A synchro angle measuring system based on AD2S83 and DSP
摘要：本文介绍了一种基于旋转变压器-数字转换器芯片AD2S83和DSP的感应同步器测角系统的设计与实现。本设计中通过RC振荡电路为感应同步器转子提供单相激磁信号，定子上感应出来的正弦和余弦两路信号通过仪表放大器的差分放大之后提供给基于跟踪型测角原理的转换芯片AD2S83，通过FPGA实现数字逻辑控制以及地址解码，将转换后的16位并行转角数据以及方向信号送入DSP中。本设计实现了一种稳定高效的跟踪式数字测角系统，具有很好的扩展性。
关键词：感应同步器；跟踪型测角；前置放大；数字信号处理器

Abstract: A design of synchro goniometric system based on resolver-to-digital converter chip AD2S83 and DSP is introduced in this paper. In this design, a single-phase exciting signal generated by RC oscillatory circuit is applied to the rotor of synchro. The sine and cosine signals induced on stator are amplified by instrumentation amplifier and connected to the converter AD2S83, which is designed according to tracking goniometry. Digital logic control and address encoding are processed by FPGA, and the converted 16-bit parallel angle data and direction signal are transferred to DSP. This design implements a stable and efficient digital tracking angle measuring system with fine augmentability.
Key words: synchro ; tracking angle measuring; preamplifier; digital signal processor

1 引言
在惯性导航设备的研究过程中，对惯性器件进行测试用的高精度转台是性能测试的重要设备，而测角系统作为转台的关键组成部分，其精度直接影响了测试效果。用于角度测量的信号电机种类繁多，通常有光电编码器、旋转变压器和感应同步器。相对于另外两种测量方式而言，感应同步器具有更高的稳定性和抗干扰能力，而且基于多极元件对信号补偿的原理，感应同步器的极对数很多，起到误差平均的效果，所以感应同步器精度很高。传统的感应同步器数显系统通过单相激磁鉴幅、单相激磁鉴相、双相激磁鉴幅、双相激磁鉴相或者脉冲调宽的方法将输出的检测信号转换成数字信号，并显示出机械位移量，实际要用于伺服控制中的话还需要加入测速发电机或光电编码器等装置来为速度环提供速度信号。而跟踪型感应同步器的测角系统，提供了高精度速度输出，从而通过简单的结构便可以实现稳定的闭环速度控制。本文介绍了通过AD2S83实现的跟踪式感应同步器测角系统，并且输出给数字系统的硬件方法，提供了一种稳定高效、扩展性强的方案。
2 跟踪型感应同步器测角系统
以单相激磁为例，通入感应同步器激磁信号：
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根据电磁感应原理，在另外两路绕组上就会感应出电势：
 
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AD2S83就是AD公司根据以上原理制造的单片集成电路，其功能框图如图1所示。
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图1 AD2S83功能框图
3 系统硬件组成
整个感应同步器数显系统硬件主要可以分为三个部分，即激磁电路、感应同步器信号前置放大电路以及基于AD2S83和DSP的R/D转换与数据处理部分，DSP与FPGA的扩展可以根据实际使用要求实现。系统结构如图2所示。
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3.1 激磁电路
无论感应同步器工作于鉴幅型信号处理或者鉴相型信号处理方法，均可以采取定子激磁或者转子激磁两种激磁方式，针对圆感应同步器，转子绕组为连续绕组，本设计中采取感应同步器转子激磁的方式，所以只需要一路激磁信号，即向单相连续绕组提供激磁电压。
激磁电路设计上，可以利用CPLD或者FPGA产生利用RC振荡电路产生频率为10kHz的交流激磁信号，加以合适的反馈和稳幅电路，再经过功放电路进行放大。
3.2 前置放大电路
转子通入激磁信号之后，在定子的sin和cos两相绕组上会分别感应出电势，感应电压的大小不仅取决于激磁电压，同时也和电磁耦合系数K相关。圆感应同步器根据外径以及极对数的不同，在10kHz激磁电压下电磁耦合系数K一般都要小于1/80，外径越小，极对数越少，电磁耦合系数也会越小，这样定子绕组上感应电势幅值很小，需要进行滤波放大，才可以得到能够提供给AD2S83使用的sin和cos信号。
如果激磁信号采用其他频率f，则此时电压耦合系数与10kHz时的值存在如下关系式：
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频率不但能够提高圆感应同步器允许的{zd0}旋转速度，同时也能够增大电压耦合系数使得感应产生信号增强。但是，频率的提高也会使得定子和转子的感抗增大，影响到测量的精度。同时考虑到AD2S83信号输入频率范围为0～20kHz，以及系统中可能用到的PWM开关频率一般为20kHz，所以选择比较理想的10kHz作为激磁频率。
信号放大部分采用了仪表放大器INA163，其内部为一个三运放差分放大电路，这样可以提高非常高的输入阻抗，同时又能够进行真正的差分测量，得到很高的共模抑制比，省去了外部反馈网络。并且，INA163通过外部单个电阻RG值来实现电压增益设置，由于其内部电阻值固定，并且参考电压端一般接地，以减少参考电压对最终输出的影响，所以电压增益可以如下表示：
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由于AD2S83正弦和余弦信号输入电压的均方根值范围为1.8～2.2V，需要能够对输出信号电压幅值进行调整，因此在INA163下一级增加了T型反馈网络，如图3所示。
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图3 前置放大电路
这样，通过调节可变电阻RC的值可以实现对输出电压VO的调节，假设RC接于R2与电压输出端之间的电阻值为ΔRC，那么VO相对于INA163输出电压V ’的放大比例为：
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3.3 R/D转换与数据处理
AD2S83是专门用于旋转变压器或者感应同步器的跟踪式轴角转换器，用户能够通过SC1和SC2两个管脚来选择10、12、14或16位分辨率。而在不同的分辨率之下，AD2S83的输出速度分度和跟踪速率均为分辨率的函数，存在如下对应关系：
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因此，在实际操作过程中，为了能够达到{zj0}的测量效果，根据转台旋转速度的不同需要不断改变分辨率。为了得到所需的带宽和跟踪速率，必须选择合适的外围元件，否则5%的偏差就会降低整个转换器的性能。
根据实际实验的要求，经过计算可以得到各个电阻、电容的期望值，其中相敏解调部分的增益标度电阻R4需要根据所选择分辨率大小而改变：
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其中，EDC为直流误差标度，10位分辨率下值为160mV/bit，与分辨率的大小成反比。
可得每个分辨率下R4对应值都是固定的，因此借助四路模拟通道开关器件MAX309来实现参数选择。因为外围电路参数准确性对转换性能影响较大，所以所选择器件本身开关电阻值相对于接入电阻的比例应该尽量小。
AD2S83转换后的数据信号通过16位并行口输出到DSP，本设计中使用的DSP为TI公司生产的TMS320F2812，可以将并行信号连接到DSP外部扩展接口的数据总线XD0～XD15，使用FPGA进行地址译码，或者占用一个存储空间来存储数据，转动方向信号DIRECTION可以通过GPIO读入DSP。AD2S83还提供了速度信号，可以利用DSP的AD部分将其转换为数字信号。
4 系统软件设计
本测角系统因为采用了专用跟踪型转换芯片，直接将模拟信号转换为数字量输送给DSP，以便于能够后续功能扩展，所以软件设计主要为DSP读取16位数字信号的部分，软件其余部分，例如控制算法、扩展接口等可以根据系统实际需要另行设计。
所选用DSP的外部扩展接口映射到片内5个独立的存储空间，访问相应的存储空间时，就会产生一个片选信号。本系统中，将AD2S83视作一个外设，映射到大小为8k×16的存储空间XINTF Zone0，与Zone1共用一个片选信号：/XZCS0AND1。由于只有AD2S83一个外设，所以不需要区分Zone0和Zone1。在使用外部存储器接口时，需要根据F2812器件的工作频率以及XINTF特性进行参数配置，配置程序如下：
XINTCNF2[0] = XINTCNF2[0]&0xfff8; //XCLKOUT=XTIMCLK，没有写缓冲
XINTCNF2[1] = 0x0001; //XTIMCLK=SYSCLKOUT/2
XTIMING0[0] = 0x3FFF； //建立、xx、跟踪周期均为{zd0}
XTIMING0[1] = 0x0043; //X2TIMING=1
任何对XINTF空间的读或写操作的时序都可以分为三个阶段：建立、xx和跟踪。建立阶段所访问空间的片选信号为低电平，产生有效的地址在AB上；xx阶段读选通信号/XRD变为低电平，数据锁存到DSP；跟踪阶段则在读信号变为高之后，保持片选信号低电平一段时间。
AD2S83上通过/INHIBIT和/ENABLE两个输入信号来控制数据总线上数据的有效性，在/INHIBIT被置低490ns之后数据才会有效，所以在程序设计中需要根据所使用DSP晶振的不同选择合适的SYSCLKOUT以保证时序上的一致性。
由于扩展存储空间只用到Zone0，所以将空间Zone0直接定义为寄存器，直接通过该寄存器来读取数据：
volatile unsigned int *XINTFZone0=(volatile unsigned int *)0x002000; //外部扩展存储空间0地址0x0000-2000
当然，可以通过FPGA进行地址译码，这样可以在多个外设的情况下不会互相影响，而且可以实现多个外设映射到同一个存储空间的不同地址段。
5 结语
本系统使用DSP以及专用于旋转变压器和感应同步器的R/D转换器AD2S83实现了一种跟踪型感应同步器数字测角系统，直接转换为数字量，便于实现复杂控制算法，并且经过实验具有良好的测量稳定性。由于DSP作为现在主要的数字信号处理器，可以方便地实现对系统的各种控制算法，并且自带串口、CAN等模块，加上FPGA作为逻辑控制器件，能够实现更加复杂的计算机接口，整个设计具有良好的可扩展性。
经济效益、数据来源与研究方法：本文研究的测角系统为陀螺测试转台提供了高精度的测角解决方案，节省惯性导航设备测试成本。本研究主要采用分析与实验的方法，分析系统实现方案，通过实验验证可行性并获得实验数据。
本文作者创新点：实现了基于DSP和AD2S83的数字式感应同步器测角系统。通过激磁电路采取单相激磁鉴相的方式，将双相输出信号输入基于跟踪型感应同步器测角系统R/D转换芯片AD2S83，并通过FPGA选择其分辨率，在不同分辨率下使用四路通道开关选择外围器件，最终输出数字位置和转向信号，具有较好的稳定性。

参考文献：
[1] 彭俊峰等．三种轴角数字转换电路的分析与比较．微计算机信息，2006，No.22: 8-10
[2] AD公司．《Variable Resolution, Resolver-to-Digital Converter AD2S83》．Analog Devices, Inc., 2000
[3] 孙力等．跟踪型感应同步器测角系统特性分析．微特电机，No.5: 20-22，1996
[4] 端木时夏等．《感应同步器及其数显技术》．上海：同济大学出版社，1990

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