雷达伺服中双通道旋变测角系统的设计

曹 晖 胡卫鹏

(西安电子工程研究所 西安 710100)

雷达伺服中双通道旋变测角系统的设计

曹 晖 胡卫鹏

(西安电子工程研究所 西安 710100)

本文基于可编程逻辑器件FPGA-XC3S200A，采用了新型旋变解码芯片AD2S1210，设计了双通道旋转变压器解调的接口电路，并研究了双通道旋变解调的数字处理方法。该设计充分利用了AD2S1210集激磁和解调为一身的特点，极大地简化了外部接口电路。实践证明该信号采集系统不仅能完全满足双通道旋转变压器测角系统的需要，同时还具有精度高，可靠性高，成本低，抗干扰能力强等优点。

旋转变压器;双通道;FPGA; AD2S1210

0 引言

测角系统的运动精度和响应速度直接影响到雷达定位和跟踪目标的准确性。测角系统常用的位置传感器有旋转变压器(简称旋变)和光电码盘。相比光电码盘,旋变常应用于在某些工作环境恶劣的场合，如具有高震动，严寒、潮湿、高速等等。

双通道旋转变压器是将两个极对数不等的旋转变压器合在一起。通常极对数少的称为粗机，而极对数多的称为精机。当转子旋转一周时，副边输出的两种不同频率的正弦波电压信号，构成粗精双通道系统。在激磁绕组输入正弦电压Uref后，在粗通道的定子绕组感应输出两组出正余弦电压Uc_sin，Uc_cos；在精通道的定子绕组感应子绕组感应输出两组正余弦电压Uf_sin，Uf_cos。测角系统根据Uref、Uf_sin和Uf_sin三者的关系来计算出旋变相应的角位置信息。

1 总体设计方案

R/D(旋变/数字)转换芯片是专门针对旋变测角系统设计的。通用的R/D芯片需要外部励磁电路产生激磁电压Uref，而新型R/D——AD2S1210不仅可以进行R/D转换，而且可自产生激磁电压Uref，极大简化了外围电路。其主要工作特性和参数为：①+5V单电源供电，逻辑接口电压可兼容+2.3 V至+5 V；②10位/12位/14位/16位多种分辨率供用户选择，最大跟踪速率为3125 rps，精度最高可达±2.5弧分；③内置可编程正弦波晶振器，可以将激励频率设置为2 kHz至20 kHz范围内的多个标准频率；④同时具有串行通讯和并行两种对外数据接口；⑤可以选择输出绝对位置与速度信息。该芯片所需外围电路简单，适用于各种旋变输出信号的数摸转换，抗干扰能力强，而且功能丰富，性价比较高。

系统中处理器采用Xilinx公司的FPGA Spartan-3A的XC3S200A，主要完成AD2S1210的寄存器配置、旋变数号的采集、角度信息的处理和外部通信等功能，该芯片容量为20万门，片上有分布式RAM 28 kbit和块RAM288 kbit，还有248个IO口可供用户自由配置。

系统总功能如图2。FPGA主要完成旋变解调和通信功能。旋变解调功能即控制两片集成芯片AD2S1210解调双通道旋变，其中主片AD2S1210作为产生励磁信号和旋转变压器精通道的解码，从片AD2S1210只负责旋转变压器粗通道的解码。两片AD2S1210将旋转变压器输出的模拟量转换成与之对应的数字量，FPGA分时读取两片AD2S1210输出的并行数据，将它们进行误差补偿和数据组合后，然后用串口方式发送出去(图2)。

2 硬件电路框图

系统硬件电路框图如图3所示。

系统必须要保证两片AD2S1210时序同步，这样才能保证在同一时刻读取的粗通道和精通道码值在一个时间点上，因此，两片AD2S1210的时钟频率CLKIN是由同一片8.192M的有源晶体产生的，且印制板上严格保证晶体clkout脚到两片AD2S1210的CLKIN引脚的距离相等。 AD2S1210输出的励磁信号的负载能力只有±100 μA，系统需要选用功率运放来提高励磁电压的负载能力。PA162是APEX公司生产的一款高性价比的集成功率放大器，它具有低损耗、高带宽(可达1.1MHz)、价格低等优点，可完全满足励磁信号调理的要求。一片PA162内部集成四个功放(U1～U4)。系统选用的旋变要求励磁信号峰-峰值为8V，而AD2S1210能接收的正余弦信号峰-峰值为(3.15±10%)V，所以必须把励磁信号电压调理到合适的范围。 FPGA-XC3S200A为主控制芯片，它初始化一片AD2S1210，使它产生正弦差分信号EXC1和EXC1LO，经过功率放大器PA162的调理和滤波后，为LICI和LICILO，该电压作为旋变的初级励磁电压。

3 软件设计

3.1 软件顶层设计

FPGA程序设计采用vhdl硬件描述语言编写，模块化的设计流程。图4为FPGA fpga软件顶层设计方案，软件内部共分为7个子模块，其中FIFO模块用于在AD2S1210和读位置/角速度编码模块之间作数据缓冲；双口RAM可以解决两个不同步时钟之间的数据交换的不同步问题；串口5ms定时发送一帧数据，共7个字节，包括帧头、速度、组合吗和校验和。正常工作时，AD2S1210的DOS和LOT引脚均输出高电平，DOS引脚输出低电平表示旋转变压器反馈正弦和余弦信号不良(如信号线接触不良)，LOT引脚输出高电平表示AD2S1210工作状态不正常。故障检测/复位模块定时检测这两个引脚以避免系统输出错误信息。

3.2 AD2S1210的数据读取

AD2S1210的寄存器配置和读取方式均采用并口模式。操作方式以并口读数据时序(图5)为例说明。CLKIN——AD2S1210的输入时钟，典型值为8.192M；SAMPLE——必须保持(2 × Tclk + 20)时长的低电平，以保证位置和速度积分器数据正确锁存到对应的寄存器中；CS——为片选信号，低电平有效；RD——读使能信号，由高到低的电平，用来启动读输出寄存器，旋变的位置、角度和故障数据将会并行输出至DATA(引脚DB15～DB0)。A0、A1——可选择读出的数据是位置信息还是角度信息。

3.3 误差修正模块

本系统选用的双通道旋变粗/精机的极对数比值为1/32时，即旋转变压器转子旋转1周(360°)，这时相当于粗机转了1圈，而精机旋转了32圈，即精轴旋转1圈只转过了11.25°(360°/32)。因此，精机解码后的数字角最高位(Q1)相当于粗轴的第六位(P6)位。由于在相同测量比例尺下，精机的测量精度肯定比粗机要高的数字准确，所以16位编码值粗/精数字角组合的原则是：粗精机都采用14位数字量采样，16位的高5位使用粗机的高5位(P1～P5)，16位的低11位使用精轴的高11位(Q1～Q11)。

由于双通道旋转变压器受到加工精度的限制，当转子转动时，粗码盘和精码盘基准之间存在着误差，粗/精通道对应位可能不同时变化。也就是存在粗通道数据变化时，精通道对应位的数据相对滞后；精通道数据变化，而粗通道对应位的数据相对滞后，因此还要对解码后的数据进行误差修正。定义A、B为精通道的最高两位，定义C、D为与精通道权值相同的粗通道的对应两位，定义为K粗通道中权值比精通道最高位高一位的数据位。根据纠错逻辑表(表1)即可判断出是否要对纠错位纠错。

表1 纠错逻辑表

ABCD纠错位0011K+11100K-1

4 实验结果及结论

实验采用32对极旋变作为测角对象，单通道分辨率为14位，组合码为16位。AD2S1210产生的旋变励磁输入波形和旋变粗机sin输出如图6所示。由图6可知，AD1210的产生的激磁波形平滑，频率精确可用。

表2为旋变测角系统的实测数据，可以看出测量值与真实值的误差控制在0.02°以内，可以满足系统需要，精度较高。

表2 实验测角数据

待测角度轴角轴角误差0°359.99°-0.01°45°045.01°+0.01°90°90.00°-0.00°135°134.98°+0.02°180°180.01°+0.01°225°224.98°-0.02°270°270.02°+0.02°315°314.98°-0.02°

论文设计了一种基于FPGA和AD2S1210的双通道旋转变压器测角系统。系统不仅选用了低成本RDC采集芯片AD2S1210具有外围接口电路简洁的特点，而且充分利用了FPGA丰富的硬件资源，将复杂数字和控制运算用FPGA来实现，，大大简化了电路设计并且提高了系统的稳定性。实验证明此测角系统精度高、可靠性好、成本低，能完全能够满足高精度测角系统的要求。

[1] 王宏.基于AD2S83的角位置检测系统及其在雷达伺服系统中的应用[J].电子工程师, 2002, 28(5) ：19-2

[2] 叶敏，周文晖，顾伟康.基于FPGA的实时图像滤波及边缘检测方法[J].传感技术学报，2007，20(3) ：623-627.

[3] 徐大林，高文政.基于FPGA的多极旋转变压器粗、精数据组合：双速处理器的设计与实现[J].测控技术，2006,25(5)：42-45.

[4] 侯伯亨，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[J].西安：西安电子科技大学出版社，1999.

[5] 王琳，宋国荣，王永梁.旋转变压器转角及幅值的微机测量系统[J].北京工业大学学报，2000，26(S1)：15-17.

[6] Boom R. W.，Peterson H. A.Superconductive Storage for Power System[J].IEEE Trans.on Magn，1972(8)：701-703.

DesignofTwo-ChannelResolverBasedAngleMeasurementforRadarServoSystem

Cao Hui, Hu Weipeng

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

Based on programmable logic device FPGA-XC3S200A, an interfacing circuit of two-channel resolver demodulation is designed by using a new resolving decoding chip AD2S1210, and digital processing method for two-channel resolver demodulation is studied. Feature of the AD2S1210, i.e. integration of excitation and demodulation function, is token fully advantage in the design, and external interfacing circuit get simplified significantly. Practical application verified that, signal acquisition system can fully satisfy requirements of two-channel resolver angle measurement system, meanwhile it features high accuracy, high reliability, low cost and good anti-interference capability.

resolver; two-channel; FPGA; AD2S1210

2017-03-16

曹晖(1984-)男，工程师。主要研究方向电气及自动化控制技术。

TN957

A

1008-8652(2017)03-072-04