CN111665765B - 一种基于dsp的旋转变压器解码系统 - Google Patents

一种基于dsp的旋转变压器解码系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DSP的旋转变压器解码系统,属于伺服控制领域,该系统由DSP芯片、旋转变压器、激励信号源、信号调理电路和象限判断电路组成,系统采用同步采样和DMA技术实现信号高速采样,采用单向量S变换和ATO算法实现高精度旋转变压器解码算法,本发明为旋转变压器解码提供了一种低成本、高精度和实时的解决方案。

Description

一种基于DSP的旋转变压器解码系统
技术领域
本发明属于伺服控制领域,涉及一种基于DSP的旋转变压器解码系统,尤其涉及一种采用TMS320F28335PGFA芯片的DMA技术、单向量S变换和角度跟踪算法的旋转变压器解码系统。
背景技术
旋转变压器作为一种位置传感器,其精度高、结构坚固、可靠耐用,广泛应用于轨道交通、机器人、飞机等工业领域,但旋转变压器输出信号是模拟信号,从中解算出转轴的位置信息,通常采用专用的解码芯片,这会增加系统成本,降低系统灵活性。
利用软件实现旋转变压器解码替代专用解码芯片越来越受到关注,这种方案通过将解码算法嵌入到伺服控制系统,在保证解码精度的同时,几乎不增加硬件成本,但需要对解码方法做精心设计;本发明以DSP芯片为核心,结合简单的外部电路,采用强抗干扰的单向量S变换和角度跟踪算法,实现旋转变压器的高精度解码;同时利用DSP芯片的DMA技术,减少DSP芯片CPU开销,保证解码系统的实时性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DSP的旋转变压器解码系统,用于伺服控制系统的旋转变压器角度解算,降低系统成本,提高解码精度和实时性。
本发明所述的一种基于DSP的旋转变压器解码系统,包括DSP芯片、旋转变压器、激励信号源、信号调理电路和象限判断电路,所述DSP芯片为TMS320F28335PGFA,DSP芯片的引脚GPIO20和GPIO21分别连接象限判断电路的输出信号qs和qc,DSP芯片的ADC通道ADCINA0和ADCINB0分别连接信号调理电路的输出信号
Figure BDA0002558941910000011
和/>
Figure BDA0002558941910000012
本发明所述的象限判断电路的3路输入信号分别为激励信号源输出信号ue,旋转变压器输出正弦信号us和余弦信号uc,象限判断电路的2路输出信号分别为qs和qc,所述象限判断电路由3个过零比较器和2个异或电路组成,us,ue和uc分别输入过零比较器1、过零比较器2和过零比较器3,过零比较器1和过零比较器2的输出端分别连接异或电路1的2个输入端,异或电路1的输出信号qs连接DSP芯片引脚GPIO20,过零比较器2和过零比较器3的输出端分别连接异或电路2的2个输入端,异或电路2的输出信号qc连接DSP芯片引脚GPIO21。
本发明所述的DSP芯片的ADC通道ADCINA0和ADCINB0分别连接信号调理电路的输出信号
Figure BDA0002558941910000021
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DSP芯片采集信号/>
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和/>
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包括如下步骤:
S1:启动ADC同步采样通道ADCINA0和ADCINB0,进入步骤S2;
S2:判断采样是否完成,若是则进入步骤S3,否则等待;
S3:启动DMA进行数据传输,所述DMA是指DSP芯片的直接存储器访问技术,进入步骤S4;
S4:判断暂存标志fm是否等于0,若是则进入步骤S5,否则进入步骤S7;
S5:将采集的数据传输至数据缓冲区0,进入步骤S6;
S6:令fm=1,进入步骤S9;
S7:将采集的数据传输至数据缓冲区1,进入步骤S8;
S8:令fm=0,进入步骤S9;
S9:判断DMA传输是否完成,若是则进入步骤S10,否则等待;
S10:进入DMA中断,执行旋转变压器解码算法。
本发明所述的DSP芯片完成旋转变压器解码算法,求解出旋转变压器转动角度,所述旋转变压器解码算法包括如下步骤:
T1:对采集的数据序列
Figure BDA0002558941910000025
和/>
Figure BDA0002558941910000026
分别求单向量S变换,得到模包络序列/>
Figure BDA0002558941910000027
Figure BDA0002558941910000028
其中n=0,1,2,...,N-1,进入步骤T2;
T2:采用如下公式计算角度差序列Δθ(n):
Figure BDA0002558941910000029
进入步骤T3;
T3:判断Δθ(n)是否小于et,所述et为预设的误差容限,其设置范围为0.01~0.0001,若是则进入步骤T5,否则进入步骤T4;
T4:令θ(n)=θ(n)+Δθ(n),返回步骤T2;
T5:判断θ(n)是否处于象限1,若是则进入步骤T11,否则进入步骤T6;
T6:判断θ(n)是否处于象限2,若是则进入步骤T7,否则进入步骤T8;
T7:令θ(n)=180-θ(n),进入步骤T1l;
T8:判断θ(n)是否处于象限3,若是则进入步骤T9,否则进入步骤T10;
T9:令θ(n)=180+θ(n),进入步骤T11;
T10:令θ(n)=360-θ(n),进入步骤T11;
T11:输出角度序列θ(n)。
本发明所述的DSP芯片检测象限判断电路的2路输出信号qs和qc,并利用这2路信号判断旋转变压器转轴位置所处象限,DSP芯片采用如下步骤实现象限判断:
P1:根据检测信号qs和qc的状态组合成二进制变量qx,进入步骤P2;
P2:判断qx是否等于00b,其中b表示二进制数值,若是则进入步骤P3,否则进入步骤P4;
P3:令象限值Qu=1,进入步骤P9;
P4:判断qx是否等于01b,若是则进入步骤P5,否则进入步骤P6;
P5:令象限值Qu=2,进入步骤P9;
P6:判断qx是否等于11b,若是则进入步骤P7,否则进入步骤P8;
P7:令象限值Qu=3,进入步骤P9;
P8:令象限值Qu=4,进入步骤P9;
P9:输出象限值Qu。
本发明的有益效果是,通过提供一种基于DSP的旋转变压器解码系统,只需在DSP芯片外部增加简单的信号调理和象限判断电路,结合DSP内部的解码算法,就可实现旋转变压器的实时高精度解码。
附图说明
图1为本发明的系统整体框图。
图2为本发明的象限判断电路原理图。
图3为本发明的信号采集流程图。
图4为本发明的旋转变压器解码算法流程图。
图5为本发明的象限判断方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施实例进行阐述,需要说明的是,优选实施实例是为了进一步说明本发明,而不是为了限制本发明的保护范围。
图1为本发明的系统整体框图,所述的一种基于DSP的旋转变压器解码系统,包括DSP芯片、旋转变压器、激励信号源、信号调理电路和象限判断电路,所述DSP芯片为TMS320F28335PGFA,DSP芯片的引脚GPIO20和GPIO21分别连接象限判断电路的输出信号qs和qc,DSP芯片的ADC通道ADCINA0和ADCINB0分别连接信号调理电路的输出信号
Figure BDA0002558941910000041
和/>
Figure BDA0002558941910000042
图2为本发明的象限判断电路原理图,其3路输入信号分别为激励信号源输出信号ue,旋转变压器输出正弦信号us和余弦信号uc,象限判断电路的2路输出信号分别为qs和qc,所述象限判断电路由3个过零比较器和2个异或电路组成,us,ue和uc分别输入过零比较器1、过零比较器2和过零比较器3,过零比较器1和过零比较器2的输出端分别连接异或电路1的2个输入端,异或电路1的输出信号qs连接DSP芯片引脚GPIO20,过零比较器2和过零比较器3的输出端分别连接异或电路2的2个输入端,异或电路2的输出信号qc连接DSP芯片引脚GPIO21。
本发明所述的信号调理电路由电压偏置电路和比例运算电路组成,作用是将旋转变压器的双极性电压信号转换为0~3V之间的电压信号,以满足DSP芯片的ADC通道对输入信号的要求。
本发明所述的DSP芯片的ADC通道ADCINA0和ADCINB0分别连接信号调理电路的输出信号
Figure BDA0002558941910000043
和/>
Figure BDA0002558941910000044
图3所示为本发明的DSP芯片采集信号流程图,包括如下步骤:
S1:启动ADC同步采样通道ADCINA0和ADCINB0,进入步骤S2;
S2:判断采样是否完成,若是则进入步骤S3,否则等待;
S3:启动DMA进行数据传输,所述DMA是指DSP芯片的直接存储器访问技术,进入步骤S4;
S4:判断暂存标志fm是否等于0,若是则进入步骤S5,否则进入步骤S7;
S5:将采集的数据传输至数据缓冲区0,进入步骤S6;
S6:令fm=1,进入步骤S9;
S7:将采集的数据传输至数据缓冲区1,进入步骤S8;
S8:令fm=0,进入步骤S9;
S9:判断DMA传输是否完成,若是则进入步骤S10,否则等待;
S10:进入DMA中断,执行旋转变压器解码算法。
图4为本发明的旋转变压器解码算法,所述旋转变压器解码算法包括如下步骤:
T1:对采集的数据序列
Figure BDA0002558941910000051
和/>
Figure BDA0002558941910000052
分别求单向量S变换,得到模包络序列/>
Figure BDA0002558941910000053
和/>
Figure BDA0002558941910000054
其中n=0,1,2,...,N-1,进入步骤T2;
所述的单向量S变换采用快速算法,首先对输入信号做FFT(快速傅里叶变换)运算,然后对FFT结果针对激励频率点移位,最后对移位结果做反FFT运算。
T2:采用如下公式计算角度差序列Δθ(n):
Figure BDA0002558941910000055
进入步骤T3;
T3:判断Δθ(n)是否小于et,所述et为预设的误差容限,其设置范围为0.01~0.0001,若是则进入步骤T5,否则进入步骤T4;
T4:令θ(n)=θ(n)+Δθ(n),返回步骤T2;
T5:判断θ(n)是否处于象限1,若是则进入步骤T11,否则进入步骤T6;
T6:判断θ(n)是否处于象限2,若是则进入步骤T7,否则进入步骤T8;
T7:令θ(n)=180-θ(n),进入步骤T11;
T8:判断θ(n)是否处于象限3,若是则进入步骤T9,否则进入步骤T10;
T9:令θ(n)=180+θ(n),进入步骤T11;
T10:令θ(n)=360-θ(n),进入步骤T11;
T11:输出角度序列θ(n)。
图5为本发明的象限判断方法流程图,所述DSP芯片检测象限判断电路的2路输出信号qs和qc,并利用这2路信号判断旋转变压器转轴位置所处象限,DSP芯片采用如下步骤实现象限判断:
P1:根据检测信号qs和qc的状态组合成二进制变量qx,进入步骤P2;
P2:判断qx是否等于00b,其中b表示二进制数值,若是则进入步骤P3,否则进入步骤P4;
P3:令象限值Qu=1,进入步骤P9;
P4:判断qx是否等于01b,若是则进入步骤P5,否则进入步骤P6;
P5:令象限值Qu=2,进入步骤P9;
P6:判断qx是否等于11b,若是则进入步骤P7,否则进入步骤P8;
P7:令象限值Qu=3,进入步骤P9;
P8:令象限值Qu=4,进入步骤P9;
P9:输出象限值Qu。
以上所述的本发明的实施方式,并非成为本发明保护范围的限定,倘若对本发明实施方式进行各种变形或修改,但尚在本发明的精神和原则之内,均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于DSP的旋转变压器解码系统,包括DSP芯片、旋转变压器、激励信号源、信号调理电路和象限判断电路,所述DSP芯片为TMS320F28335PGFA,DSP芯片的引脚GPIO20和GPIO21分别连接象限判断电路的输出信号qs和qc,DSP芯片的ADC通道ADCINA0和ADCINB0分别连接信号调理电路的输出信号
Figure FDA0004149632780000011
和/>
Figure FDA0004149632780000012
所述象限判断电路的3路输入信号分别为激励信号源输出信号ue,旋转变压器输出正弦信号us和余弦信号uc,象限判断电路的2路输出信号分别为qs和qc,其特征在于,所述象限判断电路由3个过零比较器和2个异或电路组成,us、ue和uc分别输入过零比较器1、过零比较器2和过零比较器3,过零比较器1和过零比较器2的输出端分别连接异或电路1的2个输入端,异或电路1的输出信号qs连接DSP芯片引脚GPIO20,过零比较器2和过零比较器3的输出端分别连接异或电路2的2个输入端,异或电路2的输出信号qc连接DSP芯片引脚GPIO21。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的旋转变压器解码系统,其DSP芯片的ADC通道ADCINA0和ADCINB0分别连接信号调理电路的输出信号
Figure FDA0004149632780000013
和/>
Figure FDA0004149632780000014
其特征在于,DSP芯片采集信号/>
Figure FDA0004149632780000015
和/>
Figure FDA0004149632780000016
包括如下步骤:
S1:启动ADC同步采样通道ADCINA0和ADCINB0,进入步骤S2;
S2:判断采样是否完成,若是则进入步骤S3,否则等待;
S3:启动DMA进行数据传输,所述DMA是指DSP芯片的直接存储器访问技术,进入步骤S4;
S4:判断暂存标志fm是否等于0,若是则进入步骤S5,否则进入步骤S7;
S5:将采集的数据传输至数据缓冲区0,进入步骤S6;
S6:令fm=1,进入步骤S9;
S7:将采集的数据传输至数据缓冲区1,进入步骤S8;
S8:令fm=0,进入步骤S9;
S9:判断DMA传输是否完成,若是则进入步骤S10,否则等待;
S10:进入DMA中断,执行旋转变压器解码算法。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的旋转变压器解码系统,其DSP芯片完成旋转变压器解码算法,求解出旋转变压器转动角度,其特征在于,所述旋转变压器解码算法包括如下步骤:
T1:对采集的数据序列
Figure FDA0004149632780000017
和/>
Figure FDA0004149632780000018
分别求单向量S变换,得到模包络序列/>
Figure FDA0004149632780000019
Figure FDA00041496327800000110
其中n=0,1,2,…,N-1,进入步骤T2;
T2:采用如下公式计算角度差序列Δθ(n):
Figure FDA0004149632780000021
进入步骤T3;
T3:判断Δθ(n)是否小于et,所述et为预设的误差容限,其设置范围为0.01~0.0001,若是则进入步骤T5,否则进入步骤T4;
T4:令θ(n)=θ(n)+Δθ(n),返回步骤T2;
T5:判断θ(n)是否处于象限1,若是则进入步骤T11,否则进入步骤T6;
T6:判断θ(n)是否处于象限2,若是则进入步骤T7,否则进入步骤T8;
T7:令θ(n)=180-θ(n),进入步骤T11;
T8:判断θ(n)是否处于象限3,若是则进入步骤T9,否则进入步骤T10;
T9:令θ(n)=180+θ(n),进入步骤T11;
T10:令θ(n)=360-θ(n),进入步骤T11;
T11:输出角度序列θ(n)。
4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的旋转变压器解码系统,其DSP芯片检测象限判断电路的2路输出信号qs和qc,并利用这2路信号判断旋转变压器转轴位置所处象限,其特征在于,DSP芯片采用如下步骤实现象限判断:
P1:根据检测信号qs和qc的状态组合成二进制变量qx,进入步骤P2;
P2:判断qx是否等于00b,其中b表示二进制数值,若是则进入步骤P3,否则进入步骤P4;
P3:令象限值Qu=1,进入步骤P9;
P4:判断qx是否等于01b,若是则进入步骤P5,否则进入步骤P6;
P5:令象限值Qu=2,进入步骤P9;
P6:判断qx是否等于11b,若是则进入步骤P7,否则进入步骤P8;
P7:令象限值Qu=3,进入步骤P9;
P8:令象限值Qu=4,进入步骤P9;
P9:输出象限值Qu
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