旋转变压器的角度测量毕业论文

1、旋转变压器的角度测量毕业论文1绪论1.1国内外研究现状和技术的发展趋势现代控制系统的一些控制装置常常需要用到角度这个模拟量。角度测量在工业控 制中应用十分广泛，它在控制领域的作用不言而喻。随着科技发展，出现了许多 不同的角度测量方法以及测量元件，比如旋转变压器，自整角机等。早期的旋转 变压器用于计算解答装置中，作为模拟计算机中的主要组成部分之一。其输岀最 常见的也是容易实现的。60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信 号的产生和检测元件。旋转变压器的应用，近期发展很快。除了传统的、要求可 靠性高的军用、航空航天领域之外，在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的 应用。旋转变压器的应用已

2、经成为一种趋势。旋转变压器用于运动伺服控制系统 中，作为角度位置的传感和测量用。实际上，旋转变压器冃前主要是用于角度 位置伺服控制系统屮。由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度，所以 旋转变压器应用的更广泛。特别是，在高精度的双通道、双速系统中，广泛应用 的多极电气元件，原来采用的是多极自整角机，现在基木上都是采用多极旋转变 压器。1.2课题研究的目的及意义这些年来，随着工业白动化水平的提高，随着节能减排的要求越来越高，效 率高、节能显著的永磁交流电动机的应用越来越广泛。而永磁交流电动机的位置 传感器，原来是以光学编码器居多，但这些年来，却迅速地被旋转变压器代替。 可以举儿个明显的例子，

3、在家电中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都是 向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。冃前各国都在非常重 视的电动汽车屮，电动汽车屮所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。例如， 驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气 阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。旋转在应 用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里，所应用的伺服系统中关键 部件伺服电动机上，也是用旋转变压器作为位置速度传感器。因此在实际测量 与控制系统中，对于旋转变压器的输出信号，即旋变信号的处理就是测量角位移 的重要方法，通过对旋变信号经过处理以及反演变化推

4、导出角度位移的方法对于 许多需要节约成本的测量系统有重要意义。1.3各种角度测量的传感器介绍以及比较1.31自整角机自整角机是早期应用于测量角度系统中的，它利用自整步特性将转角 变为交流电压或由转角变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作 测量角度的位移传感器。自整角机述可用以实现角度信号的远距离传输、 变换、接收和指示。两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连 的两根或多根转轴白动地保持相同的转角变化，或同步旋转。电机的这种 性能称为自整步特性。在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为 发送机，接收信号一方所用自整角机称为接收机（图1-31） o自整角机广泛应用于冶金、航海等位

5、置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统 中。自整角机按用途分为力矩式和控制式（变压器式）两种。力矩式用于同步指示系统；控制式用作测角元件。因此我们主要介绍控制式自整角机。图 1-31控制式自整角发送机结构大多数釆用两极凸极式结构，只在频率较 高、尺寸较大时才采用隐极式结构。定、转子铁芯上分别装嵌单相激磁绕 组和三相整步绕组。三相整步绕组为分布式星形接线，各相轴心线在空间 相差120。转子绕组通过滑环和电刷引出接线的为接触式自整角机；通 过电磁耦合方法引出接线的为无接触式自整角机，后者无接触摩擦和无线 电干扰，但结构复杂，性能指标和利用率低。为了提高输入阻抗，所用激磁 绕组匝数较多。控制式白

6、整角接收机（白整角变压器）多采用隐极式结构， 并在转子上装设高精度的正弦绕组。两台控制式自整角机与力矩式自整角 机相似可组成角度测量系统，也可以有差动工作方式。由于生产工艺方面 的原因，自整角机有零位和角度等方面的误差。1.32旋转变压器60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生和检测元 件。三线的三相的自整角机，早于四线的两相旋转变压器应用于系统中。所以作 为角度信号传输的旋转变压器，有时被称作四线自整角机。随着电子技术和数字 计算技术的发展，数字式计算机早己代替了模拟式计算机。所以实际上，旋转变 压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。由于两相的旋转变压器比自整角 机更容

7、易提高精度，所以旋转变压器应用的更广泛。特别是，在高精度的双通道、 双速系统中，广泛应用的多极电气元件，原来采用的是多极自整角机，现在基本 上都是釆用多极旋转变压器。根据转子电信号引进、引出的方式，分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器。 在有刷旋转变压器中，定、转子上都有绕组。转子绕组的电信号，通过滑动接触, 由转子上的滑环和定子上的电刷引进或引出。由于有刷结构的存在，使得旋转变 压器的可靠性很难得到保证。因此目前这种结构形式的旋转变压器应用的很少， 目前无刷旋转变压器有两种结构形式。一种称作为环形变压器式无刷旋转变压 器，另一种称作为磁阻式旋转变压器。其中我们运用的是止余弦旋转变压器，它 是将

8、转子转角变换成与之成正余弦函数关系的电压信号（图1-32） o图 1-32旋转变压器的基本工作方式：旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式：鉴相方式和鉴幅方式。鉴相工作方式：在旋转变压器定子的两相止交绕组（正弦用s和和余弦用c表示），一般称为 正弦绕组和余弦绕组上，分别输入幅值相等，频率相同的正弦、余弦激磁电压 us=umsin 3 tuc=umcos 3 t两相激磁电压在转子绕组中会产牛感应电动势。根据线性叠加原理，假设电 角度为巾，电角度为（），则在转子绕组中感应电压为u=kussin 0 +kuccos 0 =kumcos （31-（）其屮k为变压比，可知感应屯压的相位角就等于转子的机

9、械转角0 o因此只 要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子 是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的直线位移或角位 移。鉴幅工作方式：给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同，即调幅的激磁电压us二umsin 巾 sin o t, uc=umcos d） sin 3 t则在转子绕组上得到感应电压为u=kussin0+kuccos 0=kumsin st （sin（i）sin（）+cos d） uccos（）=kumcos （d） - 8 ） sin 3 t在实际应用中，是不断修改激磁调幅电压值的电气角d）,使之跟踪9的变化, 并测量感应电

10、压幅值即可求得机械角位移0 o 旋转变压器的工作原理：旋转变压器角度位置伺服控制系统下图是一个比较典型的角度位置伺服控 制系统。xf称作旋变发送机，xb称作旋变变压器。旋变发送机发送一个与机械 转角有关的、作一定函数关系变化的电气信号;旋变变压器接受这个信号、并产牛和输出一个与双方机械转角之差有关的电气信号。伺服放大器接受选变压器的 输出信号，作为伺服电动机的控制信号。经放大，驱动伺服电动机旋转，并带动 接受方旋转变压器转轴及其它相连的机构，直至达到和发送机方一致的角位置。 旋变发送机的初级，一般在转子上设有正交的两相绕组，其中一相作为励磁绕组, 输入单相交流电压;另一相短接，以抵消交轴磁通，

11、改善精度。次级也是正交的 两相绕组。旋变变压器的初级一般在定子上，由止交的两相绕组组成;次级为单 项绕组，没有正交绕组(图l-33)o图 1-33前而已经介绍过，旋转变压器有旋变发送机和旋变压器之分。作为旋变发送 机它的励磁绕组是由单相电压供电，电压可以写为式(1)形式：ui (t)二umsin 3 t其中，叽一励磁电压的幅值，3励磁电压的角频率。励磁绕组的励磁电流 产生的交变磁通，在次级输岀绕组中感生岀电动势。当转子转动时，由于励磁绕 组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输岀绕组感生的电动势也发生 变化。又由于次级输出的两相绕组在空间成正交的90。电角度，因而两相输出电压如式(2)所

12、示：u2fs (t) =u2fmsin ( co t+ a r) sin 0 fu2fc (t) = u2fnisin ( w t+ a f) cos 0 f其中，u2fs正弦相的输岀电压，u2fc余弦相的输出电压，u2fm次级输 出电压的幅值；qf励磁方和次级输出方电压z间的相位角，8 f发送机转子 的转角。1.33感应同步器感应同步器是利用电磁原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。它 是一种精度很高的测量元件，是一种新型的控制电机。根据用途，可将感应同步 器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量线位移和角位移。将角度或直线位移 信号变换为交流电压的位移传感器，又称平面式旋转变压器。它有

13、圆盘式和直 线式两种。在高精度数字显示系统或数控闭环系统中圆盘式感应同步器用以检测 角位移信号，直线式用以检测线位移。感应同步器广泛应用于高精度伺服转台、 雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高精度位置检测 系统中。结构：圆盘式感应同步器由定、转子组成。其制作过程是先用01毫 米厚的敷铜板刻制或用化学腐蚀方法制成绕组，再将它固定到10毫米厚的 圆盘形金属或玻璃钢基板上，然后涂敷一层防静电屏蔽膜。定转子间间隙 为0.20.3毫米。转子绕组为单相连续扇形分布，每根导片相当于电机的 一个极，相邻导片间距为一个极距。定子绕组为扇形分段排布，极距与转 子的相同。直线式感应同步器与圆盘

14、式结构相似。不同的是它由定尺与滑 尺组成，绕组为等距排列。工作原理：感应同步器工作原理与旋转变压器的工作原理相同。圆盘 式感应同步器的转子共有n个导片。当转子转过角度0时，定子绕组a 和b分别感应输出电势式中em为定子绕组感应电势最大值，3为激磁电源 角频率。其最高精度与绕组的极对数有关。感应同步器的转子转角变化 360° /n时定子的频率变化1赫，因此精度大为提高，最高精度可达0. 1 o 直线式感应同步器的滑尺移动距离为x时，滑尺绕组中分别感应输出电势 当极距t =1毫米时，测量精度为土25微米。感应同步器有鉴幅型和鉴相型 两种工作方式。把转角或直线位移转换成电信号的电感式高精度

15、传感元 件。又称感应整步机。它与多极旋转变压器相似，借助于定、动片上绕组 之间的电磁耦合，使输岀电压随定、动片相对位移呈正（余）弦函数规律变 化。感应同步器的极对数比多极旋转变压器多得多。感应同步器按作用分 圆盘式（又称旋转式）和直线式两种。感应同步器通常做成分装式，主要由 定片和动片组成。工作时定片和动片之间保持均匀气隙。感应同步器动片 为连续绕组，定片为两相分段绕组。圆盘式感应同步器转子连续绕组以交 流电压u励磁，定子两相绕组输出为。式中k为电压耦合系数；n为极数， 即转子连续绕组导体数；0为转子转角。运行方式：感应同步器输出电信 号很微弱，需配以变换电路，将输出电信号进行处理，以便于准确

16、测量位移 大小，基本运行方式有以下4种：单相励磁，两相输出，采用鉴相方式， 精确反映位移信号；单相励磁，两相输出，采用鉴幅方式，较精确反映位 移信号；两相励磁，单相输出，采用鉴相方式，精确反映位移信号；两 相励磁，单相输出，采用鉴幅方式，较精确反映位移信号。基于多极元件 对信号偏差的补偿原理，因感应同步器极对数很多，所以其精度很高。由 于其结构简单，工作可靠，性能稳定，已广泛用于机床、航天测试技术等 设备和装置中，用来构成角度或位移的精密测量、定位和随动系统，其精 度可高达1角秒或1微米以下。利用电磁感应原理将两个平面型绕组之间 的相对位移传换成电信号的测量元件用于长度测量。感应同步器的优点有

17、具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取 决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。感应同 步器是由许多节距同吋参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差 的影响。目前长感应同步器的精度可达到±l5yni,分辨力0.05 pm,重复 性0.2umo直径为300mm的圆感应同步器的精度可达± 1 ，分辨力0.05 , 重复性0.1 o抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测 量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而 瞬吋作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。平面绕组的阻抗很小， 受外界干扰电场的影响很小。使用寿命长，维护简单

18、。定尺和滑尺，定 子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。它不怕油污、 灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫。但需装设防护罩，防止铁屑进 入其气隙。工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。由于感应同步 器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测 量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中 测量装置等。圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回 转伺服控制系统中。1.34其他电测传感器编码器是一种机电装置，可以用来测量机械运动或者目标位置。大多数编码 器都使用光学传感器来提供脉冲序列形式的电信号，这些信号可以依次转换成运 动、方向

19、或位置信息。照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编 码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲 的个数表示位移的大小。而绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码， 因此它的值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。在增量式中编码器获得物体的相对位置。旋转编码器可以测量物体运动的角 位移，它由一个发光二极管（led）、一个码盘，以及码盘背而的一个光传感器。 这个码盘安置在旋转轴上，上面按一定编码形式排列着不透光和透光的扇形区 域。当码盘转动时，不透光扇区能够遮挡光线，而透光扇区则允许光线透过。这 样就产牛了方波脉冲，可以编译成相应的位置或

20、运动信息。编码器每转通常分为 100到6000个扇区，100个扇区的编码器可以提供3. 6度的精度，而6000个扇 区的编码器则可以提供0. 06度的精度。线性编码器与旋转编码器的工作原理类似。它采用了一条固定的不 透光带取代了旋转码盘，在不透光带表面上有一些透光缝隙，而led探测器组件 则被附在运动体上，这样可以测量物体的线位移。绝对式编码器能够获得目标的绝对位置。绝对式编码器的不同之处 在于编码器的码盘上，采用了多组分区形成同心码道，如同靶坏一样。同心码道 从编码器码盘的屮心出发，向外扩展直到码盘外部，每一层码道都比其内层多了 一倍的分区。第一层，即最内层的码道，只有一个透光扇区和一个不透

21、光扇区； 位于中心的第二层就具有两个透光扇区和两个不透光扇区。如果编码器有10层 码道，那么最外围的码道就有512个扇区。因为绝对式编码器的毎层码道都比它 里而一层的码道多了一倍数目的扇区，所以扇区的数目就形成了二进制计数系 统。在这种编码器中，码盘上的每个码道都对应一个光源和一个接收器。绝对式 编码器的优势在于可以降低编码器的转速，可以使编码器的码盘在整个机器运动 周期中只转一圈。如果机器运动距离为10英寸，而编码器具有16位精度，那么 机器位置的精度就是10/65, 536,即0. 00015英寸。如果机器的行程更长譬如6 英尺，那么粗旋转编码器可以保证跟踪每一英尺距离；第二级称为细旋转编

22、码器 可以跟踪1英尺以内的距离。对于角度编码器，有边沿计数值x 3绅编码类型号对于位移编码器，有边沿计数值 编码类型号x每个脉冲对应的距离值ni m系列数据采集卡所带有的counter可以满足abz三相编码器的测量， 这三路脉冲信号需要直接连接到counter的source, gate和aux上，经过设置 编码器类型，编码方式等信息，可以直接换算成需要的旋转角度或位移值。 1.35各种角度传感器的比较作为角度位置传感元件，常用的有这样几种：自整角机、光学编码器、磁性 编码器、旋转变压器和感应同步器。由于制作和精度的缘故，磁性编码器没有其 他两种普及。光学编码器的输出信号是脉冲，由于是天然的数字

23、量，数据处理比 较方便，因而得到了很好的应用。早期的旋转变压器，由于信号处理电路比较复 杂，价格比较贵的原因，应用受到了限制。因为旋转变压器具有无可比拟的可靠 性，以及具有足够高的精度，在许多场合有着不可代替的地位，特别是在军事以 及航天、航空、航海等方面。随着电子工业的发展，电子元辭件集成化程度的提 高，元器件的价格大大下降；另外，信号处理技术的进步，旋转变压器的信号处 理电路变得简单、可靠，价格也大大下降。而且，又出现了软件解码的信号处理, 使得信号处理问题变得更加灵活、方便。这样，旋转变压器的应用得到了更大的 发展，其优点得到了更大的体现。和光学编码器相比，旋转变压器有这样几点明 显的优

24、点：无可比拟的可靠性，非常好的抗恶劣环境条件的能力;可以运行 在更高的转速下。（在输岀12 bit的信号下，允许电动机的转速可达60, ooorpmo 而光学编码器，由于光电器件的频响一般在200khz以下，在12 bit时，速度 只能达到3, ooorpm）;方便的绝对值信号数据输出。1 4本章小结由于旋变信号在实际运用越来越广泛，以旋转变压器旋变信号为重要的角度 测量方式也在迅速发展，在实际测量与控制系统中，对于旋转变压器的输出信号, 即旋变信号的处理就是测量角位移的重要方法，通过对旋变信号经过处理以及反 演变化推导出角度位移的方法对于许多需要节约成本的测量系统有重要意义。本章在介绍了各种

25、角度传感器(自整角机、光学编码器、磁性编码器、旋转 变压器和感应同步器)的基木原理以及工作方式以后，对它们在精度，成木，可 靠性，抗干扰等方面的优势和劣势进行了比较。2研究内容和数字模拟方案比较2. 1研究内容旋转变压器在实际运用中常常和其他仪器例如电机等构成一个整体系统，由 于有时候测量控制要获得实际电机转角，不能直接从电机获得的时候，通过与电 机同轴连接的旋转变压器的角度测量就可以测出实际电机的转角信息，因此本设 计主要研究的对象就是处理旋转变压器的输出信号，通过对旋转变压器的输岀的 旋变信号的处理，得到其屮包含的角位移信息。2. 2数字模拟方案比较总体上有两种方案：一种是基于专用芯片的数

26、字技术旋变信号处理，另一种 是基于模拟技术的旋变信息处理。下而就着重分析两种方案的各自实现方法。2.21基于专用芯片的数字技术旋变信号处理用ad (anal og dev i ces)公司的旋转变压器数字转换器ad2s83ad2s83性能概述：(1) 提供有10位、12位、14位和16位的分辨率，用户可通过两个控制引 脚自行选用不同的分辨率。具体见表2-21,(2) 可将输入的模拟信号转换为并行二进制数输出，易与单片机或dsp等控 制芯片接口。(3) 釆用比率跟踪转换方式，使之能连续输出数据而没有转换延迟并具有较 强的抗干扰能力和远距离传输能力。(4) 用户可通过外围元器件的选择来改变带宽、最

27、大跟踪速度等动态性能。(5) 具有很高的跟踪速度。当采用10位分辨率时，最大跟踪速度达1040r/seco(6) 能产生与转速成正比的模拟信号，输出范围为±8v dc ,通常线性度可达 土0. 1 % ,回差小于土0. 3 %，可代替传统的测速发电机，提供高精度的速度信号。(7) 具有过零标志信号(rippl e clock)和旋转方向信号(direction)。(8) 止常工作的参考频率为020 ,000hzo分辨率(bit)最大跟踪转速(r/sec)1010401226014651616.25表 2-21ad2s83外围电路连接：旋转变压器的励磁频率取为7khz ,要求伺服电机的

28、最大转速6000r/min(100r/ sec),故采用12位分辨率。其中，所选择的分辨率与所能跟踪的最大转速的输出 数据的分辨率由控制引脚sci、sc2的逻辑状态决定,为获得所需的带宽、最大 跟踪速度等动态性能指标,可按以下方法来选择外围元器件：(1)旋变信号的正、余弦地均接在第6引脚(signal gnd)上，该引脚与第5 引脚(analog gnd)在芯片内部是相连的。且第5引脚和第31引脚(digital gnd) 须尽可能在靠近芯片的地方连接起来。脚(vco 0/ p)的地方，旋变信号屏蔽线接在第5引脚(analog gnd) 上。(3) 最好能分别在土心、+ kl与digitalg

29、nd或analog gnd之间在靠近 芯片的地方并联一个loonf的解耦电容。(4) 选择不同的分辨率将影响电阻r4、r6的值，故当改变分辨率时必须保 证新的r4、r6切换到屯路屮。在动态条件下，只有在busy引脚为低电平即数据 转换结束时才可改变分辨率。(5 )引脚sci、sc2、data load. compl e2ment 在芯片内部经 100kq 电 阻接在+ ks ( +12v)，故当需要这些引脚为高电平时,使其悬空即可，不需额外施加ttl电平。其中complement引脚通常不需要gnd15ocpf rel|ci cos 敕 refijow" 借号sinlowr3 c2i

30、 hook lsoopft c1 isoopfcoslow二sin 7+ 22vvelociiy-12v卜 lll-f+ 12v8msb莎rippub?lk buificnon bey ad2s83dataloadscjsin：+vtnc*dbdbidbjgs； mg* 2 5 12wgitalgnjncruvgndsggs&sssf+5v图2-22 ad2s83外围接口电路图：ad2s83与dsp的接口设计tms320f2812数字信号处理器是ti公司最新推出的32位定点dsp控制器，是目前控制领域最先进的处理器2。其频率高达 150mhz,大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力

31、。tms320f2812芯片是 基于dsp的内核，并提供浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上方便的实现 浮点运算。在高精度伺服控制、可变频电源、ups电源等领域广泛应用，同时是 电机等数字化控制产品升级的最佳选择。采用dsp实现数字化处理和控制已经成为未来的发展趋势，其屮ti公司于 1982年推出第一个dsp以来，处理器的技术发展迅猛，其中的tms320处理器具 有较高的信号处理和控制功能，数据处理模块由双口 ram idt7134. tms320c31 （以下简称 c31）、eerom 28f010 和高速 ram cy7c199 组成，通过 isa 总线和主计算机连接起来，构成主从式多处

32、理器工作模式，如图1所示。主从式处 理器系统的设计关键在于处理器z间的数据交换，主从处理器间的数据交换主要 有串行、并行、dma及双口 ram四种交换方式。本方案采用idt公司的双口 ram idt7134实现主计算机和c31间的数据交换。idt7134内部含有4kb的存储器资 源,具有两组地址、数据总线及读写控制线。主计算机和c31可同时对其进行读 写操作。在对其内部同一存储单元访问时,要考虑写入和读出数据的完整性。idt7134没有单独的主从处理器访问控制引脚，设计时需用软件方式来保证主计 算机和c31之间数据交换的正确性。本方案中采用了在idt7134中设置输入输出 semaphore的

33、方案，即主计算机在将跟踪雷达的测量数据写入双口 ram后，设置输 入semaphore,通知c31读取测量数据。c31进行卡尔曼滤波后，将滤波结果写入 双口 ram,设置输出semaphore,通知主计算机读取。双口 ram的数据宽度为8 位,c31数据总线宽度为32位。双口 ram的数据总线和c31低8位数据总线相接。 为了提高数据处理的精度，双口 ram中的跟踪数据和c31的滤波结果都以字（32 位）为单位进行存储,c31作卡尔曼滤波时，首先按字节读取跟踪数据，然后进行 移位,拼接成32位整形数，再将整形数转换为浮点数，进行滤波运算。输出时，则 将浮点型的结果转为整形数，按字节写入双口 r

34、am中tms320dm642 / c64x系列芯 片基于ti公司开发的第二代高性能的超长指令字结构velocit2, velocitl 2 在8个功能单元里扩展了 88条新的指令以增强其在视频/图像应用中的性能， 并提高了视频处理的并行性dm642的程序总线宽度为256bit,次取值操作可以 读取8条指令，并且片内集成的8个功能单元能够独立的进行指令译码和执行二 者一起形成了 dm642的8条流水线处理机制。8个功能单元中有2个乘法器，每 个乘法器在1个时钟周期内可以执行2个16x6bit或4个8x8bit的乘法操作, 因此dm642在毎个时钟周期内可阻执行4个1 6x16bit的乘法或8个8

35、x8bit 的乘法操作。其余6个功能单元是算术逻辑单元，能在每个时钟周期内执行2 个16位或4个8位的加减、比较、移位等运算。在600mhz的时钟频率下,0m642 每秒最多可以进行24亿次16位的乘累加或48亿次8位的乘累加操作。强大的 运算能力使dm642可以同时进行多路高质量的视频处理。dm642系列可以在最高 720mhz的时钟频率下工作，处理能力最高达到5760m1ps,所以随着频率的 增jfldm642的性能也会随之大幅度提高。同时64位的emif使dm642具有最大 10241db的可寻址外部存储器空间，可以进行多种异步存储器（如sram和eprom） 或同步存储器（如sdram

36、）的扩展连接。良好的扩展能力使dm642可以更灵活、高 效的进行程序和数据的空间分配、调度与处理。在出现新的算法或标准时，也可 以方便的进行系统的软件升级。11公司的各种型号dsf专为实时信号而设计， 在其各种型号的dsp屮，tms320f28x系列dsp将实时信号处理能力和控制器外 设功能集于一身，为本数据采集系统提供了一个非常理想的解决方案。基于该系 统对于速度，功耗，成木等方面的考虑，木课题釆用了 tms320f28x系列中的 tms320f2812作为数据采集系统的处理器件.tms320f2812的指令执行速度高达 150mips,作为控制器应用它具备良好的实时控制能力：它的供电电压为

37、33v, 与单片机相比，具有更低的控制器功耗：它的指令系统提供了丰富的“乘累加”，“循环寻址”等指令，这使得实吋信号处理中的滤波，频谱分析，可以方便快速 的实现。采用微处理器或者dspde数字控制方式是目前涉及控制系统的发展趋势，主 要优点如下：由软件程序修改而实现不同的控制方法，无须更改硬件电路。可降低体积、体重与功耗，同时价格也较低。具有较高的可靠性。且易于维修与测试。对噪声与干扰有较强的抗干扰能力。采用dsp tms320f240作主控cpu，它是专用于电机数字控制的高速数字信号处 理器,能够提供屯机数字控制单片解决方案所必需的外围设备。用ad2s83将旋转 变压器输出的模拟位置信号(s

38、in ,cos)转换为并行的数字信号,然后由dsp将 数字位置信号读入并进行处理。首先，需要一个交流信号发生器来产生高品质振荡信号,一方面给旋转变压器 提供励磁信号，另一方而作为ad2s83的参考输入信号。r7 , c6和c7要尽量接 在靠近芯片第41引由于旋转变压器输出的位置信号(sin ,cos)满足ad2s83信 号输入的要求，故可直接与ad2s83接口，否则需要额外的信号处理电路将旋转变 压器输出的正余弦信号转换为满足ad2s83的幅值与相位要求的信号。若将 ad2s83的数据总线直接与dsp的数据总线接口，不论ad2s83内部处于什么状态, 当dsp需要读入位置信号时，必须通过其1/

39、 0 口向ad2s83的inhibit引脚施加 低电平，从而阻止ad2s83内部锁存器刷新,在等待490ns后，才可读取有效数 据。但是,这对于指令周期仅有50ns的dsp来说，要等待近10个指令周期，这显 然不适于实时控制的要求。因此，笔者设计了一个即时读取数据的接口电路。将 inhibit引脚始终置为高电平(+ 5v),同时将enabl e引脚接地,使三态输岀引 脚始终处于打开状态。由于输出数据为12位，故将byte sel ect引脚接为高电 平(+ 5v)，此时,db1db8为高有效位,db9 -db12为低有效位,db13db16 始终为低电平(0) , 16进制数000fff对应机

40、械角0360°。将data load引脚 置为逻辑高(悬空即可)，使12位数据总线为输出总线。为了使dsp能随时读取 到位置信号，在12位输出总线与dsp的数据总线之间加入两片三态锁存器。锁存 器选用ti公司的sn74f573，将busy信号经过一个非门后作为锁存器的锁存允许 信号(le)。取dsp的四根地址线(ad2-ad5)经译码后再与读信号线(rd)相与 所产牛的信号作为锁存器的输出允许信号(0e)，这样，当dsp需要读取位置信号 时,就可通过74f573来直接读取了。工作原理如下：当ad2s83加入旋变信号时， 不需要任何转换指令便可自动启动转换。当busy为低电平时，表示转

41、换已经结束，当前数据总线上为有效数据，同时打开74f573 ,将数据输入 到锁存器中;busy为高电平吋，表示转换正在进行，当前数据总线上数据无效，此 时74f573处于关闭状态，内部锁存着上一次转换的数据。这样，不论dsp何时读 取数据，均可从锁存器中读到有效数据。不需要任何等待，大大提高了伺服系统控 制的实时性。其接口电路原理图如图2-23所示。图2-23 ad2s83与dsp连接图采用这种接口方案可以实时地读取位置信息，完全可满足对转子位置和速度进 行实时快速控制的要求,所提供的移相触发控制算法和顺序触发控制算法经系统 实际运行证明具有触发可靠、准确的特点。实验证明，在斜波电压起动模式和

42、限 流起动模式下，系统能根据不同的实验参数，调整起动特性,达到满足不同起动需 求的目的。并具有较高的精度，且接口电路简单，成本较低，工作可靠，使用方便。基于数字式信息处理旋变信号小结现代控制系统的发展，一般均采用专用数字控制系统，而专用数字控制系统的 功能，相当一台小型专用电脑。因此对反馈元件的要求，并不是简单地送出电压 模拟量，而是要求得到旋转变压器型轴角编码器的组件化产品。该组件集旋转变 压器、旋转变压器激磁电源、轴角编码及处理于一体，是测量变换一体化的组件, 输出为标准的二进制码bi(o)与测量角度0的关系，可以直接插入主机控制板或 与旋转变压器一体化。届时，作为控制系统的用户关心的是：

43、旋转变压器的安装 尺寸，输出的角度二进制编码bi(0)的编码精度及反馈组件的传递函数g(s)。与 传统的作法相比，可省去用户的控制系统空间及时间。双通道旋转变压器作为轴 角位置测量元件，主要用于控制系统的角位置信息反馈、惯导系统的坐标分解器 及移动指挥控制中心的定位等场合。近年来的新技术、新工艺和新材的大量应用 促进了双通道旋转变压器与超大规模专用集成电路的结合一一双通道旋转变压 器型轴角编码组件，使其无论在理论还是在实际应用中都有了极大的发展。这类 轴角编码组件的输出信号为数字量形式，经电气误差模型化的综合补偿，并通过 电子技术处理，其电气精度己达到相当可观的等级，并可通过实时数据传输。同

44、时，这类轴角编码组件能在恶劣的环境下工作，具有较高的可靠性。双通道旋转 变压器型轴角编码组件一直是军事装备系统屮主要的角度位置测量、定位元件， 其编码采用按照跟踪反馈法原理工作的专用编码大规模集成电路(rdc)来处理, 先对高频高精度双通道旋转变压器的粗、精通道分别进行编码，然后经粗、精通 道组合和误差补偿后输出二进制码。一般来说，用户对于电气精度技术指标的 要求为角秒级精度，因此选用粗、精通道组合的双通道旋转变压器、正余弦交流 屯源及两套超大规模专用集成电路(rdc)组成轴角编码组件。这时分别将粗、 精通道旋转变压器的模拟输出正、余弦信号转换为二进制数字编码信号输出，两 路编码信号经同步逻辑

45、组合输出，其编码信号的电气精度应满足用户要求。精通 道一路的输出编码可再经过参数调整，使组件的电气精度进一步提高。2. 22基于模拟技术的旋变信息处理传统的信号处理或控制系统是采用模拟技术进行设计和分析，处理设备和控 制器采用模拟器件(电阻、电容和运算放大器等)实现。流程图见图2-24图2-24流程图因为本设计没有运用旋转变压器，因为首先通过模拟电路模拟出旋变信号， 然后将模拟出的旋变信号通过单片机作为主控单元进行分析后，通过编程解出角 度的量值，最后在显示单元中显示机械角度值。2. 3数字方式与模拟方式的比较可以看出，数字方式与模拟方式各有各自的特点，下而我们就它们的多个方 面进行比较。1,

46、 硬件成本采用微处理器或者dsp的主要优点就是能够以软件稈序取代复杂的硬件电 路。由于大规模集成电路(vlsi)发展迅速，高处理能力的cpu以及大容量的存 储器，它们均能够以非常快的速度实现较复杂的控制算法，但是由于现在集成技 术发展没有所使用的模拟元件广泛，导致专用的集成芯片相对于普通适用的模拟 电路要贵几十倍，整个数字方式采用的专用芯片外加dsp芯片成本相对于模拟方 式总成木也贵了几十倍。因此在成木这个角度考虑模拟电路在基木电路实现上有 很大的优势。2, 量化误差大小物理系统的信号是模拟的，因此以微控制器或dsp为基础的信号处理系统就 必须采用a/d与d/a转换器才能与外界的模拟信号进行沟

47、通，由于这些模拟数字 信号转换器均有分辨率上的限制，通常为8位或者12位，因此，在采样上也就 造成了量化谋差，由于量化课差在信号上的大小造成的不连续与导致的课差以及 因为采样在时间上造成的不连续均对信号造成失真，而这也就是数字信号处理系 统的主要限制。因为这种量化与采样对信号所造成的误差极为明显。如果dsp 通过a/d转换器将读入的正弦信号再通过d/a转换器送出，比较输入与输出信号 即可观察到所造成的误差。当正弦的频率逐渐增高时，这种现象则更为明显。由 采样定理可知，如果采样频率高于信号频率的两倍，即可完全恢复原始信号，但 实际上由于不可得到理想的采样，再加上噪声与量化所造成的误差，一般而言，

48、 采样频率比信号频率高10倍。3, 软件信号测量容易成都采用dsp进行信息处理，将以软件程序实现控制算法，因此其内部变量与控 制器的参数均不易于观测，而不像模拟信号处理系统可以使用示波器观测任何一 点的信号，虽然控制器参数可以程序控制，但往往需要额外的软硬件设计。4, 可靠性复杂的数字处理系统应用于工业自动化，如cnc或者机器人，应用于国防工 业如导弹与导航等，均需要高可靠性，采用高度集成的微控制器或dsp使系统的 可靠性有了极大的提高。5, 电磁干扰问题较少vlsi的高密度电路，降低了在电力电子系统中的高电压与高电流变化对电 路所形成的影响，控制芯片的屏蔽较为简单，由电力线或信号线所产牛的噪

49、声也 容易滤掉。6, 不会有漂移与参数变化在模拟电路十几种遇到的一些问题，如温度或环境变化而引起的漂移现象， 这种现象也会因为组件老化而发生，但在数字电路中则可以消除这些问题。以微 处理或单片机软件实现的数值计算不仅不会有参数变化，计算也会百分之百正 确，而且截断和溢出等问题也可以采用适当的调整比例范围来解决。7, 通用的软硬件平台采用dsp实现数字处理系统，可以使系列产品具有相同或类是的硬件结构， 不仅易于维修，也简化了生产制造的过程，同吋对软件设计而言。也因为有了共 同的硬件标准而较易规划与设计。8, 自动纠错能力采用微电脑控制，可用软件进行系统硬件额自动纠错，不仅能确保系统正常 工作，还

50、由于具有自动纠错能力而简化了故障维修。例如可以检测系统是否接线 正确、功率是否有短路现象等。9, 计算能力的限制虽然由于微电子技术的快速进展，微处理器与dsp执行速度已大幅提高，但 在执行速度上仍无法与特定模拟电路所完成的硬件控制相比。由于特定硬件在信 号处理上是以并行方式处理的，而在微处理器或dsp为基础的数字控制是以串行 方式执行软件，如果dsp有多个工作要做，则需要将各个任务划分时间段进行处 理，因而造成了采样延迟，导致信号无法连续处理。无法获取采样之间的信号， 这使得系统的带宽也就受到了限制，这个限制虽然可由多个处理器并行处理，但 本身采样效应所造成的限制是无法去除的。2. 4本章小结

51、处理旋变信号主要有两大方式，模拟方式和数字方式。其中，自20世纪六 十年代以来，数字信号处理已经h渐成为一项成熟的技术，并在多项应用领域逐 渐取代了传统模拟信号处理系统。数字信号处理是利用计算机或专用的处理设 备，以数值计算的方式对信号进行采集、变换、综合、估计和识别等加工处理。 数字信号处理技术具有灵活、精确、抗干扰能力强，设备尺寸小、速度快、性能 稳定和易于升级等优点，所以目前大多设备采用数字技术设计实现。但是数字电 路相对于模拟电路有着本身需要解决的问题例如计算能力的限制、软件信号不易 测量以及存在量化谋差，成本比较高，在基础仿真中不容易实现等问题，因此我 们应该选择在模拟方式下进行旋变

52、信号的处理，提高对于模拟电路的理解与应 用，最终实现对旋变信号的全面了解。3方案设计根据上章的分析，综合数字方式处理旋变信号以及模拟方式旋变信号处理的 优势与劣势，从各项因素以及自身条件出发，本设计决定选择模拟方式进行旋转 变压器信号处理。3. 1系统设计在模拟方式处理旋变信号时，本设计设计了两种模拟电路方案进行比较。两 种方案有所异同，但是最终得岀机械角度测量的精度以及旋变信号处理中的相位 会有所不同，最后将进行比较。总体来说，方案框架如下：v图3-1整体方案框图下面将给出木设计的两种方案的具体电路图3. 2方案一系统设计为了后而介绍齐个部分电路的功能以及齐个部分电路之间的关系，首先给岀方案

53、一的总体电路图（图3-2）oj10g专52 a < wvrtf 孑pvfmtffp-d pm，丿f-lrap-a p«qcv2w3e,geenanop9qq侧e图3-2方案一电路总图3. 21旋转变压器信号模拟电路设计由于鉴幅和鉴相方式时角度位移是一个受到电角度以及系统电磁量的影响， 因此为了消除这些模拟方式上存在课差，在模拟旋变信号时，设定角度位移是（）， 同时人为引进变量（1）,这个变量巾仅仅受到人为调整，不受到系统其他参数的影 响，因此提高了角度测量的精度。最后推导出的公式为：vu3=sin （ 巾）sin w t具体公式在后面推导，下面先给出实现旋转变压器信号的模拟电路

54、图（图3-21)o图3-21旋变信号产生模拟电路图可以由上图中看出，两个乘法器（u1和u2）实现了两个信号相乘，其中u1 的1号端口输入的是人为给定的角度（1）的正弦函数sin（1）,3号端口的输入是sin w tcos 0 , 7号端口输出的是sinwtcos0sin（i）o其中u2的1号端口输入的是 人为给定的角度巾的余弦函数cosd）, 3号端口的输入是sinco tsin 0 ,七号端 口输出的是sincotsino cos（1）o特别要指出的是，由于乘法器内部将信号衰减 了 10倍，因此本设计的后而放大电路将信号衰减的这10倍考虑在内。下面给出ad633乘法器的内部屯路图（图3-22

55、）o图3-22 ad633芯片内部电路ad633是一款低成本的乘法器，它包括了一个核心的滤波器，并且连接了一个单位增益输出，差分输入x和y转换为差动电流的电压电流转换器，并配置各种模拟计算功能。同时ad633是一个功能完整，四彖限模拟乘法器。它包括高阻抗，差分x和y输入和一个高输入阻抗总结（z）的。低的im - peckince输出电压为10伏标称稳压提供全面埋地。该ad633是第一个产品提供s0tc封装，这些特征在价格适中的8引脚塑料dip和。ad633是规模的激光校准，以充分保证了总的2%的精度。输入非线性的y -通常小于0.1%和噪音提到了输出通常小于100 uv的带宽有效值在10赫兹到

56、10千赫。可以看出，乘法器ad633的公式为:u（xi-x2）（n-r2）|z10v两个信号经过一个减法器u3以后在1号端口得到信号。经过和差化积以后 为vu3=sin （ 0 -（|） sinot即为所要的旋变信号。3. 22减法电路设计本设计采用的是由lm158构成的单运放基本减法电路，其电路图如图3-23 所示。<text>图3-23减法电路图该电路所用运放lm158o它为单片高增益双运算放大器，可在较宽范围的单 屯源下工作，其电源电流很小且与电源电压大小无关。lm158芯片引脚功能说明：1为输出端，2为反向输入端，3为正向输入端，4 接-vcc, 5为正向输入端，6为反向输

57、入端，7为输出，8接+vcc, vcc为电源电压 接 ±5vo减法电路的分析和参数的设置：由基尔霍夫第一定律列电流等式有：z1 = in + it , i2 = ip +/3将上式用欧姆定律展开：(ul-uj/r = ullxuo/rf,(ui2-up)/r2 = up/r3为了消除偏置屯流引起的误差，要求运算放大器两输入端的外电路其总电阻 必须平衡，即令 rl = rf，贝 u有：un-un=ufl-u()即：(/和+(/。=2”令 r2 = r3,则有：ul2-up=u/f 即：ul2 = 2up乂因为：up=un,所以u+u(,=u2 bp： h12 - u,(其成立的条件：/?1 = /?广且/?2 = /?3)故设r = rf =sk, r2 = r3 = 10k ,能够实现其减法运算功能。经过减法 电路的表达式为：vl4=sin w tcos 0 sin(1)-sin co tsin 0 cos(1)=sin ( 0 -) sin w t3. 23相敏检波电路相敏检波是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。相敬检波电路具 备两个重要特性：选频与鉴相特性。其中，选频特性指的是它对不同频率的输入 信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周 期内平均输出为零，即它有抑