中国指挥与控制学会会刊 
随着自动控制技术的飞速发展,伺服系统中的定位精度要求也越来越严格。如航天技术领域,对于飞机舵机角位移的精确测量,就可以使用同步自整角机角位移传感器。应用轴角数字转换技术完成角位移传感器模拟输出信号到数字量的转换是同步自整角机自动测试系统中的关键技术[1]。对于轴角数字转换技术,在20世纪70年代国内外就开始对其展开研究。70年代初,国外AD公司就生产了封装分立模块SDC以实现轴角A/D转换,随后国内江苏自动化研究所也先后研发了多个系列的转换器[1-2]。近几年,国内外对轴角数字转换技术的研究集中于采用FPGA、DSP微处理器来实现。Joan Bergas-Jané等人提出在DSP上采用移频技术和双同步参考帧解耦的锁相环技术来实现简单、经济的同步/数字转换器[3]。Yijing Wang等人介绍了一种通过FPGA将非线性信号转化为与角位置成正比的线性信号,并通过矫正策略得到数字角度信号的轴角数字转换方法[4]。但受算法复杂度,外界环境噪声干扰,以及处理器内置ADC的分辨率影响,转换速率的进一步提高以及误差的减小就会受到一定的限制。针对这一问题,本文设计一种基于AD2S80A旋变数字转换器以及IAP15W4K58S4单片机的同步自整角机动态测角系统,并分别从系统的硬件设计和软件设计方面展开介绍,最后通过对本文所设计的同步自整角机自动测试系统的实验测量,以验证文中方法的可行性。
1 同步自整角机结构及运行原理
因为同步自整角机是由转子和定子组成的将角位移与交流电压进行转换的感应式微型电机,所以从同步自整角机所输出的旋转角度信号是一组模拟信号。另外同步自整角机之间通过一定的连接电路,使得没有直接连接在一起的两根或两根以上的机械转轴自动保持一样的旋转角度并达到同步旋转。将机械转角变化转变为模拟电信号的同步自整角机称为控制式同步自整角机,而将接收模拟转角信号并产生机械轴角旋转的同步自整角机称为力矩式同步自整角机同步[2]。本文主要研究控制式同步自整角机将机械转角转化为模拟电信号后,如何将包含角度信息的模拟电信号转化为数字角度信息,以传送给单片机和电脑进行数据处理。自整角机的转子绕组为激磁绕组,当转子绕组上加入激磁电压为VR=Vmsinωt时,定子三相绕组上输出的相位均匀分布的三相交流信号如下:
式中,θ为相对于初始状态的转子转角,k为同步自整角机变比,三相交流信号的载波频率与励磁完全相同。同步自整角机的电气结构图如图1 所示。
2 硬件系统开发
同步自整角机自动测试系统包括激励电源、自整角机传感器、Scott三相转两相变压器、AD2S80A、滤波电路、单片机工作电路、计算机等。系统结构图如图2 所示。
其中,轴角转换电路由Scott变压器、AD2S80A、滤波电路组成。因为同步自整角机的定子端输出的是三相交流电压信号,而AD2S80A旋变数字转换器的信号输入端是成正交关系的正弦与余弦信号,所以同步自整角机输出的三个相位差各相差120°的线电压信号应经过Scott变压器转换成正、余弦形式,以符合AD2S80A转换器的输入要求。Scott变压器原理图如图3 所示。
同步自整角机的输出线电压经过Scott变压器中的AD712运放,即式(1)中的电压经过一定的线性组合可以生成符合AD2S80A要求的正余弦信号,转换关系式如式(2)所示。
改变Scott变压器原理图中R3,R4,R5的值可以Scott变压器输出的正余弦信号电压值满足2V的有效值,关系式如式(3)所示。
若R1=RR2=1.155R,则R3=kVR·R,R4=0.5VR·R,R5=0.5kVR·R。式(3)中,k为同步自整角机变比,VR为激励电源电压有效值。Scott变压器对电阻阻值精度要求较高,0.1%的误差将导致2弧分到7弧分角度误差。
另外,在非实验室环境下,同步自整角机可能会受外界噪声干扰而导致角度测量的不准确。当Scott变压器输出的正弦信号达到峰值时,用示波器测量Scott变压器输出的余弦信号,可以清楚地发现信号所含噪声较多,如图4 所示。(图中通道1为激磁信号,通道2为余弦信号)。根据文献资料显示,现有的轴角转换系统在设计时都基于理想的实验环境,所以在对自整角机输出的模拟信号进行A/D转换前没有对其进行有源滤波来动态抑制谐波。针对以上问题,本文采用二阶巴特沃斯低通滤波加移相电路来滤除同步自整角机输出正余弦信号中的多次和高频噪声的干扰,如图5 所示。通过增加有源滤波电路的设计,可以优化轴角测试系统的硬件电路,进一步减小测角误差。
当同步自整角机的激磁电压为36Vrms,频率为400Hz时,低通滤波器的截止频率为500Hz,衰减斜率为-40dB/十倍频。信号过低通滤波器,高频噪声被成功滤除了。但是与原有信号相比产生了相移,如图6 所示。应此加入移相电路,来补偿滤波后信号产生的相移。
对于轴角数字转换电路,为保证所测得角度数字信号的准确性,必须采用跟踪速率高、精度高、输出性能稳定的数字转换器。本文引入的旋变数字转换器AD2S80A其采用电子Ⅱ型伺服控制回路,分辨率可变,输出将自动跟随输入,当设置为10位分辨率时,可以跟踪转速最高达1040转/s的角度信号。16位分辨率的精度可达0.3'。另外,由于转换结果的准确度和输入信号的赋值无关,而和其比率相关,因此赋值和频率变化着的输入信号不会影响AD2S80A的转化结果。Scott输出的正余弦角度信号经AD2S80A中的高速数字乘法器、误差放大器、相敏解调器、积分器、压控振荡器和计数器形成一个闭环系统。
高速数字乘法器的主要功能为将输入模拟角度信号与计数器中的数字角度信号相比较,求得两个角度差值的模拟信号。误差放大器的作用是将高速数字乘法器获得的角度误差信号进行放大。相敏检测器是将乘法器输出的交流信号进行解调,将正弦波形式的角度信号转换为直流信号。转换器中的积分器是用来将前一级的输出信号进行积分后生成速率信号输出。将积分器的输入端引入调零电阻是为了防止积分器在工作时产生的较大直流漂移。积分器生成的速率信号通过压控振荡器产生脉冲信号,接着加减计数器根据脉冲信号输出数字信号并将其发送给输出锁存器输出。同时,数字角度信号作为反馈信号传输给高速数字乘法器,与模拟角度信号进行比较。假定当前同步自整角机转过的角度为θ,可逆计数器当前字状态为φ,通过闭环回路系统,使得sin(θ-φ)趋近于0。AD2S80A系统内部结构图如图7 所示。
系统的硬件集成电路原理图如图8 所示。本文选用的IAP15W4k58S4单片机总共有44个通用IO口,本系统通过定义16个通用IO口来作为16位数字角度信号的输入端口。另外,为了保证单片机电路工作的稳定性,对单片机专门采用三端稳压芯片AS1117供电。
3 软件系统设计
本文在软件部分的设计包括:单片机的采集与处理,单片机与电脑通信程序设计,以及电脑数据的采集。
3.1 下位机软件设计
下位机软件程序主要包括AD2S80A旋变数字转换器的数据采集程序、单片机数据处理程序和基于Modbus通信协议的下位机与上位机数据传输程序。具体的实现程序框图如图9 所示。
要将AD2S80A转换器的16位数字输出给单片机,程序设计中应满足转换器的读写数字时序。时序图如图10 所示。
转换器的时序图中BUSY信号表示输出数据是否有效。转换器的BUSY端会随着输入信号的变化而变化,并产生一系列TTL电平的脉冲。只有当转换结束,BUSY端变为为低电平时,此时的数据输出稳定下来才能读取。要传输数据还应使用 输入。 逻辑输入的作用为刷新输出数据,使能低电平时可以禁止数据从加减计数器传给锁存器。 输入决定输出数据的状态,使能低电平则可将数据从输出引脚输出。
根据以上AD2S80A的读写数字时序,本系统采用IAP15W4K58S4单片机与AD2S80A转换器进行通信,读取转换器的16位数字信号,然后在单片机中进行数据处理,将16位二进制数字角度数据转换成可供数码管显示的角度值,并通过Modbus协议传输处理过的角度数据给上位机,具体流程图见图11 所示。在单片机测得真实数字角度值θ后,要通过单片机的串口实时将数据传给上位机。通过Modbus协议主机可以请求访问从设备,并且对从设备发出的请求信号作出应答,以及检测错误并记录。根据Modbus协议定义的主机向从机发出报文指令的格式,本系统需要上位机发送从机地址和功能码为03的读保持寄存器指令,单片机接收电脑的请求读取指令后,通过RS232与电脑进行通信,将寄存器中的二进制角度数据传输给电脑进行处理。
3.2 上位机软件设计
3.2.1 系统软件框架
在以往的自整角机轴角测试系统的设计中,只有下位机通过数码管来实时显示角度测量数据。但是对于实验和工作中需要统计自整角机旋转0—360°的测角情况,以往的设计就无法满足实验工作需求了。因此,本系统设计基于LabVIEW虚拟仪器技术的上位机用户交互软件系统。此上位机软件系统将电量、角度、相位等信息数据采集、仪器控制、数据显示及处理、用户交互事件等多个相互独立但又存在数据依赖关系的功能模块分配各自独立的线程的方式,设计出功能友好的用户交互系统显示界面,以方便实验人员进行测试。上位机软件框架如图12 所示。
3.2.2 用户交互系统
本文所设计的用户交互系统如图13 所示,该界面中可分为左侧和中上部的“测试量显示区”以及右侧和中下部的“控制操作区”两大功能区。在中上部的“测试量显示区”形象地显示出了各待测量的所在位置及其当前测试数据;在左侧上半部分以表格形式呈现测量过程数据,左侧下半部分则显示测量分析数据。在右侧的“控制操作区”可通过,“自动模式/手动模式”切换开关实现两大功能模式的切换,在“自动模式”下,用户可通过点击“开始”按钮实现角位移传感器的自动测试。当自动测量完成后,系统将会自动在相应目录下生成报表文件。在“手动模式”下,用户可以通过点击右侧及中下部的控制按钮选择关心的测量量进行测试或控制角位移机构运动。
3.2.3 程序架构设计
由于本文研究的同步自整角机自动测试系统涉及角度等信息数据采集、数据显示及处理、仪器控制、用户交互事件等多个相互独立但又存在数据依赖关系的功能模块。
例如数据采集程序在运行时仍然希望系统能够处理用户输入的事件,而数据采集的同时也需要进行必要的数据处理并将结果输出到用户界面显示。为了确保以上各功能模块能够及时、可靠地运行,需要设计合理的程序架构对各部分进行独立管理合理调配系统资源,并在这些功能模块间建立可靠高效的数据通信渠道。
为了满足本系统各功能模块间同时被响应和处理,需解决使相互独立的功能模块并行运行问题以及并行运行模块间的通信协调问题。对于第一个问题,本文将采用基于多线程程序语言的虚拟仪器开发环境Labview,通过为每个功能模块安排一个彼此没有数据依赖关系的循环结构来达到为每个功能模块分配一个独立的线程的目的。及为电量、角度、相位等信息数据采集、仪器控制、数据显示及处理、用户交互事件开辟了数据采集、数据显示、仪器控制、事件处理等循环。对于第二个问题,为了避免造成数据的丢失或重复。因此,本项目采用生产者消费者的程序架构设计,运用队列操作函数,这样就避免循环速率不等所带来数据丢失或重复的影响。如图14 所示,即为本文采用Labview所设计的自动多线程生产者/消费者程序架构。
4 实验比对与分析
为了验证本文所设计的同步自整角机自动测试系统是否满足设计要求,须对测角系统进行实验比对与分析。实验中采用28ZKF011型同步自整角机作为实验的测试对象来分析本文所设计的系统的精度与误差。28ZKF011型同步自整角机的激励电压为36Vrms,400Hz,输出电压为16Vrms。其他的测试设备包括基于雷尼绍圆光栅的光学分度头的角度给定装置,激励电源,数字万用表,示波器,串行通信线缆,上位机等。系统设备装置图如图15 所示。
在实验中以光学分度头所给定的角度值作为基准与本文所设计的同步自整角机自动测试系统所测得的同步自整角机转轴旋转的角度值相比较,并且每隔5°做一次测量。实验中得到的测角误差曲线图如图16 所示,其中横坐标为理论角度值,纵坐标为实际测角误差。从图中可以看出,采用本文所设计的同步自整角机自动测试系统的测角误差在0.1°的范围内,满足系统的精度设计要求。
5 结束语
本文设计了一套基于AD2S80A的高精度同步自整角机动态测角系统,能够满足测角精度为0.3',实时测角误差为6'小于0.1°,满足同步自整角机动态测角的高精度设计要求。在硬件设计上,采用Scott变压器,AD2S80A转换器,滤波电路加单片机的简洁轴角测量电路,保证了测量的实时性,可靠性与准确性。在软件设计上采用单片机结合上位机的方式,不仅可以在数码管上实时显示出当前角度值,又具备了上位机功能友好的用户交互系统显示界面。在传输方式上,采用Modbus通信协议与用LabVIEW构建的上位机用户交互系统进行相关的数据传输。最后,通过实验比对与分析,在验证本套同步自整角机自动测试系统满足测角需求的同时,为下一步优化测角系统奠定基础。