利用Xilinx FPGA和分解器数字转换器简化角度测量

角度传感器在与FPGA正确配合下能够帮助工程师打造出无与伦比的机械。   

作者：N. N. Murty
Scientist “F”
S. B. Gayen
Scientist “F”
Manish Nalamwar
Scientist “D”
nalamwar.manishkumar@rcilab.in
K. Jhansi Lakshmi,
技术官“C”
印度海德拉巴印度国防研究发展组织IMARAT研究中心雷达导引头实验室

自从人类发明了转轮，我们就希望了解如何通过改变精度提高转轮转动效率。在过去几个世纪，科学家和工程师已经研发了许多方法来实现此目标，期间轮-轴系统的基本原理得到了广泛应用，从汽车、音量旋钮、各种机械形式的齿轮到简陋的手推车，几乎每种机械系统均采用了这一原理[1]。

经过多个时代的探索，人们发现让转轮高效运转的最重要因素并非转轮本身（为何不彻底改造它呢？），而是转轮的轴角。目前测量和优化轴角的最有效方法是采用角度传感器。现有许多种角度传感器都能够通过轮轴监控和改进促进轮周效率优化；但如果配合使用FPGA，您就能够取得非常显著的效果，同时能够提高众多应用中的轮轴/轮周效率。

在详细介绍工程师们如何最佳利用赛灵思FPGA达到上述目的之前，先让我们简单回顾一下角度传感器的部分基本原理。目前得到广泛应用就是编码器和分解器这两类角度传感器。

编码器和分解器的类型

编码器分为增量和绝对两个基本类别。增量编码器可以监控轮轴上的两个位置，并且可以在轮轴每次经过这两个位置时产生A或B脉冲。独立的外部电动计数器然后从这些脉冲解读出转速和旋转方向。虽然适用于众多应用，但是增量式计数器确实存在某些不足。例如，在轮轴停转情况下，增量编码器在开始运行之前必须首先通过调回到某个指定校准点来实现自身校准。另外，增量式计数器易受到电气干扰的影响，导致发送到系统的脉冲不准确，进而造成旋转计数错误。不仅如此，许多增量编码器属于光电器件 – 如果对目标应用有影响，则无法用于辐射危险区域。


图1 – 分解器转子激励
分解器绕组
ROTOR：转子      STATOR：定子

绝对编码器是监控轮轴旋转计数和方向的传感器系统。在基于绝对编码器的系统中，用户一般把转轮连接到具有电触头或光电基准的轮轴。在轮轴运行时，基于绝对编码器的系统会记录旋转和运行方向，同时产生易于转换成代码（最常见的是二进制码或格雷码）的并行数字输出。绝对编码器的优势在于只需要校准一次（一般是在工厂中校准），而无需每次使用前都校准。此外，绝对编码器一般比其它编码器更可靠。不过，绝对编码器一般很昂贵，而且它们不利于进行并行数据传输，尤其是在测量其读数的电子系统距离编码器较远情况下。

分解器就其本身而言是一种旋转变压器——一种输出电压与其所监控的输入轴角唯一关联的模拟器件。它是一款具有0~360旋转角度的绝对位置传感器，其直接连接到轮轴并报告转速和位置。分解器与编码器相比有诸多优势。分解器非常稳健可靠，能够经受带有灰尘、油污、极端温度、振动和辐射的严酷环境。作为一种变压器，分解器可以提供信号隔离以及对电气干扰的自然共模抑制。除了这些特性之外，分解器只需要四根线就可进行角数据传输，这使其能够适用于从重工业、微型系统到航空航天工业等各种应用。

无刷分解器得到了进一步改进，其无需与转子的滑环连接。因此，这种分解器更可靠，而且使用寿命更长。

分解器采用两种方式获取与轴角相关的输出电压。在第一种方式中，如图1所示的转子绕组由交变信号激励，而输出来自两个定子绕组。由于定子是以机械方式定位到正确角度，因此输出信号幅度是通过轴角的三角正弦和余弦关联。正弦与余弦信号均具有与原始激励信号相同的相位；仅其幅度随轮轴的旋转通过正弦与余弦进行调制。


图2 – 分解器数字转换器（RDC）方框图
图中文字如下：
ROTOR REFERENCE：转子基准
STATOR INPUTS：定子输入
COSINE MULTIPLIER：余弦乘法器
SINE MULTIPLIER：正弦乘法器
UP /DOWN COUNTER：递增/递减计数器
LATCHES：锁存器
DETECTOR：检测器
ERROR：误差
INTEGRATOR：积分器
VELOCITY：速度
DIGITAL ANGLE：数字角度
WHEN ERROR = 0：当误差=0

在第二种方式中，定子绕组由相位正交的交变信号激励。然后在转子绕组中感应电压。绕组的幅度和频率固定，但其相移随轴角变化。

分解器可以放置到需要测量角度的位置[2]。而电子装置一般指的是分解器数字转换器（RDC），可以放置到需要测量数字输出的位置。分解器的模拟输出（含有轮轴角位置信息）然后经RDC转换成数字形式。