CN104682818A - 一种基于cordic反正切算法的旋转变压测角*** - Google Patents

Abstract

一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***，其组成包括：接口电路磁信号幅值采样模块和角度值计算模块，其中电流放大电路和模拟滤波电路与旋转变压器励磁绕组和转子绕组相连。提供了一种能将旋转变压器的输出电压信号精确快速地解码出角度的***。建立了MSP430与旋转变压器之间的接口电路，利用转子测量的原理采用励磁信号幅值采样和CORDIC反正切算法计算出角度值。MSP430内部的DAC通过电流放大电路和模拟滤波电路与旋转变压器励磁绕组和转子绕组相连。

Description

一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***

技术领域

本发明涉及的是一种角度测量***，特别涉及的是一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***。 

背景技术

在伺服***中，为了控制对象的安全稳定工作，需要实时地检测出电机转子的位置，包括转子的绝对位置和增量式位置，同时电机转速也需要通过检测元件获取，以实现对电动机的转速、转矩及其位置的高精度控制。旋转编码器是伺服领域应用最广的检测元件之一。本发明涉及的旋转变压器是是绝对型编码器，又称弦波编码器。其输出绕组输出正弦波及余弦波，利用反正切函数的演算，可以得到高分辨率的结果。旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器的特点是模拟输出，无需维护，使用可靠，寿命长，耐油污，温度范围大，抗冲击，抗辐射，本身有隔离作用，能抑制电信号的共模干扰。 

旋转变压器作为伺服***的位置测量元件，具有多方面的优点，但其输出的为模拟信号，转子位置的数字检测相当困难。旋转变压器输出正弦绕组和余弦绕组输出两路正交的信号，转子位置信号就包含在这两路模拟信号之中，要从其中解码出转子位置的高精度的数字信号十分困难。因此，如何从旋转变压器的输出电压信号精确快速地解码出位置信息就具有研究价值与意义。 

发明内容

本发明的目的是提供一种能将旋转变压器的输出电压信号精确快速地解码出角度的***。 

本发明的目的是这样实现的： 

一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***，其组成包括：接口电路磁信号幅值采样模块和角度值计算模块，其中电流放大电路和模拟滤波电路与旋转变压器励磁绕组和转子绕组相连。 

所述的一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***，其特征是atan2函数返回给定的X及Y坐标值的反正切值。反正切的角度值等于X轴正方向与通过原点和给定坐标点(X, Y)的射线之间的夹角。 

所述的一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***，其特征是对旋转变压器的测速采用的是测周期法，即“T法”，考虑到旋转变压器的励磁频率不高仅为50Hz，因此其额定工作条件下的转速也不会很高，而测周期法正好适用于低转速的情况。 

所述的一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***，其特征是旋转变压器的转向在某些场合中需要测量，如旋转变压器作为测量元件与电机同轴连接时，有时需要关心电机的转向。 

建立了MSP430与旋转变压器之间的接口电路，利用转子测量的原理采用励磁信号幅值采样和CORDIC反正切算法计算出角度值。MSP430内部的DAC通过电流放大电路和模拟滤波电路与旋转变压器励磁绕组和转子绕组相连。 

本发明还包括： 

1、在本***的arctg反正切实现中，直接调用了C语言的库函数math.h中的atan2函数，其算法原理的核心思想就是CORDIC算法。atan2函数返回给定的X及Y坐标值的反正切值。反正切的角度值等于X轴正方向与通过原点和给定坐标点(X,Y)的射线之间的夹角。结果以弧度表示并介于-π～π之间（不包括-π）。X，Y分别就是已采集的余弦绕组合正弦绕组的电压值的数字量。但是***要求的测量角度范围为0～2π，因此需要对最终的输出结果进行修正，其修正公式为： 

$z=\mathrm{arctg}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}z+2\mathrm{\&pi;},z<0\\ z,z\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

2、本***对旋转变压器的测速采用的是测周期法，即“T法”。考虑到旋转变压器的励磁频率不高仅为50Hz，因此其额定工作条件下的转速也不会很高，而测周期法正好适用于低转速的情况。利用MSP430的定时器Timer_A的捕获功能，即可实现旋转变压器的测速。其具体原理是当旋转变压器转子正弦绕组转过90°的位置时，由于采用的是励磁信号幅值采样的方法，因此在此位置正弦绕组输出最大电压，此时计转子转过一周。然后选择P2.4作为脉冲输出口，在第1周使其为高电平，第11周使其为低电平，这样只需测出这个脉冲的宽度就可以知道转子转过10周的时间。定时器Timer_A通过捕获这个脉冲的上升沿和下降沿，就可以记录第1周的计数值和第11周的计数值，然后在主程序中，将这两个计数值作差，并除以定时器的频率，就可以得到脉冲的周期，然后计算出旋转变压器转子转速。 

3、旋转变压器的转向在某些场合中需要测量，如旋转变压器作为测量元件与电机同轴连接时，有时需要关心电机的转向。转向测量主要需要通过A/D多次采样，然后将得到的结果 储存在一个数组中，然后通过判断数组增大或减小的趋势，从而确定旋转变压器转子的旋转方向。数组呈增大趋势，则转子顺时针转动；数组呈减小趋势，则转子逆时针转动。 

本发明的优点是 

没有使用昂贵的解码芯片，而是采用了一种新颖的解码方法，即利用MCU芯片直接处理旋转变压器输出信号，具有较高的精度的同时降低了价格。 

软件算法上利用CORDIC算法，解决了***硬件上的一些不足，利用这种快速，高精度的反正切计算方法，进一步提高了***的精度。 

附图说明

图1为本发明的测角***结构图； 

图2为CORDIC算法实现程序流程图。 

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述： 

一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***，其组成包括：接口电路磁信号幅值采样模块和角度值计算模块，其中电流放大电路和模拟滤波电路与旋转变压器励磁绕组和转子绕组相连。 

其特征是atan2函数返回给定的X及Y坐标值的反正切值。反正切的角度值等于X轴正方向与通过原点和给定坐标点(X,Y)的射线之间的夹角。 

其特征是对旋转变压器的测速采用的是测周期法，即“T法”，考虑到旋转变压器的励磁频率不高仅为50Hz，因此其额定工作条件下的转速也不会很高，而测周期法正好适用于低转速的情况。 

其特征是旋转变压器的转向在某些场合中需要测量，如旋转变压器作为测量元件与电机同轴连接时，有时需要关心电机的转向。 

结合图1，图1为本发明的测角***结构图。建立了MSP430与旋转变压器之间的接口电路，利用转子测量的原理采用励磁信号幅值采样和CORDIC反正切算法计算出角度值。MSP430内部的DAC通过电流放大电路和模拟滤波电路与旋转变压器励磁绕组和转子绕组相连。 

结合图2，图2为CORDIC算法实现程序流程图。这种算法大大简化了浮点运算与乘法运算，在本***的arctg反正切实现中，直接调用了C语言的库函数math.h中的atan2函数，其算法原理的核心思想就是CORDIC算法。 

atan2函数返回给定的X及Y坐标值的反正切值。反正切的角度值等于X轴正方向与通 过原点和给定坐标点(X,Y)的射线之间的夹角。结果以弧度表示并介于-π～π之间（不包括-π）。X，Y分别就是已采集的余弦绕组合正弦绕组的电压值的数字量。但是***要求的测量角度范围为0～2π，因此需要对最终的输出结果进行修正，其修正公式为： 

$z=\mathrm{arctg}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}z+2\mathrm{\&pi;},z<0\\ z,z\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

但是，当旋转变压器处于静止状态时，这种修正会在π附近出现一些问题，因为旋转变压器的输出或多或少都会有噪声的干扰，A/D同样受到环境温度的影响，导致测量电压的波动，最终影响采样结果。而在π附近时，这种影响尤为明显，因为受到波动的影响，采集旋转变压器正弦绕组后，其值会出现正负号的变化，atan2函数的输出结果就会产生一个很大的误差，即在-π和π之附近跃变。为了消除这个误差，比须采用合适的数字滤波方法，来消除这个误差。 

在实际的程序设计中，不能以单次的采样结果作为atan2的输入值，而采用平均值滤波方法，即多次采样并将采样结果储存在一个数组中，然后求取这些测量结果的平均值，计算数组中的数与该平均值的差值，当这个差值的绝对值大于某个设定值时，就剔出掉该数，然后重新计算剩余数的平均数，直到数组中任一测量结果与平均数的差值都小于设定值为止。这样就很好的抑制了由于噪声干扰和温度变化对旋转变压器输出电压的影响，并消除了π附近的大误差，从而提高了测量结果精度。 

Claims (4)

1.一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***，其组成包括：接口电路磁信号幅值采样模块和角度值计算模块，其中电流放大电路和模拟滤波电路与旋转变压器励磁绕组和转子绕组相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***，其特征是atan2函数返回给定的X及Y坐标值的反正切值。反正切的角度值等于X轴正方向与通过原点和给定坐标点(X,Y)的射线之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***，其特征是对旋转变压器的测速采用的是测周期法，即“T法”，考虑到旋转变压器的励磁频率不高仅为50Hz，因此其额定工作条件下的转速也不会很高，而测周期法正好适用于低转速的情况。

4.根据权利要求1所述的一种基于CORDIC反正切算法的旋转变压测角***，其特征是旋转变压器的转向在某些场合中需要测量，如旋转变压器作为测量元件与电机同轴连接时，有时需要关心电机的转向。