利用Xilinx FPGA和分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器簡化角度測量

自從人類發(fā)明了轉(zhuǎn)輪，我們就希望了解如何通過改變精度提高轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動效率。在過去幾個世紀，科學家和工程師已經(jīng)研發(fā)了許多方法來實現(xiàn)此目標，期間輪-軸系統(tǒng)的基本原理得到了廣泛應(yīng)用，從汽車、音量旋鈕、各種機械形式的齒輪到簡陋的手推車，幾乎每種機械系統(tǒng)均采用了這一原理[1]。

經(jīng)過多個時代的探索，人們發(fā)現(xiàn)讓轉(zhuǎn)輪高效運轉(zhuǎn)的最重要因素并非轉(zhuǎn)輪本身（為何不徹底改造它呢？），而是轉(zhuǎn)輪的軸角。目前測量和優(yōu)化軸角的最有效方法是采用角度傳感器?，F(xiàn)有許多種角度傳感器都能夠通過輪軸監(jiān)控和改進促進輪周效率優(yōu)化；但如果配合使用FPGA，您就能夠取得非常顯著的效果，同時能夠提高眾多應(yīng)用中的輪軸/輪周效率。

在詳細介紹工程師們?nèi)绾巫罴牙觅愳`思FPGA達到上述目的之前，先讓我們簡單回顧一下角度傳感器的部分基本原理。目前得到廣泛應(yīng)用就是編碼器和分解器這兩類角度傳感器。

編碼器和分解器的類型

編碼器分為增量和絕對兩個基本類別。增量編碼器可以監(jiān)控輪軸上的兩個位置，并且可以在輪軸每次經(jīng)過這兩個位置時產(chǎn)生A或B脈沖。獨立的外部電動計數(shù)器然后從這些脈沖解讀出轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。雖然適用于眾多應(yīng)用，但是增量式計數(shù)器確實存在某些不足。例如，在輪軸停轉(zhuǎn)情況下，增量編碼器在開始運行之前必須首先通過調(diào)回到某個指定校準點來實現(xiàn)自身校準。另外，增量式計數(shù)器易受到電氣干擾的影響，導致發(fā)送到系統(tǒng)的脈沖不準確，進而造成旋轉(zhuǎn)計數(shù)錯誤。不僅如此，許多增量編碼器屬于光電器件 – 如果對目標應(yīng)用有影響，則無法用于輻射危險區(qū)域。

圖1 – 分解器轉(zhuǎn)子激勵
分解器繞組
ROTOR：轉(zhuǎn)子  STATOR：定子

絕對編碼器是監(jiān)控輪軸旋轉(zhuǎn)計數(shù)和方向的傳感器系統(tǒng)。在基于絕對編碼器的系統(tǒng)中，用戶一般把轉(zhuǎn)輪連接到具有電觸頭或光電基準的輪軸。在輪軸運行時，基于絕對編碼器的系統(tǒng)會記錄旋轉(zhuǎn)和運行方向，同時產(chǎn)生易于轉(zhuǎn)換成代碼（最常見的是二進制碼或格雷碼）的并行數(shù)字輸出。絕對編碼器的優(yōu)勢在于只需要校準一次（一般是在工廠中校準），而無需每次使用前都校準。此外，絕對編碼器一般比其它編碼器更可靠。不過，絕對編碼器一般很昂貴，而且它們不利于進行并行數(shù)據(jù)傳輸，尤其是在測量其讀數(shù)的電子系統(tǒng)距離編碼器較遠情況下。

分解器就其本身而言是一種旋轉(zhuǎn)變壓器——一種輸出電壓與其所監(jiān)控的輸入軸角唯一關(guān)聯(lián)的模擬器件。它是一款具有0?~360?旋轉(zhuǎn)角度的絕對位置傳感器，其直接連接到輪軸并報告轉(zhuǎn)速和位置。分解器與編碼器相比有諸多優(yōu)勢。分解器非常穩(wěn)健可靠，能夠經(jīng)受帶有灰塵、油污、極端溫度、振動和輻射的嚴酷環(huán)境。作為一種變壓器，分解器可以提供信號隔離以及對電氣干擾的自然共模抑制。除了這些特性之外，分解器只需要四根線就可進行角數(shù)據(jù)傳輸，這使其能夠適用于從重工業(yè)、微型系統(tǒng)到航空航天工業(yè)等各種應(yīng)用。

無刷分解器得到了進一步改進，其無需與轉(zhuǎn)子的滑環(huán)連接。因此，這種分解器更可靠，而且使用壽命更長。

分解器采用兩種方式獲取與軸角相關(guān)的輸出電壓。在第一種方式中，如圖1所示的轉(zhuǎn)子繞組由交變信號激勵，而輸出來自兩個定子繞組。由于定子是以機械方式定位到正確角度，因此輸出信號幅度是通過軸角的三角正弦和余弦關(guān)聯(lián)。正弦與余弦信號均具有與原始激勵信號相同的相位；僅其幅度隨輪軸的旋轉(zhuǎn)通過正弦與余弦進行調(diào)制。

圖2 – 分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）方框圖
圖中文字如下：
ROTOR REFERENCE：轉(zhuǎn)子基準
STATOR INPUTS：定子輸入
COSINE MULTIPLIER：余弦乘法器
SINE MULTIPLIER：正弦乘法器
UP /DOWN COUNTER：遞增/遞減計數(shù)器
LATCHES：鎖存器
DETECTOR：檢測器
ERROR：誤差
INTEGRATOR：積分器
VELOCITY：速度
DIGITAL ANGLE：數(shù)字角度
WHEN ERROR = 0：當誤差=0

在第二種方式中，定子繞組由相位正交的交變信號激勵。然后在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電壓。繞組的幅度和頻率固定，但其相移隨軸角變化。

分解器可以放置到需要測量角度的位置[2]。而電子裝置一般指的是分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC），可以放置到需要測量數(shù)字輸出的位置。分解器的模擬輸出（含有輪軸角位置信息）然后經(jīng)RDC轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。

典型RDC的功能

一般而言，分解器的兩個輸出會應(yīng)用到RDC的正弦與余弦乘法器[3]。這些乘法器結(jié)合正弦和余弦查找表以及函數(shù)構(gòu)成乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器。圖2顯示了其功能。

暫且假設(shè)開始時遞增/遞減計數(shù)器的當前狀態(tài)是一個代表試驗角度(trial angle)ψ的數(shù)值。轉(zhuǎn)換器設(shè)法調(diào)整數(shù)字角度ψ，使其一直等于并跟蹤所測量的模擬角度θ。