可实现多圈计数功能，并且无需外部电池就可实现多圈信息的保存。

本发明公开的一种多圈旋转变压器，包括旋转变压器、旋变解码芯片、FPGA芯片（FPGA：Field-Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列）、韦根传感器，韦根传感器连接到FPGA芯片，旋转变压器连接到旋变解码芯片再连接到FPGA芯片。旋转变压器用于将电机轴的转动角度θ转换为两路正余弦电压模拟量Sine和Cosine；旋变解码芯片，用于产生使旋变工作的激励信号，并通过正余弦信号计算出电机轴当前的角度值；韦根传感器，用于在电机轴转动中感应产生正负电压脉冲，为后续电路供电并提供圈数和方向信息；FPGA芯片，用于接收解码芯片发送的实时角度值和和霍尔传感器发送的表示圈数的同步位，并结合韦根感应脉冲的正负方向共同确定最终的圈数信息，将两者整合起来通过接口电路向外输出。

作为上述技术方案的进一步改进，所述多圈旋转变压器还包括霍尔传感器和外部NVRAM（非易失存储器），所述霍尔传感器和外部NVRAM均连接到FPGA芯片。霍尔传感器通过检测工作磁场的变化配合FPGA实现圈数信息与单圈角度θ的同步功能；NVRAM芯片，用于在圈数发生变化时将其保存，系统掉电时不丢失。

作为上述技术方案的另一种改进，所述韦根传感器和FPGA芯片之间还设置并联的稳压电路和整形电路。稳压电路，用于将韦根传感器感应脉冲经过稳压后给后级芯片供电；整形电路，用于消除感应电压脉冲的杂波，使FPGA芯片判断方向和计数工作更可靠。

作为上述技术方案的进一步改进，所述韦根传感器、霍尔传感器均连接到FPGA芯片的I/O口； NVRAM通过SPI口与FPGA芯片相连； FPGA芯片和旋转解码芯片之间利用并行I/O口进行连接。

本发明的多圈旋转变压器解决了目前旋转变压器保存多圈信息需要使用特定旋变解码芯片的问题，对旋转变压器转过的角度进行判向和计圈，保存多圈信息，与单圈角度值实现同步后一起输出。该多圈旋转变压器结构简单，成本低廉，无需使用特定型号的旋变解码芯片。使用通用FPGA实现角度信息和多圈信息的同步和整合，不受限于特定的旋变解码芯片，为用户自主开发通讯接口和协议提供了良好的二次开发条件，适于大规模使用。

附图说明

图1为本发明多圈旋转变压器功能结构图；

图2为韦根传感器正向感应脉冲波形图；

图3为单圈和多圈信息的同步处理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种多圈旋转变压器进行详细说明。

如图1所示，本发明公开的一种多圈旋转变压器，包括旋转变压器、旋变解码芯片、FPGA芯片、韦根传感器、霍尔传感器和外部NVRAM。韦根传感器连接到FPGA芯片的电源和外部I/O口，韦根传感器和FPGA芯片之间还设置并联的稳压电路和整形电路。旋转变压器连接到旋变解码芯片的激励和正余弦信号输入接口，旋变解码芯片的并行输出口再连接到FPGA芯片的外部I/O口。霍尔传感器和外部NVRAM分别连接到FPGA芯片的I/O口和外扩SPI口。

所述的旋转变压器可以选用正余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器，优选正余弦旋转变压器，采用TAMAGAWA公司的TS2620N21E11型号。旋变解码芯片，采用ADI公司的16位R/D转换芯片AD2S1210或者多摩川公司的AU6802、AU6805。FPGA选择Actel公司的ProASIC3系列A3P250型号或者AGLxxx系列。韦根传感器，在交变磁场（电机轴上固定一个径向充磁的圆柱磁钢即可）作用下发生磁翻转效应，旋转一圈产生一个正脉冲或负脉冲，与电机轴转动方向有关，脉冲幅度大于5V，脉宽30us。稳压电路，利用低压差、低噪声的线性稳压电源将韦根感应电压转换成3.3V直流电平，为FPGA以及外部非易失存储器（NVRAM）供电；FPGA中计圈数为0~65535，逆时针加1圈，顺时针减1圈，循环计数。整形电路，使用施密特触发器组成，用于消除感应电压脉冲的杂波，提高抗干扰能力，使FPGA计圈和判断方向更加可靠。霍尔传感器，由四个错开一定相位的霍尔元件组成，通过检测工作磁场的变化配合FPGA实现圈数信息与单圈角度θ的同步功能；霍尔传感器为Honeywell公司的SS30AT和iC-Haus公司的集成芯片iC-MZ等。

该多圈旋转变压器，对外接口电路以RS422/485为物理层，可兼容BISS和Endat2.1/2.2等常用协议。

该多圈旋转变压器利用韦根传感器感应的脉冲信号经过稳压电路为FPGA供电，同时经过整形电路传到FPGA的I/O口进行计数和判断。霍尔传感器将感应到的电机轴位置信号传到FPGA的I/O口，配合FPGA完成计圈的同步校正功能。NVRAM同样由上述稳压电路供电，通过SPI口与FPGA相连，用于保存圈数信息。FPGA和旋转解码芯片之间利用并行I/O口进行数据通讯，在一个固定周期内完成多圈计数和单圈位置的获取，并将其整合出来，最后通过RS422/485接口电路输出。

本发明的多圈旋转变压器原理上主要利用特殊磁性材料的韦根效应实现判向和计圈，并为外围芯片供电，无需外部电池就可实现多圈信息的保存。霍尔传感器配合FPGA实现单圈角度值和多圈信息的同步，最终将它们整合起来以一定的协议输出。具体工作原理为：

当正余弦旋转变压器跟随电机转动时，贴在电机轴上的单对极径向充磁的磁钢随转动形成变化磁场。韦根传感器感应到变化磁场，在电机转动一周内产生一个电压脉冲。如图2所示，电机轴逆时针旋转时电压脉冲为正，宽度为30us，幅值为7V。电机顺时针转动时幅值和脉宽保持不变，只是电压方向相反。

稳压电路使用LM3480低压差线性稳压芯片将脉冲电压转化为3.3V直流电压，为FPGA、NVRAM以及霍尔传感器供电。整形电路滤除杂波干扰，使电压脉冲变为标准的方波信号。

霍尔传感器由错开一定相位分布的四个霍尔元件组成，在电机旋转过程中感应到磁场的变化，产生一对有固定相位差的正弦曲线，通过电压比较器进入FPGA，如图3所示，FPGA经过处理后得到2位的同步数据。图3中ST表示单圈角度值，MT为多圈数据值，都以2进制表示，MSB表示最高位，LSB为最低位。霍尔传感器的MT LSB-2和MT LSB-1为2位同步位。由于同步位的存在，单圈最高位在发生360°变化时（对应ST MSB一个周期），多圈最低位MT LSB的值由1变为0，或由0变为1，实现计数功能，2位同步位能够获得±90°的同步区间。

上述数据同步过程在FPGA中实现，多圈位数为16。单圈由旋变解码芯片决定，也为16位。FPGA将两者整合在一起，以串行RS422/485方式输出，协议可由用户开发或定制，较常用的有BISS和Endat2.1/2.2等，也可以直接以SPI等串行协议输出。

Claims (4)

1.一种多圈旋转变压器，包括旋转变压器、旋变解码芯片，其特征在于：还包括韦根传感器和FPGA芯片，韦根传感器连接到FPGA芯片，旋转变压器连接到旋变解码芯片再连接到FPGA芯片。

2.根据权利要求1所述的多圈旋转变压器，其特征在于：所述多圈旋转变压器还包括霍尔传感器和外部NVRAM（非易失存储器），所述霍尔传感器和外部NVRAM均连接到FPGA芯片。

3.根据权利要求1所述的多圈旋转变压器，其特征在于：所述韦根传感器和FPGA芯片之间还设置并联的稳压电路和整形电路。

4.根据权利要求1、2或3所述的多圈旋转变压器，其特征在于：所述韦根传感器、霍尔传感器均连接到FPGA芯片的I/O口； NVRAM通过SPI口与FPGA芯片相连； FPGA芯片和旋转解码芯片之间利用并行I/O口进行连接。