基于FPGA与16XSZ-SYS的轴角编码板设计

陕西长岭电子科技有限责任公司产品开发部　梁　猛

基于FPGA与16XSZ-SYS的轴角编码板设计

陕西长岭电子科技有限责任公司产品开发部梁猛

在理论分析的基础上从实际应用出发较为详实的阐述了基于16XSZ-SYS与FPGA的轴角编码的设计原理、方案和工程实现。方案的突出优点方位分辨率高，定位精准，借助计算机软件简化硬件设计， 调试以及调整零位简单。稍微改动相应的软、硬件在同一印制板上可以适应不同天线伺服系统。

双通道旋变发送机 ，双速转换器， FPGA， 轴角编码

1.引言

轴角编码板主要完成雷达天线方位的实时精确测量和产生天线旋转装置内永磁同步电机伺服系统需求的两组编码信号（一组为增量信号用于检测转速、位置及旋转方向；另一组用于检测磁极位置，带有绝对信息功能），是雷达天控系统中的重要组成部分。本方案采用双通道旋转变压器，用双速转换器进行轴角-数字转换，并送入FPGA进行编程、处理，然后差分发送至相关组件。轴角编码板的显著特点是：6U板卡结构、体积小、供电方便、调试方便；采用具有方位精度高、抗干扰能力强、可靠性高的旋转变压器作为角度敏感元件，适合在复杂的电磁环境使用；全数字、低功耗（总功耗小于5W）等。

2.编码板的构成及工作原理

2.1编码板的构成

编码板通过线性DC/AC变换器给轴角转换器及旋转装置内双通道旋变发送机提供激磁信号，轴角转换器将粗精旋变信号转换成16位自然二进制码方位信号通过电平转换芯片转换成16位自然二进制码方位信号（3.3VTTL）输入到FPGA，FPGA将16位方位信号通过编程产生两组编码信号连同方位信号一起输出到差分发送芯片，差分发送芯片将两组编码信号变为差分信号输出到伺服模块，将方位信号变为差分信号输出到上位机和控制模块。

2.2旋转变压器工作原理

旋转变压器作为角度的检测元件，随着转子角位置变化它的输出电压跟着变化，在天线伺服控制系统中用于测量位置信息，其基于电磁感应原理而工作， 转子、定子上皆有绕组， 相互同心， 彼此耦合， 采用正交的两组绕组。旋转变压器的定子和转子各有两组绕组在空间上互成90°，正弦绕组、余弦绕组在转子上，激磁绕组、交轴绕组在定子上。本方案采用的J134XFS001型双通道旋变发送机由中电21所研制，要技术指标：（1）激磁电压：26V，激磁频率：400Hz；（2）极对数：1:16；（3）电气误差：粗机≤±20′，精机≤±20″；（4）零位电压：粗机32mv，精机7mv；（5）消耗功率：≤2W；（6）粗精机零位偏差：18′。

2.3双速转换器工作原理

双速转换器16XSZ-SYS是中船重工716所研制的一种小型化金属封装是单块混合集成电路，由粗、精两路旋转变压器-数字转换器、一个双速处理器（用于粗、精组合、纠错的）及一个三态锁存器等组成。该双速转换器输出16位自然并行二进制码，转换精度±15″。

双通道旋变发送机信号送至双速转换器，粗机S1、S2、S3、S4正余弦信号输入粗通道CS1、CS2、CS3、CS4经RDC模块转换成14位数字角度量，精机S5、S6、S7、S8正余弦信号输入精通道FS1、FS2、FS3、FS4经另一个RDC模块转换成14位数字角度量，双速处理器接收两组数数据进行精、粗组合处理和硬件实时纠错后，输出一个16位并行二进制数字送到锁存器，通过对/ENL、/ENM、/ENH（使能信号）的控制既能输出一个16位数字的字，又可输出三个字节。

速度电压VEL是一个直流模拟信号和输入轴角角速度成比例，极性与天线转动方向有关，数码增大时极性为正，反之为负；幅值跟输入轴角成正比在±4V时跟踪速率最高。

禁止信号/INH为输入信号，内部由上拉电阻接到+5V，当/INH为低电平时， 经150ns延迟，锁存器内部数据稳定后，可读取数据；为高电平时锁存器内部数据进行更新，禁止读数。/INH只控制输出数据锁存器的输入使能，因此不影响转换器内部工作。

忙信号BUSY是一个输出信号，逻辑为“1”表示输出数据正在变化，不能读数；逻辑为“0”表示数据稳定，可以读取数据。

BIT是线检检测信号，转换器工作正常时输出为高电平；当出现转换器工作异常、输入信号、参考连接异常、不能跟踪系统、或产生大的误差等情况时，其输出为低电平。

数据输出端1～16为自然并行二进制数字输出，其最高位为1、最低位为16。

2.4FPGA功能及原理

本方案选用的FPGA（EP1C3T144）逻辑资源有2910LE、一个数字锁相环及13条M4K RAM。该芯片是ALTERA公司为底端用户打造的一个系列的FPGA，它的优点有成本低、使用方便。

FPGA的软件编写是Quartus7.2开发环境下完成的，将16位方位信号通过方位变换和方位计数2组编码信号：一组U、V、W三相脉冲信号用于检测磁极位置；另一组A、B、Z增量脉冲信号用于检测速度、位置和转动方向。并产生过零信号、定位信号。然后连同方位信号一起输出到差分发送芯片。

增量信号中A、B信号是与位移增量等值的脉冲信号，脉冲数为16384/周，A、B之间相位相差90°（即正交输出信号），根据A、B信号的超前与落后判断出轴的旋转方向。Z信号是标志信号用作基准点定位，其脉冲宽度为A、B信号的两倍，旋转一周产生一个，用于对积累量清零、指示机械位置。

U、V、W信号两两之间相差120°，U信号领先V信号、V信号领先W信号，每转的脉冲数量与旋转装置中永磁同步电机的极对数对应。电机磁极位置可以根据U、V、W三相脉冲的高低电平关系判断。

定位信号：当天线转到固定角度位置，产生一个高电平，发给驱动模块用于锁定天线，保证天线升降过程不碰撞升降口。

2.5外围电路

电源部分，板子外部由CPCI插座外部提供+24V、+5V、+3.3V电源。用LINERA公司的电压转换芯片LT1764AEQ-1.5将+5V 转到+1.5V为FPGA提供内核电压。

线性DC/AC变换器：将输入的直流稳压24V转换为交流26V400Hz电压输出，为双速转换器和双通道旋变发送机提供激磁信号。本文选用由中船重工716所研制的J5-S24C26MA，具有输入范围宽、过载过热保护、输入输出隔离、低谐波失真、高可靠性等优点。

电平转换芯片SN74ALVC164245DL：将转换器输出的方位信号TTL电平转换为3.3VTTL电平送入FPGA。

差分发送芯片根据需求选用MAXIM公司的MAX3042BEXE、MAX3030EEXE 两种。MAX3042BEXE由5V供电将A、B、Z、U、V、W信号变为差分信号送入驱动模块，MAX3030EEXE由3.3V供电将16位方位信号、到位信号、BUSY信号等变为差分信号送入上位机及控制模块。差分信号具有抗噪声干扰的能力，可以提高信号传输的距离。

3.结束语

本轴角编码板根据天线伺服系统的需求，设计了由双速转换器和旋转变压器构成的测角、测速电路，并由FPGA编程产生伺服驱动器所需信号。该板已在某雷达多个型号中得到成功应用，其结构简单、抗干扰能力强、工作性能稳定、可靠性高的优点，可长期工作于恶劣工况下，并能满足很高的精度要求。

［1］EDA先锋工作室.Altera FPGA/ CPLD 设计（基础篇）［M］.北京：人民邮电出版社，2005.

［2］陈先锋.伺服控制技术自学手册［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

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梁猛（1982－），男，高级工程师，安徽淮北人，电子科技大学电子工程本科毕业，从事雷达天线伺服系统设计、雷达系统电磁兼容设计。