JetDevice
Разработка устройств на микропроцессорах в Туле
О нас
Услуги
Проекты
Заказать
Контакты

Блок цифровой обработки сигнала высокоточного датчика угла


Автор: Юрасов Евгений Владимирович. Дата публикации: 07.04.2010

Защищено патентом. Patent pending! Любое использование материалов данной статьи без согласования с автором преследуется согласно законодательству Российской Федерации.

Во многих технических системах необходимо точно определять угловое положение ротора относительно статора. Как правило для этой цели применяются синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), так как обеспечивая сравнительно высокие точностные показатели они практически не создают возмущающих моментов между статором и ротором. Для обеспечения высокой точности используются многополюсные СКВТ с электрической редукцией, в которых одному обороту ротора СКВТ соответствует много периодов изменения выходного напряжения. Для обеспечения однозначности отсчета угла одновременно используются два датчика - грубого и точного отсчетов, что увеличивает массу, габариты и потребляемую мощность. Применение цифровой обработки сигнала позволяет исключить датчик грубого отсчета, но при этом возникают вопросы рационального выбора параметров АЦП и построения алгоритма обработки сигналов СКВТ, что и является предметом настоящей работы.

По сравнению с существующими предлагаемый блок цифровой обработки сигнала (БЦОС) имеет следующие преимущества:
  • использование только СКВТ точного отсчёта, что уменьшает массу, габариты и потребляемую мощность;
  • наличие автокалибровки, что позволяет компенсировать большинство методических погрешностей, а также погрешность питания БЦОС;
  • возможность получения высокой точности определения угла без применения высокоразрядных АЦП, что позволяет повысить скорость преобразования сигнала.

    Поскольку выходной сигнал СКВТ представляет собой амплитудно-модулированный сигнал, то необходима предварительная демодуляция, которая осуществляется стандартной схемой, показанной на рисунке 1.

    JetDevice - Блок-схема демодуляции выходных сигналов СКВТ


    Рисунок 1. - Блок-схема демодуляции выходных сигналов СКВТ.


    После демодуляции сигнал поступает на блок цифровой обработки. Основные задачи, решаемые на этом этапе:

    1. Нормализация выходных напряжений СКВТ, пропорциональных синусу и косинусу угла поворота. Есть несколько методов нормализации этих напряжений:

  • - Программный. В этом случае значения синуса и косинуса получаются методом деления выходных напряжений детектора на амплитуду, вычисляемую на основании текущих измерений по формуле: . Однако этот способ довольно сильно загружает процессор.
  • - Программно-аппаратный. В этом случае при калибровке собирается статистика для каждого из выходных напряжений детектора. После чего, опорное напряжение АЦП задаётся равным найденному максимальному значению выходного напряжения детектора. Калибровка проводится однократно, при включении питания и не использует вычислительных ресурсов в процессе работы.

    2. Вычисление угла поворота по считываемым значениям его синуса и косинуса. В предлагаемой схеме БЦОС данная задача решается с помощью таблицы функции синуса, хранимой в ПЗУ микроконтроллера. При этом результат преобразования АЦП, пропорциональный синусу или косинусу угла поворота, считается адресом ячейки памяти, содержащей соответствующее значение угла. При этом отпадает необходимость сложных вычислений, что позволяет использовать простой микроконтроллер малой разрядности и время вычисления угла. Для экономии памяти таблица функции синуса содержит значения, соответствующие изменению его фазы от 0 до 45 градусов, что соответствует полному диапазону изменения выходного сигнала АЦП. Для однозначного определения угла в пределах от 0 до 360 градусов необходимо определять текущую четверть периода и выбирать функцию (синус или косинус), по которой осуществляется определение угла. Четверть периода, в которой находится искомый угол, однозначно определяется знаками функций синуса и косинуса, как показано на рисунке 2. Критерием выбора функции, по которой рассчитывается угол, является максимальная крутизна характеристики при текущем значении угла, так как это даёт максимальную разрешающую способность.

    JetDevice - К выбору функции, по которой определяется угол


    Рисунок 2. - К выбору функции, по которой определяется угол.


    Блок-схема алгоритма определения угла с учетом электрической редукции изображена на рисунке 3.

    JetDevice - Блок-схема алгоритма нахождения угла


    Рисунок 3. - Блок-схема алгоритма нахождения угла.


    Схема электронной части БЦОС представлена на рисунке 4. Схема вместе с программным обеспечением микроконтроллера была промоделирована в прикладной программе Proteus. При эмуляции был получен угол с точностью до 10 угловых минут (без учёта редукции СКВТ).

    JetDevice - Схема электрическая принципиальная БЦОС


    Рисунок 4. - Схема электрическая принципиальная БЦОС.


    После эмуляции была собрана макетная плата для проверки БЦОС в реальных условиях (рисунок 5). В качестве датчика угла был выбран СКВТ точного отсчёта СКТ-6465. Его основные технические характеристики приведены в таблице 1.

    Таблица 1. - Основные технические характеристики СКТ-6465

    Технический параметрЗначение
    Номинальное напряжение, В36
    Рабочий ток, мА170
    Номинальная частота возбуждения, Гц400
    Электрическая редукция32
    Погрешность определения угла, угл. сек.30
    Крутизна, мВ/угл. мин.5


    Без учёта электрической редукции БЦОС обеспечивает максимальную точность определения угла в 10 угл. мин. Это связано с тем, что в таблице синуса хранятся углы в диапазоне от 0 до 45 градусов. Следовательно, одному отсчёту 10 разрядного АЦП соответствует 45/1024=0,04 градуса или 3 угловые минуты. Испытания показали, что показания двух младших разрядов АЦП следует отбросить из-за шумов, т.е. точность ухудшается до 45/256=10 угловых минут. С учётом электрической редукции датчика реальная точность отсчета угла будет составлять 10/32 = 0,3125 угл. мин. или 20 угл. сек.

    JetDevice - Блок цифровой обработки сигнала высокоточного датчика угла


    Рисунок 5. - Блок цифровой обработки сигнала высокоточного датчика угла.


    Для калибровки и настройки БЦОС был разработан имитатор сигналов СКВТ. Внешний вид имитатора представлен на рисунке 6.

    JetDevice - Имитатор СКВТ


    Рисунок 6. - Имитатор СКВТ.


    Управление имитатором осуществляется с персонального компьютера по интерфейсу RS-232c. Схема имитатора и разработанная для него программа управления обеспечивают точность задания сигнала СКВТ, соответствующую углу поворота порядка 5 угловых секунд. Программа позволяет тестировать статическую и динамическую точность БЦОС путем сравнения значения угла, задаваемого имитатором со значением угла, получаемого с выхода БЦОС. Имитатор может работать в двух режимах:

    1. проверки алгоритма вычисления угла, когда на его выходах формируется постоянное напряжение, пропорциональное синусу или косинусу угла поворота;
    2. проверки правильности настройки БЦОС в целом, когда на его выходах формируются модулированные сигналы, имитирующие выходные сигналы СКВТ.

    После проведения цикла измерений, управляющая программа имитатора отображает закон изменения угла, который задал пользователь и тот, который получился после обработки БЦОС. По этим зависимостям можно оценить правильность настройки БЦОС и точность его работы, а также выявить ошибки в функционировании.

    Защищено патентом. Patent pending! Любое использование материалов данной статьи без согласования с автором преследуется согласно законодательству Российской Федерации.

    Копирование, размещение или любое другое использование информации с данного сайта без разрешения автора строго запрещено!

  • Copyright © 2008 - 2017, JetDevice, E-mail: