CN109579676B - 一种基于双通道旋转变压器相位失锁的位置解码方法及系统 - Google Patents

一种基于双通道旋转变压器相位失锁的位置解码方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双通道旋转变压器相位失锁的位置解码方法及系统，其中方法，本发明中双通道旋转变压器的激励信号单独由粗头解码芯片提供；在位置解码过程中，最坏的情况就是粗头和精头数据零位不相等，导致角度跳转一个精头的周期角度值，同时激励信号与精头输出的正/余弦信号相位差超过锁相范围，出现相位失锁现象，导致角度再跳转半个精头角度周期值。本发明提供的解码位置控制方法不仅能解算精、粗头固有的零位不相等导致的角度跳转问题，同时在出现相位失锁时能解算出正确的当前位置。

Description

一种基于双通道旋转变压器相位失锁的位置解码方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于双通道旋转变压器相位失锁的位置解码方法，属于伺服控制位置反馈检测技术领域。
背景技术
在伺服控制领域，传统的单通道旋转变压器具有稳定可靠、适应恶劣条件等优点，其只有一组激励信号输入和两组反馈信号输出，因此只需要一组解码电路。解码芯片产生一组激励信号，经过运放滤波后提供给单通道旋转变压器。在位置闭环控制中，单通道旋转变压器反馈回两对正弦信号，经过滤波和运放后给解码芯片进行解码运算，得到速度和位置信号，微处理器经过SPI等方式读取位置和速度信息用于伺服闭环控制。但单通道旋转变压器的精度只能达到“分”级别，因此能应用于坏境恶劣、对精度要求不是很高的领域。传统单通道旋转变压器
随着武器装备等军用领域对坏境和精度的要求越来越苛刻，双通道旋转变压器应运而生，精度提高了一个等级，达到“秒”级别。它采用粗头加精头的方法，将粗头和精头反馈信号经过解码芯片后送到微处理器进行运算解析，得到精度更高的位置信息。
双通道旋转变压器包括粗头和精头两部分，传统的位置解码方法是将粗头和精头的位置数据组合解析，配合粗、精头的机械零位误差作软件处理。一般是先找到粗、精头的机械零位误差，软件中减去此零位误差。首先每个双通道旋转变压器由于生产工艺，机械零位都不一样，软件调试需要针对每个产品分别调试，其次，此机械零位非常难确定为某一具体数值。另外双通道旋转变压器一般有一对输入激励信号、两对粗头输出信号和两对精头输出信号，当输入激励信号与粗、精头输出的正/余弦信号出现相位差超过锁相范围±44°(锁相范围是指解码芯片发出的正弦激励信号与旋转变压器反馈回来的正/余弦信号相位差的角度范围，默认的锁相范围为±44°)时就会发生相位失锁，导致角度跳转。研究中发现对于双通道旋转变压器，对于同一组激励信号，粗、精头输出的正/余弦信号有一组可能会出现相位漂移导致相位失锁，发生相位失锁的粗头或精头角度会发生跳转。当激励信号与粗头输出的正/余弦信号发生相位失锁时，角度会跳转180°，当激励信号与精头输出的正/余弦信号发生相位失锁时，角度会跳转相应角度周期的一半，而现有技术中没有提出出现相位失锁时的解决方法。
发明内容
本发明旨在解决双通道旋转变压器出现相位失锁时角度跳转问题，提供一种控制精度达到秒级的位置解码方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
提供一种基于双通道旋转变压器相位失锁的位置解码方法，包括以下步骤：
(1)根据双通道旋转变压器粗精比确定精头跳转周期和相位失锁的角度跳转周期并计算出最坏情况下角度跳转范围；
(2)对粗头和精头的数据进行角组合得到组合数据，并将组合数据乘以角度分辨率M得到组合角度；
(3)将步骤2得到的组合角度整体偏移最坏情况下角度跳转范围得到新的角度，所述偏移方法为将组合角度减去最坏情况下角度跳转范围；
(4)判断新的角度与粗头位置的角度差的绝对值：
如果绝对值小于
Figure BDA0001879083580000031
其中T为精头跳转周期，则输出当前位置为新的角度；
否则将新的角度加上
Figure BDA0001879083580000032
得到角度作为新的角度，循环执行步骤4；
当循环次数大于6次，退出此步骤并输出当前位置为新的角度。
进一步地，对粗头和精头的数据进行角组合得到组合数据的方法为取粗头数据的高5位与精头数据高11位组合得到新的16位数据。
进一步地，所述角度分辨率M的表达式为：
Figure BDA0001879083580000033
进一步地，双通道旋转变压器粗精比为1：2n时，精头跳转周期为
Figure BDA0001879083580000034
进一步地，精头的次高位发生0、1的跳转，相位失锁导致角度跳转周期为
Figure BDA0001879083580000035
度。
进一步地，最坏情况下角度跳转范围为±16.875°。
在另一方面，本发明提供了一种基于双通道旋转变压器的雷达伺服控制系统，包括上位机、控制器、驱动器、电机和双通道旋转变压器；所述控制器包括微处理器、AD2S1210解码芯片、信号调理电路，
所述上位机通过串口发送目标位置和控制指令给控制器，微处理器首先配置AD2S1210解码芯片，单独让粗头解码芯片产生激励信号，经过信号调理电路后激励双通道旋转变压器，双通道旋转变压器接收激励信号后粗、精头分别反馈相应正/余弦信号，反馈信号经过信号调理电路后回到AD2S1210解码芯片，微处理器通过SPI方式读取解码芯片解析出位置数据，根据指令和反馈位置信号给出指令信号，由驱动器驱动电机运动，形成位置闭环控制；
所述微处理器解析出位置数据时采用的位置解码方法为上述技术方案中的基于双通道旋转变压器相位失锁的位置解码方法。
本发明所达到的有益效果：本发明提供的位置解码方法包含粗、精头数据组合解析和相位失锁数据跳变处理；粗、精头数据组合解析不需要考虑双通道旋转变压器的机械零位，省去了繁琐的找零过程；对于可能会出现的相位失锁现象，掌握数据跳变规律，在粗、精头数据组合解析过程中作相应算法处理，无论双通道旋转变压器是否出现相位失锁，均能正确解析出当前位置，使得双通道旋转变压器位置解码方法简单有效。
附图说明
图1是本发明位置解码控制方法流程图；
图2是本发明具体实施例位置解码控制方法流程图；
图3是本发明具体实施例硬件结构示意图；
图4是本发明具体实施例基于双通道旋转变压器的雷达伺服控制系统框架图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例提供了一种基于双通道旋转变压器的雷达伺服控制系统，其硬件结构如图3示出，包括上位机、控制器、驱动器、电机和双通道旋转变压器；所述控制器包括微处理器、AD2S1210解码芯片、信号调理电路；通道旋转变压器的激励信号单独由粗头解码芯片提供。
图4是本发明具体实施例基于双通道旋转变压器的雷达伺服控制系统框架图，图4示出了所述上位机通过串口发送目标位置和控制指令给控制器，微处理器首先配置AD2S1210解码芯片，单独让粗头解码芯片产生激励信号，经过信号调理电路后激励双通道旋转变压器，双通道旋转变压器接收激励信号后粗、精头分别反馈相应正/余弦信号，反馈信号经过信号调理电路后回到AD2S1210解码芯片，微处理器通过SPI方式读取解码芯片解析出位置数据，根据指令和反馈位置信号给出指令信号，由驱动器驱动电机运动，形成位置闭环控制；
在本实施例中，所述微处理器采用16位的英飞凌单片机，AD2S1210解码芯片分辨率采用16bit，激励频率为5kHz。单片机通过SPI分别读取粗、精头解码芯片的16bit位置信息。将粗头的低5位和精头的高11位作为基础计算位置数据。由于双通道旋转变压器粗精比为1:32，粗头角度周期为0～360°，精头角度周期为0～11.25°。当精头正/余弦信号与激励信号发生相位失锁时，精头角度度数会跳转5.625°。
微处理器英飞凌单片机解析出位置数据时采用的位置解码方法为实施例1的基于双通道旋转变压器相位失锁的位置解码方法。
本发明中双通道旋转变压器的激励信号单独由粗头解码芯片提供；在位置解码过程中，最坏的情况就是粗头和精头数据零位不相等，导致角度跳转一个精头的周期角度值，同时激励信号与精头输出的正/余弦信号相位差超过锁相范围，出现相位失锁现象，导致角度再跳转半个精头角度周期值。本发明提供的解码位置控制方法不仅能解算精、粗头固有的零位不相等导致的角度跳转问题，同时在出现相位失锁时能解算出正确的当前位置。
本实施例中所述微处理器解析出位置数据时采用的位置解码方法包括以下步骤：
(1)根据双通道旋转变压器粗精比确定精头跳转周期和相位失锁的角度跳转周期并计算出最坏情况下角度跳转范围；
(2)对粗头和精头的数据进行角组合得到组合数据，并将组合数据乘以角度分辨率M得到组合角度；
(3)将步骤2得到的组合角度整体偏移最坏情况下角度跳转范围得到新的角度，所述偏移方法为将组合角度减去最坏情况下角度跳转范围；
(4)判断新的角度与粗头位置的角度差的绝对值：
如果绝对值小于
Figure BDA0001879083580000061
其中T为精头跳转周期，则输出当前位置为新的角度；
否则将新的角度加上
Figure BDA0001879083580000071
得到角度作为新的角度，循环执行步骤4；
当循环次数大于6次，退出此步骤并输出当前位置为新的角度。
在以上实施例的基础上，对粗头和精头的数据进行角组合得到组合数据的方法为取粗头数据的高5位与精头数据高11位组合得到新的16位数据。
在以上实施例的基础上，所述角度分辨率M的表达式为：
Figure BDA0001879083580000072
在以上实施例的基础上，双通道旋转变压器粗精比为1：2n时，精头跳转周期为
Figure BDA0001879083580000073
实施例2：本实施例提供了一种基于双通道旋转变压器相位失锁的位置解码方法，其激励信号单独由粗头解码芯片提供；
包括以下步骤：
(1)根据双通道旋转变压器粗精比确定精头跳转周期和相位失锁的角度跳转周期并计算出最坏情况下角度跳转范围；
假设双通道旋转变压器粗精比为1：2n，则精头角度周期为
Figure BDA0001879083580000074
理论计算可以得到，正常情况下由于粗、精头零位不一致，导致粗头数据的第n位和精头数据的最高位不匹配，例如实际位置角度增加过程中，粗头数据的第n位和精头数据的最高位理应从01变成10，由于零位不一样可能使数据从01变成00，导致角度跳转了T度。同样，由于相位失锁问题会导致精头的次高位发生0、1的跳转，角度会跳转
Figure BDA0001879083580000075
度。为了算法实现简单，粗、精头组合的新角度整体偏移
Figure BDA0001879083580000076
加上新角度数据本身可能出现的最大
Figure BDA0001879083580000077
度，总共会有3T度的误差值。将组合的新角度与粗头角度作差的绝对值与
Figure BDA0001879083580000081
比较，6次比较运算直到绝对差值小于
Figure BDA0001879083580000082
输出当前位置，否则输出当前位置加上
Figure BDA0001879083580000083
6次运算后能保证最坏的情况下也能解算出正确的位置。
(2)对粗头和精头的数据进行角组合得到组合数据，并将组合数据乘以角度分辨率M得到组合角度；
(3)将步骤2得到的组合角度整体偏移最坏情况下角度跳转范围得到新的角度，所述偏移方法为将组合角度减去最坏情况下角度跳转范围；
(4)判断新的角度与粗头位置的角度差的绝对值：
如果绝对值小于
Figure BDA0001879083580000084
其中T为精头跳转周期，则输出当前位置为新的角度；
否则将新的角度加上
Figure BDA0001879083580000085
得到角度作为新的角度，循环执行步骤4；
当循环次数大于6次，退出此步骤并输出当前位置为新的角度。
在本实施例中如果绝对值小于5.625°，则输出当前位置为新的角度；
否则将新的角度加上5.625°得到角度作为新的角度，循环执行步骤4；
当循环次数大于6次，退出此步骤并输出当前位置为新的角度。
需要说明的是实施过程中，角度差的绝对值小于
Figure BDA0001879083580000086
时才是输出的当前正确位置，大于
Figure BDA0001879083580000087
才需要进行下面的运算。循环次数不一定是6次，可能是2次，也可能是4次，最坏情况下才是6次，判断的依据是差的绝对值是否小于
Figure BDA0001879083580000088
图2是本发明具体实施例位置解码控制方法流程图；图2示出的实施例中，CH1、CH2分别为单片机读取的16位粗、精头位置数据。取粗头数据的高5位为A，精头数据高11位为B，A和B组合得到新的16位数据，乘以角度分辨率M得到角度C。理论上A的第5位和B的最高有效位互相配合不存在角度跳转问题，但是由于生产的误差形成的零位偏移和出现的相位失锁导致不能匹配，发生角度跳转11.25°现象。同理，激励信号(粗机)可能与精头反馈信号发生相位漂移，产生相位失锁，导致B的次高位会发生0、1的跳转，发生角度跳转5.625°的现象。由于可能会同时出现零位偏差和相位失锁，最坏情况下C角度本身会出现跳转±16.875°。将C角度减去参数N，整体偏移16.875°得到C1。D为粗头位置。E为C1和D角度差的绝对值，如果E大于5.625，则C1加上5.625得到新的位置角度C2，C2与D的绝对差值为E1，否则输出当前位置C1。最坏情况是角度跳转±16.875°，再整体偏移-16.875°，角度跳转范围为(-33.75°～0°)，6次差值比较运算，直到绝对差值小于5.625，输出当前位置F等于C1、C2、C3、C4、C5或C6，否则输出C6+5.625，6次运算后能保证相位失锁情况下也能解算出正确的位置。
其中
Figure BDA0001879083580000091
N＝16.875，N参数为最大出现的差值，其中包括精头周期11.25和出现相位失锁时的跳转角度5.625。
实施例中，试验测试：例如粗头16位读出的角度为D＝26，因为精度要求取其高5位，相当于精头角度转11.25粗头就加1(类似11.25进制)，所以粗头高5位A*M＝22.5；同样因为精度要求粗头取其高11位，B*M＝3，粗精头组合角度C＝22.5+3＝25.5。如果简单把C作为当前位置，可能会因为粗精头零位不一样，所以在精头零位点组合角度就会发生±11.25的跳转。同时由于可能发生相位失锁，所以最大偏移误差为±16.875，所以计算得到C1＝8.625，C1与粗头角度D的差的绝对值E＝17.375，E>5.625，则进入下一步计算。C2＝14.25，E1＝11.75，仍然大于5.625，则C3＝19.875，E2＝6.125，仍然大于5.625，继续计算C4＝25.5，E3＝0.5，E3<5.625，所以输出实际角度F＝25.5，输出角度变化连续，不会出现11.25或5.625角度跳转。(此种情况只发生粗、精头零点不同，所以4次即完成运算)
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双通道旋转变压器相位失锁的位置解码方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)根据双通道旋转变压器粗精比确定精头跳转周期和相位失锁的角度跳转周期并计算出最坏情况下角度跳转范围；
(2)对粗头和精头的数据进行角组合得到组合数据，并将组合数据乘以角度分辨率M得到组合角度；
(3)将步骤(2)得到的组合角度整体偏移最坏情况下角度跳转范围得到新的角度，偏移方法为将组合角度减去最坏情况下角度跳转范围；
(4)判断新的角度与粗头位置的角度差的绝对值：
如果绝对值小于
Figure FDA0002736829320000011
其中T为精头跳转周期，则输出当前位置为新的角度；
否则将新的角度加上
Figure FDA0002736829320000012
得到角度作为新的角度，循环执行步骤(4)；
当循环次数大于6次，退出此步骤并输出当前位置为新的角度。
2.根据权利要求1所述的位置解码方法，其特征是，对粗头和精头的数据进行角组合得到组合数据的方法为取粗头数据的高5位与精头数据高11位组合得到新的16位数据。
3.根据权利要求1所述的位置解码方法，其特征是，所述角度分辨率M的表达式为：
Figure FDA0002736829320000013
4.根据权利要求1所述的位置解码方法，其特征是，双通道旋转变压器粗精比为1：2n时，精头跳转周期为
Figure FDA0002736829320000021
5.根据权利要求4所述的位置解码方法，其特征是，
精头的次高位发生0、1的跳转，相位失锁导致角度跳转周期为
Figure FDA0002736829320000022
度。
6.根据权利要求5所述的位置解码方法，其特征是，
最坏情况下角度跳转范围为±16.875°。
7.基于双通道旋转变压器的雷达伺服控制系统，其特征是，包括上位机、控制器、驱动器、电机和双通道旋转变压器；所述控制器包括微处理器、AD2S1210解码芯片、信号调理电路，
所述上位机通过串口发送目标位置和控制指令给控制器，微处理器首先配置AD2S1210解码芯片，单独让粗头解码芯片产生激励信号，经过信号调理电路后激励双通道旋转变压器，双通道旋转变压器接收激励信号后粗、精头分别反馈相应正/余弦信号，反馈信号经过信号调理电路后回到AD2S1210解码芯片，微处理器通过SPI方式读取解码芯片解析出位置数据，根据指令和反馈位置信号给出指令信号，由驱动器驱动电机运动，形成位置闭环控制；
所述微处理器解析出位置数据时采用的位置解码方法为如权利要求1～6任意一项权利要求所述的基于双通道旋转变压器相位失锁的位置解码方法。
8.根据权利要求7的基于双通道旋转变压器的雷达伺服控制系统，其特征是，双通道旋转变压器采用粗精比为1:32，精度为30″。
9.根据权利要求7的基于双通道旋转变压器的雷达伺服控制系统，其特征是，所述微处理器为英飞凌单片机。
10.根据权利要求7的基于双通道旋转变压器的雷达伺服控制系统，其特征是，双通道旋转变压器的激励信号单独由粗头解码芯片提供。
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