CN108896075A - 一种基于fpga的旋转变压器角位移闭环解码系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统与方法，属于传感器测量与控制领域，包括旋转变压器、高速模拟数字转换器及基于FPGA的乘加模块、除法模块、累加模块以及正余弦产生模块。高速模拟数字转换器将旋转变压器输出的正弦绕组和余弦绕组信号转换为数字信号；乘加模块将正余弦绕组信号与测角系统的角位移输出值的正余弦分别作数学运算，得到中间输出量；除法模块对中间输出量作除法运算，得到含有角位移差的正切值；将此正切值与前一次的角位移输出值进行累加，作为新的角位移输出值后经过正余弦产生模块计算，反馈到乘加模块中进行下一次的运算，完成一次完整闭环运算。闭环解码精度高，抗干扰能力强，具有良好的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于可编程逻辑门器件(FPGA)的旋转变压器角位移闭环解码系统与方法，属于传感器测量与控制系统领域。
背景技术
旋转变压器用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，被广泛应用于各个工程控制领域。测角系统中，经常需要从旋转变压器的输出信号中解算出位置信号并将其变成数字量，完成这种功能的器件一般被称为旋转变压器数字转换器(RDC)。
专用RDC可以满足较高温度和较高精度的解算，如ADI公司的AD2S80A芯片，可以满足的工作温度范围为-55℃到+125℃，解算精度可达±0.13°。但其可灵活性不高，某些特殊环境下(如工作温度达150℃以上)，这类专用芯片无法正常工作。
此外，目前针对特殊环境下的需求，有基于(数字信号处理器)DSP的软件解决方案，但这类方案一般是将旋转变压器的角位移解码功能与主要作业任务功能混合在一起，在对于角位移动态响应要求高的场合下(如高转速电机控制)，控制精度和模块化程度不高。
发明内容
本发明针对特殊环境下，为了提高旋转变压器的角位移解码功能的控制精度和模块化程度，提出了一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统与方法。
所述的基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统，包括旋转变压器、高速模拟数字转换器(ADC)及基于FPGA的闭环解码模块；其中闭环解码模块包括乘加模块、除法模块、累加模块以及正余弦产生模块。
旋转变压器连接高速模拟数字转换器，由旋转变压器的正弦，余弦绕组输出的模拟电压量经过高速模拟数字转换器转换为数字量；高速模拟数字转换器连接闭环解码模块，输出的数字量依次经过乘加模块，除法模块、累加模块以及正余弦产生模块，最终得到旋转变压器的角位移值。
具体为：乘加模块将高速模拟数字转换器输出的数字量ua,ub与正余弦产生模块输出的反馈信息作乘法和加法运算，得到ue1,ue2输出给除法模块，除法模块对输出量 ue1,ue2作除法运算，得到ue输出给累加模块，ue包含角位移输出值与真实角位移值θ间的角差信息，累加模块将多次的角差信息进行积累。
正余弦产生模块与累加模块相对，将角位移输出值作为反馈信息，反馈到乘加模块。
所述的基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码方法，具体步骤如下：
步骤一、利用高速模拟数字转换器将旋转变压器输出的正弦绕组ua和余弦绕组信号ub转换为数字信号。
旋转变压器输出的正弦绕组和余弦绕组信号分别如下所示：
ua＝kvU sin(2πft)sinθ (1)
ub＝kvU sin(2πft)cosθ (2)
其中：ua为旋转变压器正弦绕组输出值；ub为旋转变压器余弦绕组输出值；kv是绕组输出的无量纲幅度值；U是绕组输出的有量纲幅度值；f为旋转变压器激励信号的频率值；t为时间值；θ为旋转变压器真实角位移值。
步骤二、使用乘加模块将正弦绕组信号ua和ub与测角系统的角位移输出值的正余弦分别相乘，并作变形得到输出量ue1,ue2；
具体计算如下：
经过加减法运算及三角公式变换得：
步骤三、利用除法模块对输出量ue1,ue2作除法运算，得到正切值ue；
其中，ue是角度差信号的正切值，
步骤四、将正切值ue与前一次的角位移输出值进行累加，作为新的值输出；
首先，选择离散模型中角位移输出的初始值
通过对ua,ub两路信号及一路励磁信号的符号进行判断，从而确定θ的象限：当θ在第一象限，则迭代初值定为π/4，同理，当θ在第二象限，则迭代初值定为3π/4，当θ在第三象限，则迭代初值定为-3π/4，当θ在第四象限，则迭代初值定为-π/4。
由此得到采样点迭代的最大范围为-π/4～+π/4。
然后，采用简化离散模型进行迭代，具体过程如下：
.....
为角位移输出的初始值；为第1次运算后的角位移输出值。同理，为第j次运算后的角位移输出值。θ1为第1次的真实角位移值；θj为第j次真实角位移值。
步骤五、将新的值的正弦及余弦值反馈到乘加模块中进行运算，返回步骤二，进行下一次的角位移运算。
步骤六、根据离散模型若干次迭代，得到稳定收敛的达到对θ的稳定跟踪状态。
本发明的优点在于：
(1)一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统，是基于FPGA的硬件逻辑描述，是模块化和可移植性高的系统，相比现有解码方案，可以满足某类特殊环境的旋转变压器角位移解算需求；
(2)一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统，采用闭环方式解码，相比于开环解码系统，闭环解码精度高，且具有较强的抗干扰能力；
(3)一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统，采用FPGA可编程逻辑门器件，丰富的硬件资源以及并行运算的优点使运算速率及系统性能大大提高，可进行高精度(40′)，高速率(20us)的解码运算，相比DSP的建构有较强的优势；
(4)一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统，占用硬件资源少(约6000个逻辑门单元)，具有良好的工程应用价值；
(5)一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码方法，采用闭环形式，引入误差反馈环节，具有高速率高精度的特点，可移植性好，抗干扰性强。
附图说明
图1为本发明一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统结构图；
图2为本发明一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码方法流程图；
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统，如图1所示，包括旋转变压器、高速模拟数字转换器(ADC)及基于FPGA的闭环解码模块；其中闭环解码模块包括乘加模块、除法模块、累加模块以及正余弦产生模块。
旋转变压器连接高速模拟数字转换器，高速模拟数字转换器是把模拟量转换为数字量的装置，在本系统中完成的工作是将旋转变压器的正弦，余弦绕组输出的模拟电压量转换成为数字量，以进行数字运算。高速模拟数字转换器连接闭环解码模块，输出的数字量依次经过乘加模块，除法模块、累加模块以及正余弦产生模块，最终得到旋转变压器的角位移值。
具体为：乘加模块为FPGA内部经过软件编程的IP核，将高速模拟数字转换器输出的数字量ua,ub与正余弦产生模块输出的反馈信息作乘法和加法运算，得到ue1,ue2输出给除法模块；
除法模块采用IP核，对输出量ue1,ue2作除法运算，得到商和余数，再将余数循环移位并与除数比较得到商的小数位，最后将商的整数和小数部分组合输出至累加模块。其中，在商的小数位求解过程中先将IP核模块输出的商，余数以及除数转换成原码，再进行移位相减，最后根据商整数的符号将小数位转换成补码输出。本系统中得到ue输出给累加模块，ue包含角位移输出值与真实角位移值θ间的角差信息，累加模块将多次的角差信息进行积累。
累加模块以除法模块运算得到的商作为模块输入，由于商的结果代表的是一个正切值，设计中要将商的值进行数据转换。若商为正数，则将商与+2π相减，若商为负数，则与-2π相减，最后将结果约束在-π～+π区间内，以满足正余弦产生模块输入范围要求。由于正余弦函数的周期性，这样处理对于下一步求解正余弦值并不影响。
正余弦产生模块与累加模块相对，设计采用CORDIC(坐标旋转数字计算机)算法，CORDIC算法不需要乘法器，运算速度快，精度高，适合于FPGA的实现；通过移位和加减运算，以及基于状态机的迭代计算正余弦函数值。正余弦产生模块具体的编程实现采用状态机模型，分为多个连续关联的状态转换。将其输出的角位移值的正余弦值作为反馈信息，反馈到乘加模块的输入。
所述的基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码方法，如图2所示，具体步骤如下：
步骤一、利用高速模拟数字转换器将旋转变压器输出的正弦绕组ua和余弦绕组信号ub转换为数字信号。
建立基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码算法数学模型；旋转变压器输出的正弦绕组和余弦绕组信号分别如下所示：
ua＝kvU sin(2πft)sinθ (1)
ub＝kvU sin(2πft)cosθ (2)
其中：ua为旋转变压器正弦绕组输出值；ub为旋转变压器余弦绕组输出值；kv是绕组输出的无量纲幅度值；U是绕组输出的有量纲幅度值；f为旋转变压器激励信号的频率值；t为时间值；θ为旋转变压器真实角位移值。
步骤二、使用乘加模块将正弦绕组信号ua和ub与测角系统的角位移输出值的正余弦分别相乘，并作加减法运算及三角公式变换得到输出量ue1,ue2；
具体计算如下：
经过加减法运算及三角公式变换得：
步骤三、利用除法模块对输出量ue1,ue2作除法运算，得到角度差信号的正切值ue；
其中，ue是角度差信号的正切值，
步骤四、将正切值ue与前一次的角位移输出值进行累加，作为新的值输出；
采用简化离散模型进行迭代，旋转变压器闭环解码算法的离散表达式为：
.....
为角位移输出的初始值；为第1次运算后的角位移输出值。同理，为第j次运算后的角位移输出值。θ1为第1次的真实角位移值；θj为第j次真实角位移值。
由离散表达式可知，当的时候，进入稳定状态。但是稳定时存在两种情况：及后者是需要避免的。初始化操作，解算过程中是将上一次算得的正切值作为角度误差进行下一次运算，若每次都以0作为的初值，在θ角度较大时，迭代会出现局部收敛的问题，故需对ua,ub两路信号及一路励磁信号的符号进行判断，从而确定θ的象限：当θ在第一象限，则迭代初值定为π/4，同理，当θ在第二象限，则迭代初值定为3π/4，当θ在第三象限，则迭代初值定为-3π/4，当θ在第四象限，则迭代初值定为-π/4；由此得到采样点迭代的最大范围为-π/4～+π/4，可以保证收敛及迭代速率。
考虑实际中旋转变压器连续旋转以及系统连续采样的情况，仅需要根据象限判断进行一次大角度迭代，由于连续采样时候间隔角度很小，有下一个采样点的迭代初始角度可使用前一个采样点的迭代结果，这样下一个的迭代仅需要很短时间就可达到稳定，进入跟踪状态。
步骤五、利用正余弦产生模块，将新的值的正弦及余弦值反馈到乘加模块中进行运算，返回步骤二，进行下一次的角位移运算。
步骤六、根据离散模型若干次迭代，得到稳定收敛的达到对θ的稳定跟踪状态。
本发明采用模块化设计，逻辑代码实现采用VHDL语言，可固化到FPGA逻辑芯片内，实现角位移的解算功能。同时由于VHDL语言的跨平台性，该方法也可快速移植到CPLD逻辑器件内。在QuartusⅡ中进行了功能仿真和时序仿真，在Cyclone的EP1C20F400I7器件上完成综合，共需6098个逻辑单元。
同时，本发明的闭环设计在于旋转变压器输出信号经过高速ADC、乘加模块、除法模块、累加模块后输出角位移值，为前向支路。正余弦产生模块作为反馈支路，将角位移差值反馈到下一个周期运算过程中。
系统时序控制保证各子模块按序进行运算，在每个模块中加入输入使能和输出使能端口，作用分别是接收上个模块在转换结束后发送的使能信号及在本模块运算结束后向下一个模块发送使能信号。
系统设计的输入、输出均为定点16位有符号数，其中整数部分3位，包括符号位，小数部分13位。系统中多含乘除等基本运算，故采用补码形式表示。
本发明未详细阐述的技术内容，属于本领域技术人员公知技术。
最后应该说明的是：本发明实施办法用以说明而非限制本发明的技术方案，所有不脱离本发明的精神和范围的修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统，其特征在于，包括旋转变压器、高速模拟数字转换器及基于FPGA的闭环解码模块；其中闭环解码模块包括乘加模块、除法模块、累加模块以及正余弦产生模块；
旋转变压器连接高速模拟数字转换器，由旋转变压器的正弦，余弦绕组输出的模拟电压量经过高速模拟数字转换器转换为数字量；高速模拟数字转换器连接闭环解码模块，输出的数字量依次经过乘加模块，除法模块、累加模块以及正余弦产生模块，最终得到旋转变压器的角位移值。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统，其特征在于，所述的乘加模块将高速模拟数字转换器输出的数字量ua,ub与正余弦产生模块输出的反馈信息作乘法和加法运算，得到ue1,ue2输出给除法模块，除法模块对输出量ue1,ue2作除法运算，得到ue输出给累加模块，ue包含角位移输出值与真实角位移值θ间的角差信息，累加模块将多次的角差信息进行积累；正余弦产生模块与累加模块相对，将角位移输出值作为反馈信息，反馈到乘加模块。
3.基于权利要求1所述的一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码系统的解码方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、利用高速模拟数字转换器将旋转变压器输出的正弦绕组ua和余弦绕组信号ub转换为数字信号；
旋转变压器输出的正弦绕组和余弦绕组信号分别如下所示：
ua＝kvU sin(2πft)sinθ (1)
ub＝kvU sin(2πft)cosθ (2)
其中：ua为旋转变压器正弦绕组输出值；ub为旋转变压器余弦绕组输出值；kv是绕组输出的无量纲幅度值；U是绕组输出的有量纲幅度值；f为旋转变压器激励信号的频率值；t为时间值；θ为旋转变压器真实角位移值；
步骤二、使用乘加模块将正弦绕组信号ua和ub与测角系统的角位移输出值的正余弦分别相乘，并作变形得到输出量ue1,ue2；
具体计算如下：
经过加减法运算及三角公式变换得：
步骤三、利用除法模块对输出量ue1,ue2作除法运算，得到正切值ue；
其中，ue是角度差信号的正切值，
步骤四、将正切值ue与前一次的角位移输出值进行累加，作为新的值输出；
步骤五、将新的值的正弦及余弦值反馈到乘加模块中进行运算，返回步骤二，进行下一次的角位移运算；
步骤六、根据离散模型若干次迭代，得到稳定收敛的达到对θ的稳定跟踪状态。
4.如权利要求3所述的一种基于FPGA的旋转变压器角位移闭环解码方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：
首先，选择离散模型中角位移输出的初始值
通过对ua,ub两路信号及一路励磁信号的符号进行判断，从而确定θ的象限：当θ在第一象限，则迭代初值定为π/4，同理，当θ在第二象限，则迭代初值定为3π/4，当θ在第三象限，则迭代初值定为-3π/4，当θ在第四象限，则迭代初值定为-π/4；
由此得到采样点迭代的最大范围为-π/4～+π/4；
然后，采用简化离散模型进行迭代，具体过程如下：
…..
为角位移输出的初始值；为第1次运算后的角位移输出值；同理，为第j次运算后的角位移输出值；θ1为第1次的真实角位移值；θj为第j次真实角位移值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20181127 |