雙通道多極旋轉變壓器一數字轉換器的設計與實現

    徐大林，廖良闖，高文政，黃慶安

    (1東南大學，江蘇南京210096；2江蘇自動化研究所，江蘇連云港222006)

    摘要：分析了雙通道多極轉變壓器一數字轉換器的組成及原理，應用數字化過采樣技術、閉環跟蹤解算算法、組合糾錯算法，設計實現了一種全數字型雙通道多極RDc轉換器，轉換精度高、結構簡單、成本低。

0引  言

    雙通道多極旋轉變壓器一數字轉換器(以下簡稱雙通道多極RDc)作為一種高精度、高可靠性的軸角測量儀器，具有測量精度高、結構簡單、運行可靠的特點，主要應用于高精度、高可靠性的控制測量領域，諸如航天、航空、機器人控制、大型數控機床等。

    雙通道多極旋轉變壓器一數字轉換系統一般由測角元件和解算電路兩部分組成。測角元件采用雙通道多極旋轉變壓器，而解算電路的實現方式目前主要有以下三種：

    (1)分立元件搭建的純硬件實現電路，結構復雜，體積大；

    (2)專用RDc芯片加組合電路，成本高(萬元)；

    (3)A／D轉換加軟件三角法查表解算、組合，精度低。本文采用一種雙通道多極RDc的全數字式實現方案，較少的外圍電路元件完成信號調理，而其他功能部分全部由DsP利用數字處理方式實現，具有成本低(千元)、精度高、可擴展性好等優點。

1構成與基本原理

    雙通道多極旋轉變壓器一數字轉換系統的總體功能是實現電氣模擬角度θ到數字角度φ的轉換，系統組成框圖如圖1所示，主要由雙通道多極旋轉變壓器、調理電路和DsP控制器組成。其基本原理是：雙通道多極旋轉變壓器的粗精兩路信號經過信號調理電路轉換成正、余弦信號，再由DsP控制器對兩路四通道模擬信號進行同步A／D采樣，然后采用軟件R／D算法分別解算出粗精兩路的數字角度值，最后對粗精角度值進行組合、糾錯，并輸出并行二進制數字量。

2設計與實現

2．1設計

    雙通道多極RDc系統結構簡單，主要由調理電路和DsP組成。

    (1)調理電路

旋轉變壓器輸出信號需經調理電路的比例放大、電平搬移、濾波，使模擬輸入滿足A／D轉換的動態范圍，同時疊加入三角波信號，其信號調理電路如圖2所示。其中R和c組成Rc高頻濾波，電容c對運放起穩定作用，并對高頻信號進行濾波。

(2)DsP控制器

系統中的大部分功能全部由DsP完成，編寫DsP軟件程序，主要實現A／D轉換，R／D角度解算，角度數據雙速組合、糾錯處理和數據輸出功能，其總體軟件流程圖如圖3所示。

其中三角波生成如下：利用PwM脈寬調制輸出加上模擬積分器來生成，具體流程如圖4所示。

2．2實現方法

2. 2. 1 R／D解算算法

常用的R／D解算算法主要有三角法和角度跟蹤檢測法。三角法是通過求正、余弦信號的反正切函數值，并通過對象限的判斷求出該角度值，由于反正切函數值往往通過查表或函數逼近法近似求得，故誤差較大。而角度跟蹤檢測法是利用二階PI控制器的回饋閉環不斷更新誤差值，減小跟蹤誤差，使模擬角度和數字角度在我們要求的精度范圍內相等，從而實現了模擬角度到數字角度的轉換，具有自適應、解算精度高等優點。

同時根據實際應用需求，雙通道多極RDc轉換系統除了輸出高精度外，還需具備：1)具有角位移速度量輸出；2)系統的速度誤差為O，即跟蹤輸入角θ勻速轉動時，φ角仍能保證****有效位的轉換精度。綜上，閉環系統模型構建如圖5所示。R／D解算算法采用角度跟蹤檢測法，控制系統為三階II型系統，在輸入為階躍信號、勻速轉動信號時穩態誤差為零。

2. 2. 2 A／D精度提高

高精度的角度解算，需要高精度的A／D轉換，其實現方法主要有：一是外接高分辨率的ADc芯片；二是利用DsP內部A／D模塊，通過軟件法，采用過采樣技術來減小量化誤差，以提高轉換精度。高分辨率的ADc芯片價格昂貴，在不增加硬件空間和成本的前提下，系統采用DsP芯片自帶的A／D模塊結合過采樣技術，同樣能達到較高分辨