基于单片机的旋转变压器—数字转换器的研究
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摘要
旋转变压器---数字转换器作为现代伺服系统中被广泛使用的角位置测量系统,大量应用于高精度及大中型数控系统、机器人控制、工业控制、武器火力控制及惯性导航领域中。
传统的角测量系统面临的问题有:体积、重量、功耗偏大,调试、误差补偿试验复杂,费用较高。本文从微型化、智能化的方向进行研究,是解决传统角测量系统所面临问题的好途径。
本文所研究的旋转变压器---数字转换器是由信号调理模块、系统芯片C8051F064和输出控制模块组成的。整个系统的三路输入信号为X=Asinθcosωt、Y=Acosθcosωt和Z=U cosωt(基准信号),输出信号为偏转角θ,输出形式为16位数字量。信号调理模块是由模拟电路组成的,包括信号输入电路、相敏整流电路、滤波电路和直流稳压电源电路,其难点在于相敏整流电路的设计。信号调理模块的主要功能是把输入的交流信号X=Asinθcosωt、Y=Acosθcosωt转变成直流信号Bsinθ和Bcosθ,并使输出的直流信号在0～2.4V之间;系统芯片C8051F064是CYGNAL公司近年来推出的一款功能齐全的完全集成的混合信号片上系统型单片机。在本文所设计的系统中,系统芯片的输入信号为直流信号Bsinθ和Bcosθ,通过片内自带的2个16位A/D转换器对输入信号的数据进行采样和转换,并对转换完的数据进行滤波处理,以减小由于外界干扰而产生的误差,再用除法和反正切函数解算出偏转角θ的16位数字量;输出控制模块主要完成的功能是通过UARTO向计算机实时发送由单片机计算出来的偏转角度θ的16位数字量,而串口的RS-232电平与单片机系统采用的是TTL电平之间的转换所采用的转换芯片是MC1488和MC1489。
本文还分析了该系统误差产生的原因和误差形成的过程,并将该过程描述为几何上从圆到椭圆的变化过程。在最佳椭圆拟合的基础上提出了一种误差补偿方法,该方法可以不需要基准设备对系统中存在的各种误差进行自动校正。
实验结果表明,本文所设计的旋转变压器---数字转换器的硬件组成和软件实现基本能够较精确的完成上述的信号转换和数据运算。
Revolver-to-Digital Converter is the angle-measured system that is extensively applied in servo systems. It is large quantitatively used in high-accuracy as well as large and medium-sized digital control systems, robot control systems, industrial control systems, weapon control systems and inertial navigation domain.But the larger size and higher power consumption of existing angle-measured systems influences the performance of measured systems, especially used in digital systems. The higher cost of the deviation compensation and error correction is another problem of existing angle-measured systems. This thesis studies micro-intelligent angle-measured systems to solve these problems.This paper introduces a kind of Revolver-to-Digital Converter, which is composed of analog circuit, microprocessor and serial interface. The three-path input signal is X = A sin θ cos ωt , Y = A cos θ cos ωt and Z = U cos ωt . The output signal is deflective angle θ by 16 bit digital quantities. Analog circuit is principally made up of phase rectifier circuit, square-ware generator and filtering circuit. It can transform the input alternating current signal into the direct current signal. Analog-to-digital converter which is in the microcomputer changes input analog signal into digital signal, which is convenient for handle and operate data in microprocessor. In microprocessor, the converted digital signals B sin 9 and B cos 9 convert to the digital signal 9 through the function of division and arc tangent.The reason about the measured error of Revolver-to-Digital Converter is found out, a fast and effective method about compensation is brought forward. It has gained the satisfactory effect in application.At last, the experimental data shows, the hardware and the software of Revolver-to-Digital Converter can relatively accurately complete above-mentioned signal conversion and data operation.
传统的角测量系统面临的问题有:体积、重量、功耗偏大,调试、误差补偿试验复杂,费用较高。本文从微型化、智能化的方向进行研究,是解决传统角测量系统所面临问题的好途径。
本文所研究的旋转变压器---数字转换器是由信号调理模块、系统芯片C8051F064和输出控制模块组成的。整个系统的三路输入信号为X=Asinθcosωt、Y=Acosθcosωt和Z=U cosωt(基准信号),输出信号为偏转角θ,输出形式为16位数字量。信号调理模块是由模拟电路组成的,包括信号输入电路、相敏整流电路、滤波电路和直流稳压电源电路,其难点在于相敏整流电路的设计。信号调理模块的主要功能是把输入的交流信号X=Asinθcosωt、Y=Acosθcosωt转变成直流信号Bsinθ和Bcosθ,并使输出的直流信号在0～2.4V之间;系统芯片C8051F064是CYGNAL公司近年来推出的一款功能齐全的完全集成的混合信号片上系统型单片机。在本文所设计的系统中,系统芯片的输入信号为直流信号Bsinθ和Bcosθ,通过片内自带的2个16位A/D转换器对输入信号的数据进行采样和转换,并对转换完的数据进行滤波处理,以减小由于外界干扰而产生的误差,再用除法和反正切函数解算出偏转角θ的16位数字量;输出控制模块主要完成的功能是通过UARTO向计算机实时发送由单片机计算出来的偏转角度θ的16位数字量,而串口的RS-232电平与单片机系统采用的是TTL电平之间的转换所采用的转换芯片是MC1488和MC1489。
本文还分析了该系统误差产生的原因和误差形成的过程,并将该过程描述为几何上从圆到椭圆的变化过程。在最佳椭圆拟合的基础上提出了一种误差补偿方法,该方法可以不需要基准设备对系统中存在的各种误差进行自动校正。
实验结果表明,本文所设计的旋转变压器---数字转换器的硬件组成和软件实现基本能够较精确的完成上述的信号转换和数据运算。
Revolver-to-Digital Converter is the angle-measured system that is extensively applied in servo systems. It is large quantitatively used in high-accuracy as well as large and medium-sized digital control systems, robot control systems, industrial control systems, weapon control systems and inertial navigation domain.But the larger size and higher power consumption of existing angle-measured systems influences the performance of measured systems, especially used in digital systems. The higher cost of the deviation compensation and error correction is another problem of existing angle-measured systems. This thesis studies micro-intelligent angle-measured systems to solve these problems.This paper introduces a kind of Revolver-to-Digital Converter, which is composed of analog circuit, microprocessor and serial interface. The three-path input signal is X = A sin θ cos ωt , Y = A cos θ cos ωt and Z = U cos ωt . The output signal is deflective angle θ by 16 bit digital quantities. Analog circuit is principally made up of phase rectifier circuit, square-ware generator and filtering circuit. It can transform the input alternating current signal into the direct current signal. Analog-to-digital converter which is in the microcomputer changes input analog signal into digital signal, which is convenient for handle and operate data in microprocessor. In microprocessor, the converted digital signals B sin 9 and B cos 9 convert to the digital signal 9 through the function of division and arc tangent.The reason about the measured error of Revolver-to-Digital Converter is found out, a fast and effective method about compensation is brought forward. It has gained the satisfactory effect in application.At last, the experimental data shows, the hardware and the software of Revolver-to-Digital Converter can relatively accurately complete above-mentioned signal conversion and data operation.
引文
[1]唐介,控制微电机,北京:高等教育出版社,1987,167～190
[2]王雪文,张志勇,传感器 原理及应用,北京:北京航空航天大学出版社,2004,324～337
[3]沙占友,集成化智能传感器 原理与应用,北京:电子工业出版社,2004,1～13
[4]谭建成,电机控制专用集成电路,北京:机械工业出版社,1997,300～330
[5]刘诗斌,微型智能磁航向系统研究,博士学位论文,西北工业大学,2001
[6]王新贤,通用集成电路速查手册,济南:山东科学技术出版社,2002,356～367
[7]刘畅生,姜笃海,史俊杰,宣宗强,新型集成电路简明手册及典型应用(下册),西安:西安电子科技大学出版社,2005,266～267
[8]潘琢金,C8051F060/1/2/3/4/5/6/7混合信号ISP FLASH微控器数据手册(译),新华龙电子有限公司
[9]童长飞,C8051F系列单片机开发与C语言编程,北京:北京航空航天大学出版社,2005,23～44
[10]张英全,刘云,樊爱华,模拟电子技术,北京:机械工业出版社,2000,130～140
[11]潘琢金,C8051F单片机系统教学实验机使用说明,沈阳:新华龙电子有限公司,2002,50
[12]耿恒山,微机原理与接口,北京:中国水利水电出版社,2005,225～230
[13]赵亮,侯国锐,单片机C语言编程与实例,北京:人民邮电出版社,2003,254～270
[14]潘琢金,孙德龙,夏秀峰,C8051F单片机应用解析(译),北京:北京航空航天大学出版社,2002,138～141
[15]费业泰,误差理论与数据处理,北京:机械工业出版社,2002,4～45
[16]袁智荣,磁航向传感器 使用中的误差补偿,测控技术,2001,20(1):58～59
[17]刘歌群,薛尧舜,卢京潮,闫建国,磁航向传感器 在无人机飞行控制系统中的应用,传感器 技术,2003,22(12):54～56
[18] 刘宏,李志武,赵玉梅,旋转变压器正交误差的励磁补偿,电子科技,1997,39(1):49～52
[19] 杨新勇,黄圣国,智能磁航向传感器 的研制及误差补偿算法分析,北京航空航天大学学报,2004,30(3):244～248
[20] M.J. Caruso. Application of Magneto resistive Sensors in Navigation Systems. Sensors and Actuators, 1997, SAE SP-1220, 15～21
[21] 刘诗斌,冯晓毅,李宏,基于椭圆假设的电子罗盘误差补偿方法,传感器技术,2002,21(10):28～30
[22] 胡伟,季晓衡,单片机C程序设计及应用实例,北京:人民邮电出版社,2003,485～506
[23] 伊彦芝,c语言常用算法与子程序,北京:清华大学出版社,1991,120～131
[24] 刘立新,李春龙,杨梅,基于新型高速高集成度单片机C8051F060的智能功率柜,国外电子元器件,2003,11:14～16
[25] A. W. Filzgibbon, M. Pilu, R. B. Fisher., Direct leastsquare fitting of ellipses. In 13th International Conference on Pattern Recognition, Washington, Brussels,Tokyo, June 1996. IAPR, IEEE Computer Society Press. Proceedings of the 13th ICPR Conference, Vienna, Austria, August 1996.
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