CN107332480A - 一种基于fpga的通用型旋变励磁与解码电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的通用型旋变励磁与解码电路，其技术特点是：包括控制器FPGA、旋变信号产生模块和旋变信号采集模块；控制器FPGA分别与旋变信号产生模块和旋变信号采集模块相连接，旋变信号产生模块产生多路励磁信号并连接到旋转变压器的励磁线圈上，旋转变压器的次级线圈输出多路正弦/余弦信号并连接到旋转信号采集模块上。本发明能够提供4路独立励磁与采集解码通道，满足1路至4路不同激励通道数的要求，可应用在各种不同类型旋转变压器，同时针对不同类型变压器，可利用FPGA对励磁频率配置，具有适用范围广泛、灵活性强、通用性高等特点。

Description

一种基于FPGA的通用型旋变励磁与解码电路
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，尤其是一种基于FPGA的通用型旋变励磁与解码电路。
背景技术
作为速度及位置传感器，旋转变压器具有分辨率高、精度高、可靠性高等特点，被广泛应用在汽车、伺服等工业领域。
旋变变压器按照输入输出相数可分为1相励磁/2相输出(BRX)、2相励磁/1相输出(BRT)和2相励磁/2相输出(BRS)。按照极对数可分为单对极、多对极和双通道旋变。根据不同种类旋转变压器，需要励磁与解码电路的通道数量不同，通常为1至4路不等。
目前已有专门旋变数字转换器(R/D芯片)用于旋转变压器的激励与解码，如TI的AMC1210，ADI的AD2S1205以及多摩川的AU6802等。这些R/D芯片可直接输出激励信号，同时采集旋转变压器输出，将解码后的数字信号直接传递给CPU。但是，由于专用芯片大都只能提供一路激励，采集两路输出，针对需要多路激励解码的旋变来说，通用性不强。并且，硬件、走线延迟会导致相位不同步、时间滞后等问题，采用R/D芯片无法较好解决。再有，利用专用解码芯片，会大幅度地增加硬件成本。
发明内容
本发明的目地在于克服现有技术的不足，提出一种可靠性高、通用性强且电路成本低廉的基于FPGA的通用型旋变励磁与解码电路。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于FPGA的通用型旋变励磁与解码电路，包括控制器FPGA、旋变信号产生模块和旋变信号采集模块；所述控制器FPGA分别通过SPI总线与旋变信号产生模块和旋变信号采集模块相连接，所述旋变信号产生模块产生多路励磁信号并连接到旋转变压器的励磁线圈上，所述旋转变压器的次级线圈输出多路正弦/余弦信号并连接到旋转信号采集模块上。
所述旋变信号产生模块由数模转换电路、旋变信号调理及电流放大电路连接构成；所述数模转换电路与控制器FPGA相连接用于产生励磁所需特定频率的模拟信号，所述旋变信号调理及电流放大电路与数模转换电路输出的每路正/余弦信号相连接并将调理放大的信号连接到旋转变压器初级线圈。
所述数模转换电路由多通道DA芯片构成；所述旋变信号调理及电流放大电路由幅值变换电路、二阶有源滤波电路和功率放大电路连接构成。
所述旋变信号采集模块电路由滤波电路、差分放大电路、模数转换电路依次连接构成，所述滤波电路输入端与旋转变压器次级线圈两端相连，所述模数转换电路输出端与控制器FPGA相连接。
所述控制器FPGA通过SPI总线与旋变信号产生模块和旋变信号采集模块相连接。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明能够提供4路独立励磁与采集解码通道，满足1路至4路不同激励通道数的要求，可应用在各种不同类型旋转变压器，相比于主流R/D芯片只能针对BRX型旋转变压器，具有适用范围广泛等特点，既可应用于普通单对极旋转变压器，与双通道粗、精极转变压器亦可完美匹配。
2、本发明针对不同类型变压器，可利用FPGA对励磁频率配置，并通过改变电路放大倍数调整励磁电压幅值，灵活性强，通用性高。
3、本发明利用FGPA进行旋变信号的解码，避免使用专用R/D芯片，降低了电路成本。
4、本发明采用FPGA进行解码，减少甚至消除硬件滤波、走线等带来的时间延迟、相位不同步等滞后效应。根据不同旋转变压器激励频率、电压、电压传输比的要求，可利用FPGA对电路进行灵活配置，可靠性高，控制简单，通用性强。
5、本发明电路包含多级滤波，输入保护，短路、断路检测等功能，信号分辨率高，抗干扰性更强。
附图说明
图1是本发明的电路原理图；
图2是旋变信号产生模块的数模转换电路原理框图；
图3是旋变信号产生模块的调理及电流放大电路图；
图4是旋变信号采集模块的滤波电路图；
图5是旋变信号采集模块的差分放大电路图；
图6是旋变信号采集模块的模数转换原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种基于FPGA的通用型旋变励磁与解码电路，如图1所示，包括控制器FPGA、旋变信号产生模块和旋变信号采集模块。所述控制器FPGA分别通过SPI总线与旋变信号产生模块和旋变信号采集模块相连接，所述旋变信号产生模块产生多路励磁信号并连接到旋转变压器的励磁线圈上，所述旋转变压器的次级线圈输出多路正弦/余弦信号并连接到旋转信号采集模块上。在本电路中，旋变励磁信号由FPGA控制产生，通过SPI控制旋变信号产生模块输出4路励磁信号，4路励磁信号与旋转变压器励磁线圈相连，利用旋变信号采集模块采集来自旋转变压器次级线圈的正弦/余弦信号，通过SPI总线发送给FPGA，最后由FPGA进行解码，获得相应位置或速度信息。
下面对旋变信号产生模块和旋变信号采集模块分别进行说明：
所述旋变信号产生模块由数模转换电路、旋变信号调理及电流放大电路连接构成。所述数模转换电路用于产生励磁所需特定频率的模拟信号，如图2所示，数模转换电路由一片4通道DA芯片组成，该DA芯片输入与FPGA通过SPI方式连接，通过基准电压源及运放产生DA所需正负参考电压。该DA芯片可输出4路单独通路的正弦/余弦信号(DA_EXC1、DA_EXC2、DA_EXC3、DA_EXC4)，信号频率由FPGA控制、可调，信号峰值固定，与DA正负参考电压值对应。在本实施例中，DA芯片选用12位分辨率，±10V参考电压。激励信号频率选中1KHz正弦/余弦波，峰值±10V。
旋变信号调理及电流放大电路(DA_EXC1、DA_EXC2、DA_EXC3、DA_EXC4)与DA芯片输出的每路正/余弦信号相连接。如图3所示，每路旋变信号调理及电流放大电路包括幅值变换电路、二阶有源滤波电路和功率放大电路，实现幅值变换、二阶滤波和功率放大功能，信号调理及电流放大电路的输出信号作为最终旋变励磁信号给到旋转变压器初级线圈。信号调理及电流放大电路通过选择低失调电压、低温漂、高压摆率运放实现输入信号幅值变换及滤波，信号幅值根据旋转变压器励磁电压要求通过运放负反馈比例系数进行调整。采用二阶有源滤波器对高频噪声进行抑制，综合考虑实际衰减，以及滤波对延迟影响，截止频率选定高于励磁频率50倍左右。运放输出端与推挽电路连接，实现功率放大。通过改变推挽电路三极管静态工作点，减少交越失真，改善输出波形。推挽输出与旋转变压器励磁线圈连接，同时反馈到运放反相输入端，作为闭环电路调节对象，通过负反馈调节推挽输出，保证输出励磁信号幅值稳定，不会受到推挽电路中三极管及限流电阻影响。
本实施例中，采用7.07V有效值作为励磁电压，电路放大倍数由R2、R3决定，通过R6、R7、C2、C3实现二阶有源滤波。根据电路原理，存在以下关系式：
Up(s)＝Un(s)
由以上关系式可得电路传递函数如下：
可得电路放大倍数
角频率w2 n＝R6R7C2C3
为保证7.07V有效值即10V最大值励磁电压，运放调整为跟随模式，R2不焊接，R3选择10k。
考虑延迟及衰减，R6选择1.96k，R7选择2.21k，C3选择1n，C3选择1.2n，转折频率50.3k，信号在1k频率处衰减0.0012dB，影响可忽略。
旋转变压器输入阻抗一般在100Ω至200Ω之前，为保证驱动能力，需增加推挽电路。为使输出波形不失真，增加二极管V2、V3，使V1、V4处于若弱导通。同时，推挽输出反馈到运放反相输入端，通过负反馈调节，以消除三极管VBE电压及限流电阻对波形影响，保证输出波形稳定，幅值无衰减。
经过功率放大之后励磁信号可直接驱动旋转变压器，幅值±10V，频率1kHz，驱动能力最大可达500mA。
旋转变压器输出信号由旋变信号采集模块进行数据采集、解码，每一组旋变输出对应一组信号采集模块。每组输出对应的旋变信号采集模块电路完全一致，均由滤波电路、差分放大电路、模数转换电路连接构成。
旋变信号采集模块的滤波电路输入端与旋转变压器次级线圈两端相连，其利用TVS管及电容对差分放大电路输入端进行保护，同时对差分信号进行一阶共模、差模RC滤波，以消除高频噪声影响。选择共模电容容值大小为1/10差模电容以减少共模电容不匹配对差分信号的影响。本实施例的滤波电路如图4所示，该滤波电路输入与旋转变压器输出相连，利用TVS管V5、V8，电容C7、C16进行端口的保护及滤波，R13、R17用以吸收经过TVS后漏电流，防止对内部电路造成影响。选择专用Surge-Proof电阻，阻值10Ω。C10、C11与C5、C6、C14、C15分别进行差模及共模滤波，C6、C10、C15预留调节使用。
差模截止频率为
共模截止频率为
C11容值选择220n，则f-3dB_DIFF＝360k。
由于共模滤波电容存在不匹配情况，为保证差模电压不会受到不匹配共模电容影响，共模电容容值选择至少10倍以下差模电容值大小，C5、C14选择10n。
则f-3dB_CM+＝f-3dB_CM-＝1.59M
本实施例中，旋转变压器变比0.5，则旋变输出信号幅值为±5V。
旋变信号采集模块的差分放大电路将滤波电路输出信号进行幅值调理，并使用偏置电压改变信号共模范围，保证信号差模、共模电压都在模数转换电路输入范围内。本实施例的差分放大电路如图5所示，该差分放大电路采用差分放大器，将±5V信号调整为AD芯片允许范围内。AD参考电压选择2.5V，允许输入差分信号范围±2.5V，共模范围0-5V。为充分利用AD范围，保证AD精度，在留有余量情况下，将信号差模范围控制在±2.488V。利用REF＝2.5V调整信号共模电压，以2.5V为中间值，0.012V-4.988V变化。R12、R19用于线路失效保护，图4中输入端短路、断路时可提供不同幅值稳定电平，并作为故障检测指标。V6、V7用于放大器输入保护。
旋变信号采集模块的模数转换电路主要有AD芯片组成。差分放大电路输出首先经过一阶抗混叠滤波器，以消除混叠影响。抗混叠滤波器截止频率选择略高于AD采样率。经过抗混叠之后差分信号经过AD采集，输出到FPGA。FPGA利用得到数字信号进行软件相关解码，进行获得相应位置或速度信息。，本实施例的模数转换电路如图6所示，该电路中的AD芯片采样率为500k，采用一阶RC抗混叠滤波器消除混叠影响。截止频率通过R15、R16、C8、C9确定。
C8、C9选择COG电容，以保证较好的温度系数及较稳定电容量。实施例中截止频率选择800kHz。AD芯片输出通过SPI与FPGA连接，FPGA获得带有转速或位置信息的数字化信号，进行解码，得到相应信息。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的通用型旋变励磁与解码电路，其特征在于：包括控制器FPGA、旋变信号产生模块和旋变信号采集模块；所述控制器FPGA分别通过SPI总线与旋变信号产生模块和旋变信号采集模块相连接，所述旋变信号产生模块产生多路励磁信号并连接到旋转变压器的励磁线圈上，所述旋转变压器的次级线圈输出多路正弦/余弦信号并连接到旋转信号采集模块上。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的通用型旋变励磁与解码电路，其特征在于：所述旋变信号产生模块由数模转换电路、旋变信号调理及电流放大电路连接构成；所述数模转换电路与控制器FPGA相连接用于产生励磁所需特定频率的模拟信号，所述旋变信号调理及电流放大电路与数模转换电路输出的每路正/余弦信号相连接并将调理放大的信号连接到旋转变压器初级线圈。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的通用型旋变励磁与解码电路，其特征在于：所述数模转换电路由多通道DA芯片构成；所述旋变信号调理及电流放大电路由幅值变换电路、二阶有源滤波电路和功率放大电路连接构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的通用型旋变励磁与解码电路，其特征在于：所述旋变信号采集模块电路由滤波电路、差分放大电路、模数转换电路依次连接构成，所述滤波电路输入端与旋转变压器次级线圈两端相连，所述模数转换电路输出端与控制器FPGA相连接。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于FPGA的通用型旋变励磁与解码电路，其特征在于：所述控制器FPGA通过SPI总线与旋变信号产生模块和旋变信号采集模块相连接。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20171107

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