基于FPGA與16XSZ-SYS的軸角編碼板設計

陜西長嶺電子科技有限責任公司產(chǎn)品開發(fā)部　梁　猛

基于FPGA與16XSZ-SYS的軸角編碼板設計

陜西長嶺電子科技有限責任公司產(chǎn)品開發(fā)部梁猛

在理論分析的基礎上從實際應用出發(fā)較為詳實的闡述了基于16XSZ-SYS與FPGA的軸角編碼的設計原理、方案和工程實現(xiàn)。方案的突出優(yōu)點方位分辨率高，定位精準，借助計算機軟件簡化硬件設計， 調(diào)試以及調(diào)整零位簡單。稍微改動相應的軟、硬件在同一印制板上可以適應不同天線伺服系統(tǒng)。

雙通道旋變發(fā)送機 ，雙速轉換器， FPGA， 軸角編碼

1.引言

軸角編碼板主要完成雷達天線方位的實時精確測量和產(chǎn)生天線旋轉裝置內(nèi)永磁同步電機伺服系統(tǒng)需求的兩組編碼信號（一組為增量信號用于檢測轉速、位置及旋轉方向；另一組用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能），是雷達天控系統(tǒng)中的重要組成部分。本方案采用雙通道旋轉變壓器，用雙速轉換器進行軸角-數(shù)字轉換，并送入FPGA進行編程、處理，然后差分發(fā)送至相關組件。軸角編碼板的顯著特點是：6U板卡結構、體積小、供電方便、調(diào)試方便；采用具有方位精度高、抗干擾能力強、可靠性高的旋轉變壓器作為角度敏感元件，適合在復雜的電磁環(huán)境使用；全數(shù)字、低功耗（總功耗小于5W）等。

2.編碼板的構成及工作原理

2.1編碼板的構成

編碼板通過線性DC/AC變換器給軸角轉換器及旋轉裝置內(nèi)雙通道旋變發(fā)送機提供激磁信號，軸角轉換器將粗精旋變信號轉換成16位自然二進制碼方位信號通過電平轉換芯片轉換成16位自然二進制碼方位信號（3.3VTTL）輸入到FPGA，F(xiàn)PGA將16位方位信號通過編程產(chǎn)生兩組編碼信號連同方位信號一起輸出到差分發(fā)送芯片，差分發(fā)送芯片將兩組編碼信號變?yōu)椴罘中盘栞敵龅剿欧K，將方位信號變?yōu)椴罘中盘栞敵龅缴衔粰C和控制模塊。

2.2旋轉變壓器工作原理

旋轉變壓器作為角度的檢測元件，隨著轉子角位置變化它的輸出電壓跟著變化，在天線伺服控制系統(tǒng)中用于測量位置信息，其基于電磁感應原理而工作， 轉子、定子上皆有繞組， 相互同心， 彼此耦合， 采用正交的兩組繞組。旋轉變壓器的定子和轉子各有兩組繞組在空間上互成90°，正弦繞組、余弦繞組在轉子上，激磁繞組、交軸繞組在定子上。本方案采用的J134XFS001型雙通道旋變發(fā)送機由中電21所研制，要技術指標：（1）激磁電壓：26V，激磁頻率：400Hz；（2）極對數(shù)：1:16；（3）電氣誤差：粗機≤±20′，精機≤±20″；（4）零位電壓：粗機32mv，精機7mv；（5）消耗功率：≤2W；（6）粗精機零位偏差：18′。

2.3雙速轉換器工作原理

雙速轉換器16XSZ-SYS是中船重工716所研制的一種小型化金屬封裝是單塊混合集成電路，由粗、精兩路旋轉變壓器-數(shù)字轉換器、一個雙速處理器（用于粗、精組合、糾錯的）及一個三態(tài)鎖存器等組成。該雙速轉換器輸出16位自然并行二進制碼，轉換精度±15″。

雙通道旋變發(fā)送機信號送至雙速轉換器，粗機S1、S2、S3、S4正余弦信號輸入粗通道CS1、CS2、CS3、CS4經(jīng)RDC模塊轉換成14位數(shù)字角度量，精機S5、S6、S7、S8正余弦信號輸入精通道FS1、FS2、FS3、FS4經(jīng)另一個RDC模塊轉換成14位數(shù)字角度量，雙速處理器接收兩組數(shù)數(shù)據(jù)進行精、粗組合處理和硬件實時糾錯后，輸出一個16位并行二進制數(shù)字送到鎖存器，通過對/ENL、/ENM、/ENH（使能信號）的控制既能輸出一個16位數(shù)字的字，又可輸出三個字節(jié)。

速度電壓VEL是一個直流模擬信號和輸入軸角角速度成比例，極性與天線轉動方向有關，數(shù)碼增大時極性為正，反之為負；幅值跟輸入軸角成正比在±4V時跟蹤速率最高。

禁止信號/INH為輸入信號，內(nèi)部由上拉電阻接到+5V，當/INH為低電平時， 經(jīng)150ns延遲，鎖存器內(nèi)部數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，可讀取數(shù)據(jù)；為高電平時鎖存器內(nèi)部數(shù)據(jù)進行更新，禁止讀數(shù)。/INH只控制輸出數(shù)據(jù)鎖存器的輸入使能，因此不影響轉換器內(nèi)部工作。

忙信號BUSY是一個輸出信號，邏輯為“1”表示輸出數(shù)據(jù)正在變化，不能讀數(shù)；邏輯為“0”表示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可以讀取數(shù)據(jù)。

BIT是線檢檢測信號，轉換器工作正常時輸出為高電平；當出現(xiàn)轉換器工作異常、輸入信號、參考連接異常、不能跟蹤系統(tǒng)、或產(chǎn)生大的誤差等情況時，其輸出為低電平。

數(shù)據(jù)輸出端1～16為自然并行二進制數(shù)字輸出，其最高位為1、最低位為16。

2.4FPGA功能及原理

本方案選用的FPGA（EP1C3T144）邏輯資源有2910LE、一個數(shù)字鎖相環(huán)及13條M4K RAM。該芯片是ALTERA公司為底端用戶打造的一個系列的FPGA，它的優(yōu)點有成本低、使用方便。

FPGA的軟件編寫是Quartus7.2開發(fā)環(huán)境下完成的，將16位方位信號通過方位變換和方位計數(shù)2組編碼信號：一組U、V、W三相脈沖信號用于檢測磁極位置；另一組A、B、Z增量脈沖信號用于檢測速度、位置和轉動方向。并產(chǎn)生過零信號、定位信號。然后連同方位信號一起輸出到差分發(fā)送芯片。

增量信號中A、B信號是與位移增量等值的脈沖信號，脈沖數(shù)為16384/周，A、B之間相位相差90°（即正交輸出信號），根據(jù)A、B信號的超前與落后判斷出軸的旋轉方向。Z信號是標志信號用作基準點定位，其脈沖寬度為A、B信號的兩倍，旋轉一周產(chǎn)生一個，用于對積累量清零、指示機械位置。

U、V、W信號兩兩之間相差120°，U信號領先V信號、V信號領先W信號，每轉的脈沖數(shù)量與旋轉裝置中永磁同步電機的極對數(shù)對應。電機磁極位置可以根據(jù)U、V、W三相脈沖的高低電平關系判斷。

定位信號：當天線轉到固定角度位置，產(chǎn)生一個高電平，發(fā)給驅(qū)動模塊用于鎖定天線，保證天線升降過程不碰撞升降口。

2.5外圍電路

電源部分，板子外部由CPCI插座外部提供+24V、+5V、+3.3V電源。用LINERA公司的電壓轉換芯片LT1764AEQ-1.5將+5V 轉到+1.5V為FPGA提供內(nèi)核電壓。

線性DC/AC變換器：將輸入的直流穩(wěn)壓24V轉換為交流26V400Hz電壓輸出，為雙速轉換器和雙通道旋變發(fā)送機提供激磁信號。本文選用由中船重工716所研制的J5-S24C26MA，具有輸入范圍寬、過載過熱保護、輸入輸出隔離、低諧波失真、高可靠性等優(yōu)點。

電平轉換芯片SN74ALVC164245DL：將轉換器輸出的方位信號TTL電平轉換為3.3VTTL電平送入FPGA。

差分發(fā)送芯片根據(jù)需求選用MAXIM公司的MAX3042BEXE、MAX3030EEXE 兩種。MAX3042BEXE由5V供電將A、B、Z、U、V、W信號變?yōu)椴罘中盘査腿腧?qū)動模塊，MAX3030EEXE由3.3V供電將16位方位信號、到位信號、BUSY信號等變?yōu)椴罘中盘査腿肷衔粰C及控制模塊。差分信號具有抗噪聲干擾的能力，可以提高信號傳輸?shù)木嚯x。

3.結束語

本軸角編碼板根據(jù)天線伺服系統(tǒng)的需求，設計了由雙速轉換器和旋轉變壓器構成的測角、測速電路，并由FPGA編程產(chǎn)生伺服驅(qū)動器所需信號。該板已在某雷達多個型號中得到成功應用，其結構簡單、抗干擾能力強、工作性能穩(wěn)定、可靠性高的優(yōu)點，可長期工作于惡劣工況下，并能滿足很高的精度要求。

［1］EDA先鋒工作室.Altera FPGA/ CPLD 設計（基礎篇）［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

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［5］黃建國，陳曉.基于雙通道旋轉變壓器的智能編碼器設計［J］.現(xiàn)代雷達，2009，（11）70-76.

梁猛（1982－），男，高級工程師，安徽淮北人，電子科技大學電子工程本科畢業(yè)，從事雷達天線伺服系統(tǒng)設計、雷達系統(tǒng)電磁兼容設計。