一种高精度全数字跟踪型轴角_数字转换系统

A H igh prec ision Com plete d igital and Track ing System for S /R - D Conversion XU Da lin, L I Yun fe,i CHENG Shu we,i L IAO L iang chuang
( Jiangsu Autom ation R esearch Institute of Ch ina Shipbu ilding Industry Corperation, L ianyungang 222006, Ch ina)
3 结果分析计算与功能验证
3 1 主要指标分析计算 1) 静态转换精度。轴角传感器输出的信号经
过 20位的 - ! 型 ADC 数字化, 数据分辨率在 16 位以上, 经过 DSP 对 sin、 cos信号的数据采 集累 加, 得到 32位长度的整型数据, 使用定标整型函 数库进行反正切 角度计算, 得 到的整型数据 精度 可以达到 0 0001, 而 16位数字输出量的最小分辨 率为:
一性, 容易 造 当一 路信 号 幅 读取 的 方 法 时,
成寻找 峰 值点 值 在 0 点附 近 会造成采 样数据 不准 确, 在 信 时, 即 0∋、 和处理数 据不同
号幅值 很 小的 90∋、 180∋ 和 步, 输出角 度数
情况 下, 尤 其 270∋时, 合 成 据在 90∋和 270∋
突出。
算周期内的角度函数值。
根据 系统 的实 际物 理意 义, 利用 欧拉 定理,
模拟积分器可以近似表示为差分方程:
y(k+ 1) = y(k) + x (k) # T s
( 9)
式中, x ( k )、 y ( k )分别是第 k 次的输入和输出值;
T s 为采样周期; 序号 k 代表前一次的值, k + 1 代 表当前值。
s in 2
( 7)
i= 1
求得正弦信号与余弦信号的有效值, 再通过反
正切函数求得角度。具体过程如下: 比较寻找参考
信号的过零点, 在参考信号过零点开始累加正弦信 号与余弦信号的绝对值, 在高转速、低信号频率时, 可以累加半个信号周期内的采样值, 就解算一次角 度; 在低转速、高信号频率时可以累加一个或两个 信号周期内的采样值, 再解算一次角度。
假设实际输入角度值为 , 旋转变压器输出电 压的采样值为 Usin 、Ucos , 利用计算式 ( 1) 和他们对 应的估计值 U sin 、U cos 进行比较, 并通过在闭环反
一种高精度全数字跟踪型轴角 - 数字转换系统 徐大林, 等
馈系统 ( 如图 2) 中不断减小该误差值, 并达到稳定。 跟踪误差的数学表达式如式 ( 1) 所示:
Abstract: App ly ing S /R- D conversion theory and acco rd ing to the conversion system s capab ility re quire, constructed contro l m ode l , researched data gained and conversion arithm etic, and designed hardw are and softw are system, w hich com pe leted h igh prec ision com plete d ig ital and track ing system fo r S /R - D conversion. K ey W ords: Synchrous; Reso lver; D /A conversion; M ode;l A rithm etic; Experim ent
n)
2 n
( 5)
2 1 系统设计
系统设计主要由信号调理电路、 - ! 型 A / D转换器、接口电路与 DSP 控制 器组成, 各 部分 功能描述如下。
( 1) 信号调理电路。轴角传感器用调理电路完 成是对轴角传感器输出的自整角机或旋转变压器信 号进行隔离变换或隔离降压处理成 - ! 转换器所 需的正余弦信号; 参考信号的调理电路是完成是对 变换系统用的参考模拟信号进行隔离降压处理。
参考 判断 象 限 附 近 时 出 现 抖
2) 不能适 应信 会出错。
动, 但抖动 范围
号与参 考 有相 移的情况。
在 16 位 精 度 范 围内。
本 系统采 用均方 根法对 采集 数据 进行 处理, 对信号的幅 值、频率 要求降低。通过信 号调整电 路中比例电阻的调节, 可以使信号输 入电压范围 达到 7 V ~ 90 V, 参考输 入电 压范围 达到 7 V ~ 115 V, 工作频率范围为 50 H z~ 1 kH z。
2 2 实现方法
经过数字量化后的采样信号送入 DSP 控制器, 由 DSP通过角度数据采集处理、角度解 算完成角
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微电机
2009年第 42卷第 1 期
度量和速度量的提取。
1) 角度数据采集处理 DSP 控制器对角度数据的采集处理, 常用的方 法有以下 3种。 ( 1) 峰值点法。比较找出数字化轴角传感器参 考信号的过零点, 在 参考信号过零点 比较数字化 轴角传 感器输 出的正 弦信号 与余 弦信 号的 斜率, 确定斜率大的一边为基 准信号, 再比 较寻找该基
2 设计与实现
图 3 型系ຫໍສະໝຸດ Baidu模型序
闭环传递函数为:
H(
s)
=
G ( s) 1+ G( s) H (
s) =
K1 s2 + K1
( 2)
跟据劳斯 稳定判据必要 条件可得 [ 3] : 特征方
程式缺项, 控制系 统不稳定。因此, 可 以在系统
中加入附加零点的校正 环节, 保证闭 环系统的稳
定性, 如图 3( b)。
这样可以得到角度观测法的离散流程见图 5。
图 5 角度跟踪检测法实现框图
应用角度跟踪 法, 不 仅能得 到角位 置, 还 能 得到角速度。同时 由于有闭 环跟踪, 可以保证 系 统的实时行和稳 定性, 适用 于模块实 现。这种 方 法的缺点在于系 统参数过 多, 调整繁 琐, 跟踪 速 率由于环路关系 大大降低, 但 其在静止或低 速状 态输出稳定。
系统的开环传递函数为:
G(
s)
=
K1 ( K s s+ s2
1)
( 3)
系统的闭环传递函数为:
Q ( s) =
1+
G G(
( s) s) H
(
s)
=
K1 ( K2 s+ 1) s2 + K 1K 2 s+ K1
( 4)
令 K 1 = 2n, K2 = 2!/ n, 则有:
Q(
s)
=
2!# ( n # s+ s2 + 2!# n # +
( 2) - ! 转换器。 DSP 通过外接 ! - 型 ADC, 实现提高 A /D 转换的 分辨率 和转 换精度, 从而提高系统的转换精度。
( 3) DSP。DSP控制器主要实现对 ! - 型 ADC 的数据采集 [ 4]、角度数据处理和角度解算功能。
( 4) 接口电路。接口电路由 CPLD实现, 主要 完成 A /D 转换结果 由串行数 据转换为 并行数据, 再对数据分路存储在寄存器中; 对 DSP 处理后的 数据输出后存储; 完成与 DSP 的通讯和控制。
0引 言
在轴角∀ 数字转换技术中, 应用高速数字信 号处理器 ( DSP ) 完成自整角机 /旋转变压器信号到 数字量的转换 ( S /R - D 转换 ) [ 1 ] , 可使系统朝着高 可靠、高性能 和维 护 方便 的全 数字 化方 向发 展。 而全数字式轴角转换系统与传统的模 拟器件实现 系统比较, 具有灵 活、精确、设备 尺寸小、速度 快和易于升级等优点。本文介绍一种 DSP 控制器 外接 - ! 型 ADC 实现轴角到数字转 换的方法; 与其他方法比较, 既提高了精度, 又减少了对 DSP 内存和外设的需求, 是一 种高精度跟踪 型轴角 数字转换系统。
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了模拟角度到数字角度的转换。 基于 DSP 技术旋转变压器 - 数字转换器的组
成框图如图 1中虚线所示。
图 1 系统组成框图
以 DSP控制器为核心处理 器, 产生旋转 变压 器的励磁信号 U ref, 同时作为采样的同步信号 [ 2] 。 旋转变压器输出信号经过调理电路, 在 DSP 器件 内部完成 A /D变换、过采样、数字滤波及抽取等 数字处理后, 得到 角度的正 余弦值, 由角度解 算 算法动态跟踪误 差, 完成角 度量的提 取, 输出 一 个并行二进制数字量, 同时产生速度信号。
sin( - ) = sin( ) cos( ) - cos( ) sin( ) ( 1)
由式 ( 6), 系统可以看成是标准二阶系统带有 一个附加零点, 系统的单位阶响应如图 4所示。
图 2 角度跟踪观测法
角度跟踪观测法 具有使输出数字 角度更为平 滑的变化, 同时通过 对闭环中 的设置, 可以得到 角度的速度量。
n= 0
N- 1
s in n 2 +
2
co s n
n= 0
n= 0
( 8)
N- 1
cos n
cos( ) = 2 N - 1
n= 0 2
N- 1
2
sin n +
co s n
n= 0
n= 0
式中, N 为一个计算周期内采样点的个数; sin n、
cos n 为每次采样 的信号值; sin 、 cos 为一个 计
1 2 系统建模
根据 R /D的动态性能指标要求, 系统在旋变 匀速转动条件 ( ( t ) = k t) 下的动态跟踪误差为零, 即系统对匀速输入的稳 态误差为零。其开环传递 函数必须包含 2个零极点。设计系统为 II型系统。 初步建模为图 3所示。
图 4 系统单位响应仿真结果
由仿真实验可得出以下 2个结论: ∃ 最大超调量取决于阻尼系数, 即: 阻尼系 数越小, 超调量越大。 % 瞬态响应的建立时间主要取决于自然角频 率, 即: 自然角频 率越高, 建立 时间越 短, 但 是 会使系统的带宽减小。
1 系统基本原理与构建
1 1 基本原理 轴角 ∀ 数字变换系 统总体功 能是实 现电气模
拟角度 到数字角度 的转 换。其工作原理是通 过模拟角度和数字角度之间的差来驱 动后续电路 产生新的数字角度来逼 近模拟角度, 使模拟角度 和数字角度在要求的精 度范围内相等, 从而实现
收稿日期: 2008 04 01
准信号的正峰值点。取此峰值点的正 弦信号与余
弦信号的采 样值, 求 得正切值, 再通过 反正切函 数得到当前角度值。
( 2) 合成参考法。将正弦信号与余弦信号根据 象限进行累加合成, 得到一个幅值基 本不变的合 成参考信号, 再寻找该合成参考的峰值点。
( 3) 均方根法。利用均方根公式:
N
RM S=
2) 角度解算
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依据的基本原理为时 sin( - () ) 0, 有 )
(。该角度值为特定角度, 而用均方根法得到的采
样角度不能直接 替代特定角度。通过数学公 式分
析, 可用式 ( 8) 求得角度的正、余弦函数值, 带入
P I二阶控制环路计算。
N- 1
s in n
s in( ) = 2 N - 1
微电机
2009年第 42卷第 1 期
中图分类号: TM 383
文献标志码: A
文章编号: 1001 6848( 2009) 01 0032 04
一种高精度全数字跟踪型轴角 - 数字转换系统
徐大林, 李云飞, 程蜀炜, 廖良闯
( 江苏自动化研究所, 连云港 222006)
摘 要: 应用自整角机 /旋转变压器信号到数字量的转换 ( S /R - D 转换 ) 原理, 依据变换系统 性能要求, 构建了 型控制系统模型, 研究了数据采集算法和 变换算法, 设计完成系统的软、 硬件, 研制出了基于 DSP 和 - ! 型 ADC的高精度全数字跟踪型轴角 ∀ 数字转换系统。 关键词: 自整角机; 旋转变压器; 数字转换; 模型; 算法; 试验
一种高精度全数字跟踪型轴角 - 数字转换系统 徐大林, 等
1LSB=
360 216
=
63565 036)
3种方法的比较如表 1所示。
表 1 3种方法的比较
峰值点法 合成参考法
均方根法
优点
1) 计算量小 2) 以斜率大的一边为基准可 以
避免一路信号幅值 在 0点附 近
时峰值点不稳的情况
可以避免 信号失
真变形, 相 移可 达 & 60∋
缺点
1) 需要输 入信 号有良 好 的单
1)计算量大 2)采取软 件定时