CN109739122A - 一种半波激励快速锁相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半波激励快速锁相方法。使用本发明能够有效实现对旋变角度的快速解调，且硬件电路简单，提高了***的可靠性及抗干扰能力。本发明方法打破了传统连续完整的正、余弦激励驱动旋变的方式，数字激励仅需要设计半波即可，半波激励直接传输致反向运算放大器即可产生两路正负激励，有效的解决了激励产生占用硬件资源较大、成本较高的问题，硬件电路简单化、集成化。且激励通过运放后增大带载能力，实现一路激励可带多路旋变，带载能力强；半波激励定频锁相提高了***的抗干扰能力。同时，电子器件少、成本低、精度高。利用卡迪尔迭代算法对旋变反馈信号进行四象限角度解调，缩短了MCU解调时间，同时也提高了解调精度。

Description

一种半波激励快速锁相方法

技术领域

本发明涉及旋变角度解调技术领域，具体涉及一种半波激励快速锁相方法。

背景技术

旋转变压器简称旋变，因其体积小、精度高、测量范围大等特性，常用于边防光电仪、导引头、吊舱等军工行业，作为伺服电机的角度和速度测量传感器。旋变激励传统的产生方式有两种：专用解码芯片和MCU组合处理电路。但是，由于专用芯片大都只能提供单路激励，采集单只旋变反馈信号，对多轴伺服平台需要多路激励解码的旋变来说，通用性不强。同时，采用连续完整的正、余弦激励，造成***相对功耗较大，增大了旋变的零位电气误差，抗干扰能力弱；MCU组合处理电路，其电路复杂，可靠性差，成本高，EMI电磁兼容性弱，不利于小型化，同时，MCU在反正切的解码算法上运行时间较长，解调误差较大，激励产生的数字存储量也占用硬件资源。

现代小型化低功耗多轴伺服控制产品对一路激励可带多路旋变、抗干扰能力强、占用硬件资源少的一体化简化电路设计及高效解码的算法提出迫切的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种半波激励快速锁相方法，能够有效实现对旋变角度的快速解调，且硬件电路简单，提高了***的可靠性及抗干扰能力。

本发明的半波激励快速锁相方法，包括MCU主控器、CPLD、DA转换器、运算放大器和AD转换器，***设备为旋转变压器；

其中，CPLD定频产生正弦半波数字激励信号；同时，生成3个同频的触发信号T1～T3，其中T1为半波激励的启动信号；T2为AD转换器的采集启动信号；T3为MCU主控器中断信号，用于AD转换器采集完成后，触发MCU中断进行旋变角度解调；

其中，T2触发信号与T1触发信号之间的时序相位差为：

Δt＝(0.5T₁-ΔT)/2(1)

其中，ΔT为AD转换器的过采样时间，T₁为正弦半波激励信号的周期；

运算放大器对AD转换器发送的正弦半波激励信号进行放大并生成一路半正弦信号和半余弦信号；

旋转变压器根据收到的激励信号进行工作；

AD转换器在T2信号触发下对旋转变压器的旋变角度进行采集并转化为数字量，发送至MCU主控器；

MCU主控器在T3信号的触发下产生中断，对AD转换器发送的旋变角度进行解调。

进一步的，MCU主控器根据A/D转换器采集的信号+Umsinωtsinθ、+Umsinωcosθ，构造坐标(X,Y)：

(X,Y)＝(+Umsinωtsinθ,+Umsinωtcosθ)；

然后根据坐标(X,Y)判定出当前旋变角度处于四象限中的哪个象限；

判定象限后，在此象限中以象限对角线划分为2个区域段；

若在|X|＞|Y|的区间段，则角度θ＝arctan(Y/X)；

若在|X|≤|Y|的区间段，则角度θ＝arctan(X/Y)；

最后根据坐标(X,Y)所在象限得出最终的旋变角度。

进一步的，MCU主控器采用卡迪尔迭代算法对A/D转换器采集的信号进行角度解调；其中，MCU主控器采根据A/D转换器采集的信号+Umsinωtsinθ、+Umsinωcosθ，构造初始化坐标(X,Y)：

(X,Y)＝(+Umsinωtsinθ,+Umsinωcosθ)；

然后根据X、Y值判断初始化坐标(X,Y)所在象限，若初始化坐标(X,Y)位于第一或第四象限，则根据初始化坐标(X,Y)利用式(2)进行迭代计算，得到角度θ，角度θ即为旋变角度；若初始化坐标(X,Y)位于第二或第三象限，则将初始化坐标(X,Y)映射到第一象限，用映射后的坐标利用式(2)进行迭代计算，得到角度θ；若初始化坐标(X,Y)位于第二象限时，则旋变角度为-θ+180°；若初始化坐标(X,Y)位于第三象限时，则旋变角度为θ-180°；

其中，

n为迭代次数，n＝0、1、2、3、4……；当|Y|-0≤0.01时停止迭代。

有益效果：

1)本发明方法打破了传统连续完整的正、余弦激励驱动旋变的方式，数字激励仅需要设计半波即可，半波激励直接传输致反向运算放大器即可产生两路正负激励，有效的解决了激励产生占用硬件资源较大、成本较高的问题，硬件电路简单化、集成化。且激励通过运放后增大带载能力，实现一路激励可带多路旋变，带载能力强；半波激励定频锁相提高了***的抗干扰能力。同时，电子器件少、成本低、精度高。

2)本发明利用卡迪尔迭代算法对旋变反馈的正、余弦信号进行四象限角度解码，大大缩短了MCU软件反正切解调旋变的运行速度，同时也提高了旋变解调的精度。

附图说明

图1为半波激励硬件电路示意图。

图2为CPLD时序设计顶层模块。

图3为顶层模块半波激励数字仿真时序图。

图4为顶层模块半波激励模拟等效示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种半波激励快速锁相方法，采用CPLD定频产生正弦半波数字激励信号，经过D/A及反向运算放大器，产生正、余弦半波模拟信号，通过CPLD时序设计，实现AD快速锁相采集，最后利用MCU进行旋变角度的解调。

本发明包括MCU主控器、CPLD、DA转换器、运算放大器和AD转换器，***设备为旋转变压器，可同时并行对多组转换变压器进行旋变角度解调，如图1所示。

其中，CPLD定频产生正弦半波数字激励信号；同时，生成3个同频的触发信号，其中T1为半波激励的启动信号；T2为A/D模数转换器的快速锁相采集启动信号；T3为MCU中断信号，用于AD采集完成后，触发MCU中断，使MCU进行旋变角度的解调。三个触发信号的周期相等，为定频、定相位信号；T1、T2、T3、半波激励Umsinωt时序仿真图如图3所示，为了便于观察将SPI数据等效成模拟信号，见图4所示。

其中，T2触发信号与T1触发信号之间的时序相位差为：

Δt＝(0.5T1-ΔT)/2 (1)

Δt即为A/D模数转换器快速锁相的时间；其中，ΔT为A/D模数转换器过采样时间，T1为正弦半波激励信号的周期。只要将A/D转换器快速锁相的时间Δt与其自身电路设置的采样时间ΔT满足式子(1)即可达到半波激励的快速锁相。

由于采用正弦半波激励信号，舍去了传统完整正弦激励信号的负半波部分，因此，可以舍去传统的隔直电路，减少电路器件，降低***损耗。

所述DA转换器在T1信号的触发下对CPLD产生的正弦半波激励信号进行采集并转换为模拟量，经反向运算放大电路即可产生两路激励正负半波激励信号Umsinωt、-Umsinωt；

旋转变压器在正弦半波激励信号下工作；正弦半波激励信号可同时发送给多个旋转变压器，可同时并行对多个旋转变压器进行旋变角度解调。

AD转换器在T2触发下对旋转变压器的旋变反馈信号进行采集并转换为数字信号；其中，将旋变反馈的信号-Umsinωtsinθ、-Umsinωtcosθ接地，信号+Umsinωtsinθ、+Umsinωtcosθ接入A/D转换器的两路采集通道；

MCU主控器在T3的触发下产生中断，对A/D转换器采集的信号进行软件的反正切算法解调求取其当前角度，实现旋变角度解调。

进一步的，为提高反正切算法解调精度，本发明对反正切算法进行改进：

首先，根据A/D转换器采集的信号，构造坐标(X,Y)：

(X,Y)＝(+Umsinωtsinθ,+Umsinωtcosθ)；

根据坐标(X,Y)判定出当前旋变角度处于四象限中的哪个象限；

判定象限后，在此象限中以象限对角线划分为2个区域段；

然后，在|X|＞|Y|的区间段，角度θ＝arctan(Y/X)；

在|X|≤|Y|的区间段，角度θ＝arctan(X/Y)；

其中，arctan(Y/X)+arctan(X/Y)＝π/2；最后根据坐标(X,Y)所在象限得出最终的旋变角度。

此外，本发明为提高旋变角度解调精度、缩短解调时间，采用卡迪尔迭代算法对A/D转换器采集的信号进行角度解调。

具体的，首先根据A/D转换器采集的信号，构造初始化坐标(X,Y)：

(X,Y)＝(+Umsinωtsinθ,+Umsinωtcosθ)；

然后，根据初始化坐标(X,Y)的符号，进行四个象限的划分；若初始化坐标(X,Y)位于第一或第四象限，则直接根据初始化坐标(X,Y)利用式(2)进行迭代计算，得到角度θ，角度θ即为旋变角度；若初始化坐标(X,Y)位于第二或三象限，则先将初始化坐标(X,Y)映射到第一象限，然后用映射后的坐标利用式(2)进行迭代计算，得到角度θ；若初始化坐标(X,Y)位于第二象限时，则旋变角度为-θ+180°；若初始化坐标(X,Y)位于第三象限时，则旋变角度为θ-180°。其中，

n为迭代次数，n＝0、1、2、3、4……；当Y值接近0时(|Y|-0≤0.01)即可停止迭代，得到角度θ。

其中，可在迭代计算前，对初始化坐标值(X,Y)/映射后的坐标值(|X|，Y)或(X，|Y|)进行恰当的定值K放大，然后进行迭代计算，提高计算精度。

具体实现步骤如下：

1)采用一片主控器MCU、一块ALTERA公司的CPLD、一款A/D模数转换器、D/A数模转换器、运算放大器等，按照图1所示，进行半波激励硬件电路的搭建；

2)按照图2所示，在CPLD硬件中设计顶层模块以产生合理的定频、定相位的时序T1、T2、T3且T1＝T2＝T3，及与D/A数码转换器通信的SPI信号：片选信号CS、时钟信号SCK、数据输出信号MO。

设计CPLD的顶层时序模块：数字半波通信模块Sin_Half和分频时序模块DIV。数字半波通信模块Sin_Half根据半波激励的启动信号T1开始启动旋变的离散数字激励，激励函数为Y＝UmsinN，其中N为正弦函数上离散的数值点0、1、2、3……180。通过D/A数模转换器SPI通信模式将离散的正半轴激励进行输出，生成模拟正半波激励。分频时序模块DIV产生时序T1、T2、T3，其时序相位关系如图4所示。将A/D模数转换器快速锁相的时间Δt与其自身电路设置的采样时间ΔT满足式子(1)即可达到半波激励的快速锁相。

3)模拟正半波激励再经过反向运算放大电路即可产生两路正负半波激励：Umsinωt、-Umsinωt。

4)将旋变反馈的信号-Umsinωtsinθ、-Umsinωtcosθ接地，信号+Umsinωtsinθ、+Umsinωtcosθ接入A/D模数转换器的两路采集通道；

5)待采集旋变反馈信号后，T3启动MCU主控器的中断，利用卡迪尔迭代算法进行旋变角度解调。

本发明打破了传统连续完整的正、余弦激励驱动旋变的方式，通过以上定频半波激励快速锁相的电路设计，简化了硬件电路，节省CPLD资源，有效的解决了激励产生占用硬件资源较大、成本较高的问题，并实现了一路激励加载多路旋变的功能；同时，利用时序设计，降低了旋变驱动电路的功耗，提高了***的可靠性和精度。此外，通过高效迭代求解角度方法省去了反正切函数带来的运算时间较长，提高了旋变角度精度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种半波激励快速锁相方法，其特征在于，包括MCU主控器、CPLD、DA转换器、运算放大器和AD转换器，***设备为旋转变压器；

其中，CPLD定频产生正弦半波数字激励信号；同时，生成3个同频的触发信号T1～T3，其中T1为半波激励的启动信号；T2为AD转换器的采集启动信号；T3为MCU主控器中断信号，用于AD转换器采集完成后，触发MCU中断进行旋变角度解调；

其中，T2触发信号与T1触发信号之间的时序相位差为：

Δt＝(0.5T₁-ΔT)/2 (1)

其中，ΔT为AD转换器的过采样时间，T₁为正弦半波激励信号的周期；

运算放大器对AD转换器发送的正弦半波激励信号进行放大并生成一路半正弦信号和半余弦信号；

旋转变压器根据收到的激励信号进行工作；

AD转换器在T2信号触发下对旋转变压器的旋变角度进行采集并转化为数字量，发送至MCU主控器；

MCU主控器在T3信号的触发下产生中断，对AD转换器发送的旋变角度进行解调。

2.如权利要求1所述的半波激励快速锁相方法，其特征在于，MCU主控器根据A/D转换器采集的信号+Umsinωtsinθ、+Umsinωcosθ，构造坐标(X,Y)：

(X,Y)＝(+Umsinωtsinθ,+Umsinωtcosθ)；

然后根据坐标(X,Y)判定出当前旋变角度处于四象限中的哪个象限；

判定象限后，在此象限中以象限对角线划分为2个区域段；

若在|X|＞|Y|的区间段，则角度θ＝arctan(Y/X)；

若在|X|≤|Y|的区间段，则角度θ＝arctan(X/Y)；

最后根据坐标(X,Y)所在象限得出最终的旋变角度。

3.如权利要求1所述的半波激励快速锁相方法，其特征在于，MCU主控器采用卡迪尔迭代算法对A/D转换器采集的信号进行角度解调；其中，MCU主控器采根据A/D转换器采集的信号+Umsinωtsinθ、+Umsinωcosθ，构造初始化坐标(X,Y)：

(X,Y)＝(+Umsinωtsinθ,+Umsinωcosθ)；

然后根据X、Y值判断初始化坐标(X,Y)所在象限，若初始化坐标(X,Y)位于第一或第四象限，则根据初始化坐标(X,Y)利用式(2)进行迭代计算，得到角度θ，角度θ即为旋变角度；若初始化坐标(X,Y)位于第二或第三象限，则将初始化坐标(X,Y)映射到第一象限，用映射后的坐标利用式(2)进行迭代计算，得到角度θ；若初始化坐标(X,Y)位于第二象限时，则旋变角度为-θ+180°；若初始化坐标(X,Y)位于第三象限时，则旋变角度为θ-180°；

其中，

n为迭代次数，n＝0、1、2、3、4……；当|Y|-0≤0.01时停止迭代。