CN118149863A - 一种低成本小型化旋变角度转换装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于旋转类惯导电气系统设计技术领域，具体涉及一种低成本小型化旋变角度转换装置及方法。通过小型化低成本角度转换模块的引入优化旋转类惯导的电气架构，提出一种低成本小型化旋变角度转换装置及方法，简化旋转框架的信息交联接口，提高信号传输可靠性的同时，简化对系统导航机的电气接口要求，更易实现模块复用和推广。
Description
技术领域
本发明属于旋转类惯导电气系统设计技术领域，具体涉及一种低成本小型化旋变角度转换装置及方法。
背景技术
旋转类惯导需要使用框架角度编码器实现系统姿态的解算，旋转变压器以其良好的环境适应性和较高的测量精度广泛应用于旋转类惯导产品中。
高精度旋转变压器采用粗精组合设计，模拟信号输出，因此需要在传统旋转类惯导设计中需要经过导电滑环完成多路模拟信号的传输，在导航计算机端实现角度信号的模拟数字转换。一方面导致导电环传输信号增加，降低系统可靠性，另一方面模拟信号传输距离过长导致角度数据易受框架电机等功率源干扰，第三方面还造成导航计算机接口复杂，难以实现与其它捷联惯导产品的模块级复用。
发明内容
本发明的目的：本发明通过小型化低成本角度转换模块的引入优化旋转类惯导的电气架构，提出一种低成本小型化旋变角度转换装置及方法，简化旋转框架的信息交联接口，提高信号传输可靠性的同时，简化对系统导航机的电气接口要求，更易实现模块复用和推广。
本发明的技术方案：为实现上述技术目的，根据本发明的第一方面，提出一种低成本小型化旋变角度转换装置，包括滤波移相模块、同步器/数字转换模块、激磁参考发生模块、运放模块、数据采样模块、零位补偿模块、组合纠错模块、协议转换模块、检测模块；
滤波移相模块用于将双通道旋转变压器的模拟信号进行滤波，减少干扰引入的转换误差，并将信号幅值、相位调整至同步器/数字转换模块可接受范围内；
同步器/数字转换模块将旋转变压器的模拟信号经过AD转换、相敏解调器、积分器、闭环跟踪环路转换为数字角度数据；输出接口可以是并行总线，也可以是串行总线；
激磁参考发生模块用于产生双通道旋转变压器用的激磁参考信号，频率可根据旋转变压器的差异需求进行配置；
优选地，常用的频率从400Hz到10KHz；
运放模块用于对激磁参考进信号行功率放大，满足旋转变压器的功率需求；
数据采样模块将同步器/数字转换模块输出的数字信号进行采样；
优选地，采样频率可调，常用的频率为10KHz-200KHz；
零位补偿模块用于对数据采样模块采样到的双通道旋转变压器当前的角位置数据进行存储，作为初始零位，用于后续转换过程中的补偿和纠错；
组合纠错模块用于旋转变压器各通道数据的组合，补偿零位，对组合误差进行纠错；
检测模块用于监控整个装置的工作是否正常，包括初始化情况、数据的更新、同步器/数字转换模块的跟踪速率等，并把检测状态包传送至协议转换模块；
协议转换模块根据外部的数据发送指令将角度数据转换为指定的协议，并连同检测状态一并发送给上位机用户。
在一个可能的实施例中，所述数据采样模块包括粗通道单元、精通道单元，所述粗通道单元、精通道单元分别采用单通道RD芯片，分别实现对双通道旋变的角度采样和转换。
优选地，RD芯片型号选用1210系列。
优选地，所述旋变角度转换装置还包括电源模块，所述电源模块用于将外部供电转换为内部各模块所用电源。
在一个可能的实施例中，所述电源模块使用外部24V电源供电，在模块内部转换为3.3V、5V、12V器件使用电压。
根据本发明的第二方面，提出一种低成本小型化旋变角度转换方法，采用上述的一种低成本小型化旋变角度转换装置，包括以下步骤：
步骤1：上电后装置进行初始化配置；包括旋转变压器所需的激磁频率，最大跟踪速率等参数。
步骤2：控制同步器/数字转换模块周期采样旋转变压器的粗精通道角度数据。
步骤3：定义机械零位，并将此位置的粗通道和精通道的角度数据作为初始零位存储进零位补偿模块中。此步骤的好处在于可以定义任意位置作为旋变的机械零位，取消机械安装调零的要求。
步骤4：周期更新采样数据，分别将粗通道和精通道的原始码值与零位补偿模块中存储的零位做差得到当前的位置数据。此步骤的好处是粗通道和精通道可以实现零位对齐，消除旋转变压器的粗通道和精通道的原始零位加工误差超出纠错范围导致组合位置跳变的问题。
步骤5：粗通道和精通道的数据进行组合和纠错。
步骤6：检测模块采集纠错状态、数据更新状态、以及跟踪速率是否超限的状态。
步骤7：组合完成角度数据转换为指定的协议，根据外部数据发送指令，连同检测状态一并发送给上位机用户。
在一个可能的实施例中，在所述步骤5中，组合后的数据位数N由旋转变压器的极对数N1和同步器/数字转换模块的位数N2决定，N＝log2N1+N2；
纠错方法采用余数比较法，取粗通道第log2N1位后n位和精通道起始n位形成纠错码；当粗通道和精通道纠错码不一致，且精通道纠错码数值小于(2n-1-1)/2n，则粗通道第log2N1位加1；当粗通道和精通道纠错码不一致，且精通道纠错码数值大于(2n-1+1)/2n，则粗通道第log2N1位减1；
最终角度为纠错后粗通道起始log2N1和精通道N2组合后形成的N为二进制数据。
纠错能力由选择的粗通道和精通道重合位数决定。当选择n位重合数进行纠错时，则最大纠错角度值θ＝(360/N1)×(2n-1-1)/2n，n通常不大于3。基于步骤4已对加工中的粗大误差进行了补偿，因此不会存在大于最大纠错角度值的情况存在。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明将传统的激磁电源、RD解码、导航计算机粗精组合的分离式实现方式改进为单模块实现激磁生成、RD解码、粗精组合、定制化接口输出，最大程度的实现了集成化、小型化、低成本，并可将该模块安装于旋转框架上随旋转变压器实现，减少了框架导电环的信号需求，提高了传输的可靠性。此外通过与电机驱动器的一体化设计进一步降低体积和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优选实施例的一种低成本小型化旋变角度转换装置机构示意图。
图2为本发明实施例1的结构示意图；
图3为本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以互相结合，各个实施例可以相互参考和引用。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种低成本小型化旋变角度转换装置，包括滤波移相模块、同步器/数字转换模块、激磁参考发生模块、运放模块、数据采样模块、零位补偿模块、组合纠错模块、协议转换模块、检测模块；
滤波移相模块用于将双通道旋转变压器的模拟信号进行滤波，减少干扰引入的转换误差，并将信号幅值、相位调整至同步器/数字转换模块可接受范围内；
同步器/数字转换模块将旋转变压器的模拟信号经过AD转换、相敏解调器、积分器、闭环跟踪环路转换为数字角度数据；输出接口可以是并行总线，也可以是串行总线；
激磁参考发生模块用于产生双通道旋转变压器用的激磁参考信号，频率可根据旋转变压器的差异需求进行配置；
优选地，常用的频率从400Hz到10KHz；
运放模块用于对激磁参考进信号行功率放大，满足旋转变压器的功率需求；
数据采样模块将同步器/数字转换模块输出的数字信号进行采样；
优选地，采样频率可调，常用的频率为10KHz-200KHz；
零位补偿模块用于对数据采样模块采样到的双通道旋转变压器当前的角位置数据进行存储，作为初始零位，用于后续转换过程中的补偿和纠错；
组合纠错模块用于旋转变压器各通道数据的组合，补偿零位，对组合误差进行纠错；
检测模块用于监控整个装置的工作是否正常，包括初始化情况、数据的更新、同步器/数字转换模块的跟踪速率等，并把检测状态包传送至协议转换模块；
协议转换模块根据外部的数据发送指令将角度数据转换为指定的协议，并连同检测状态一并发送给上位机用户；
优选地，所述旋变角度转换装置还包括电源模块，所述电源模块用于将外部供电转换为内部各模块所用电源。
实施例1：
如图2所示，该模块采用两片单通道RD芯片(型号推荐1210系列)，分别实现对双通道旋变的角度采样和转换。精通道RD芯片产生的激磁参考通过运放进行放大输出，作为旋变粗通道和精通道共同的激磁。
旋变输出的粗通道和精通道模拟信号进入芯片后，通过二阶低通滤波网络实现旋变输出对RD输入的幅值调整，将电压调整至芯片可承受范围内，同时进行相位的偏移，使得RD芯片激磁参考输出相对于粗精信号的输入在规定的相位偏差范围内。
该模块使用外部24V电源供电，在模块内部转换为3.3V、5V、12V器件使用电压。
双通道旋变数据通过两片单通道RD芯片采样后进入FPGA内，同时FPGA也控制两片RD芯片的同步复位，并使用同一片晶振提供时钟参考，确保采样和组合的同步性。
FPGA将获取的粗通道和精通道数字量进行组合，转换为外部需要的SSI协议数据以及BISS协议数据分别发送给不同的上位机使用。
实施例2
如图3所示，该模块采用单片单通道RD芯片(型号推荐1210系列)，分时实现对双通道旋变的角度采样和转换。RD芯片产生的激磁参考通过运放进行放大输出，作为旋变粗通道和精通道共同的激磁。
旋变输出的粗通道和精通道模拟信号进入芯片后，首先经过切换开关，模块启动后先使用粗通道旋变数据，待框架控制在零位附近后切换到精通道，粗精通道模拟信号均通过同一个二阶低通滤波网络实现旋变输出对RD输入的幅值调整，将电压调整至芯片可承受范围内，同时进行相位的偏移，使得RD芯片激磁参考输出相对于粗精通道旋变信号的输入在规定的相位偏差范围内。此后RD芯片均采样精通道数据送入FPGA内，进行角度累加解算。
该模块使用外部24V电源供电，在模块内部转换为3.3V、5V、12V等器件使用电压。
FPGA将获取的精通道旋变数据进行增量式计算后得到实时的角位置数据，转换为外部需要的SSI协议数据以及BISS协议数据分别发送给不同的上位机使用。
装置工作流程
步骤1：上电后装置进行初始化配置，包括旋转变压器所需的激磁频率，最大跟踪速率等参数。
步骤2：控制同步器/数字转换模块周期采样旋转变压器的粗精通道角度数据。
步骤3：定义机械零位，并将此位置的粗通道和精通道的角度数据作为初始零位存储进零位补偿模块中。此步骤的好处在于可以定义任意位置作为旋变的机械零位，取消机械安装调零的要求。
步骤4：周期更新采样数据，分别将粗通道和精通道的原始码值与零位补偿模块中存储的零位做差得到当前的位置数据。此步骤的好处是粗通道和精通道可以实现零位对齐，消除旋转变压器的粗通道和精通道的原始零位加工误差超出纠错范围导致组合位置跳变的问题。
步骤5：粗通道和精通道的数据进行组合和纠错。
组合后的数据位数N由旋转变压器的极对数N1和同步器/数字转换模块的位数N2决定，N＝log2N1+N2。
纠错方法采用余数比较法，取粗通道第log2N1位后n位和精通道起始n位形成纠错码。当粗通道和精通道纠错码不一致，且精通道纠错码数值小于(2n-1-1)/2n，则粗通道第log2N1位加1；当粗通道和精通道纠错码不一致，且精通道纠错码数值大于(2n-1+1)/2n，则粗通道第log2N1位减1。
最终角度为纠错后粗通道起始log2N1和精通道N2组合后形成的N为二进制数据。
纠错能力由选择的粗通道和精通道重合位数决定。当选择n位重合数进行纠错时，则最大纠错角度值θ＝(360/N1)×(2n-1-1)/2n，n通常不大于3。基于步骤4已对加工中的粗大误差进行了补偿，因此不会存在大于最大纠错角度值的情况存在。
步骤6：检测模块采集纠错状态、数据更新状态、以及跟踪速率是否超限的状态。
步骤7：组合完成角度数据转换为指定的协议，根据外部数据发送指令，连同检测状态一并发送给上位机用户。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种低成本小型化旋变角度转换装置，其特征在于，包括滤波移相模块、同步器/数字转换模块、激磁参考发生模块、运放模块、数据采样模块、零位补偿模块、组合纠错模块、协议转换模块、检测模块；滤波移相模块用于将双通道旋转变压器的模拟信号进行滤波，并将信号幅值、相位调整至同步器/数字转换模块可接受范围内；同步器/数字转换模块将旋转变压器的模拟信号转换为数字角度数据；激磁参考发生模块用于产生双通道旋转变压器用的激磁参考信号；运放模块用于对激磁参考进信号行功率放大，满足旋转变压器的功率需求；数据采样模块将同步器/数字转换模块输出的数字信号进行采样；零位补偿模块用于对数据采样模块采样到的双通道旋转变压器当前的角位置数据进行存储，作为初始零位，用于后续转换过程中的补偿和纠错；组合纠错模块用于旋转变压器各通道数据的组合，补偿零位，对组合误差进行纠错；检测模块用于监控整个装置的工作是否正常，并把检测状态包传送至协议转换模块；协议转换模块根据外部的数据发送指令将角度数据转换为指定的协议，并连同检测状态一并发送给上位机用户。
2.根据权利要求1所述的一种低成本小型化旋变角度转换装置，其特征在于，所述数据采样模块包括粗通道单元、精通道单元，所述粗通道单元、精通道单元分别采用单通道RD芯片，分别实现对双通道旋变的角度采样和转换。
3.根据权利要求2所述的一种低成本小型化旋变角度转换装置，其特征在于，RD芯片型号选用1210系列。
4.根据权利要求1所述的一种低成本小型化旋变角度转换装置，其特征在于，所述激磁参考发生模块的激磁参考信号频率范围为400Hz到10KHz。
5.根据权利要求1所述的一种低成本小型化旋变角度转换装置，其特征在于，所述数据采样模块的采样频率范围为10KHz-200KHz。
6.根据权利要求1所述的一种低成本小型化旋变角度转换装置，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块用于将外部供电转换为内部各模块所用电源。
7.一种低成本小型化旋变角度转换方法，采用权利要求1-6任意一项所述的一种低成本小型化旋变角度转换装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：上电后进行初始化配置；
步骤2：控制同步器/数字转换模块周期采样旋转变压器的粗精通道角度数据；
步骤3：定义机械零位，并将此位置的粗通道和精通道的角度数据作为初始零位存储进零位补偿模块中；
步骤4：周期更新采样数据，分别将粗通道和精通道的原始码值与零位补偿模块中存储的零位做差得到当前的位置数据；
步骤5：粗通道和精通道的数据进行组合和纠错；
步骤6：检测模块采集纠错状态、数据更新状态、以及跟踪速率是否超限的状态；
步骤7：组合完成角度数据转换为指定的协议，根据外部数据发送指令，连同检测状态一并发送给上位机用户。
8.根据权利要求7所述的一种低成本小型化旋变角度转换方法，其特征在于，在所述步骤5中，组合后的数据位数N由旋转变压器的极对数N1和同步器/数字转换模块的位数N2决定，N＝log2N1+N2；
纠错方法采用余数比较法，取粗通道第log2N1位后n位和精通道起始n位形成纠错码；当粗通道和精通道纠错码不一致，且精通道纠错码数值小于(2n-1-1)/2n，则粗通道第log2N1位加1；当粗通道和精通道纠错码不一致，且精通道纠错码数值大于(2n-1+1)/2n，则粗通道第log2N1位减1；
最终角度为纠错后粗通道起始log2N1和精通道N2组合后形成的N为二进制数据。
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