双通道多极旋转变压器一数字转换器的设计与实现

    徐大林，廖良闯，高文政，黄庆安

    (1东南大学，江苏南京210096；2江苏自动化研究所，江苏连云港222006)

    摘要：分析了双通道多极转变压器一数字转换器的组成及原理，应用数字化过采样技术、闭环跟踪解算算法、组合纠错算法，设计实现了一种全数字型双通道多极RDc转换器，转换精度高、结构简单、成本低。

0引  言

    双通道多极旋转变压器一数字转换器(以下简称双通道多极RDc)作为一种高精度、高可靠性的轴角测量仪器，具有测量精度高、结构简单、运行可靠的特点，主要应用于高精度、高可靠性的控制测量领域，诸如航天、航空、机器人控制、大型数控机床等。

    双通道多极旋转变压器一数字转换系统一般由测角元件和解算电路两部分组成。测角元件采用双通道多极旋转变压器，而解算电路的实现方式目前主要有以下三种：

    (1)分立元件搭建的纯硬件实现电路，结构复杂，体积大；

    (2)专用RDc芯片加组合电路，成本高(万元)；

    (3)A／D转换加软件三角法查表解算、组合，精度低。本文采用一种双通道多极RDc的全数字式实现方案，较少的外围电路元件完成信号调理，而其他功能部分全部由DsP利用数字处理方式实现，具有成本低(千元)、精度高、可扩展性好等优点。

1构成与基本原理

    双通道多极旋转变压器一数字转换系统的总体功能是实现电气模拟角度θ到数字角度φ的转换，系统组成框图如图1所示，主要由双通道多极旋转变压器、调理电路和DsP控制器组成。其基本原理是：双通道多极旋转变压器的粗精两路信号经过信号调理电路转换成正、余弦信号，再由DsP控制器对两路四通道模拟信号进行同步A／D采样，然后采用软件R／D算法分别解算出粗精两路的数字角度值，最后对粗精角度值进行组合、纠错，并输出并行二进制数字量。

2设计与实现

2．1设计

    双通道多极RDc系统结构简单，主要由调理电路和DsP组成。

    (1)调理电路

旋转变压器输出信号需经调理电路的比例放大、电平搬移、滤波，使模拟输入满足A／D转换的动态范围，同时叠加入三角波信号，其信号调理电路如图2所示。其中R和c组成Rc高频滤波，电容c对运放起稳定作用，并对高频信号进行滤波。

(2)DsP控制器

系统中的大部分功能全部由DsP完成，编写DsP软件程序，主要实现A／D转换，R／D角度解算，角度数据双速组合、纠错处理和数据输出功能，其总体软件流程图如图3所示。

其中三角波生成如下：利用PwM脉宽调制输出加上模拟积分器来生成，具体流程如图4所示。

2．2实现方法

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踪检测法。三角法是通过求正、余弦信号的反正切函数值，并通过对象限的判断求出该角度值，由于反正切函数值往往通过查表或函数逼近法近似求得，故误差较大。而角度跟踪检测法是利用二阶PI控制器的回馈闭环不断更新误差值，减小跟踪误差，使模拟角度和数字角度在我们要求的精度范围内相等，从而实现了模拟角度到数字角度的转换，具有自适应、解算精度高等优点。

同时根据实际应用需求，双通道多极RDc转换系统除了输出高精度外，还需具备：1)具有角位移速度量输出；2)系统的速度误差为O，即跟踪输入角θ匀速转动时，φ角仍能保证****有效位的转换精度。综上，闭环系统模型构建如图5所示。R／D解算算法采用角度跟踪检测法，控制系统为三阶II型系统，在输入为阶跃信号、匀速转动信号时稳态误差为零。

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转换，其实现方法主要有：一是外接高分辨率的ADc芯片；二是利用DsP内部A／D模块，通过软件法，采用过采样技术来减小量化误差，以提高转换精度。高分辨率的ADc芯片价格昂贵，在不增加硬件空间和成本的前提下，系统采用DsP芯片自带的A／D模块结合过采样技术，同样能达到较高分辨