基于FPGA和AD2S80A的数字测角系统

　　0　引言

　　圆感应同步器是一种多极感应元件。由于多极结构对误差起补偿作用,因此具有很高的精度,再加上其运行速度快、工作稳定可靠等特点,广泛应用于航空航天、机械制造、精密仪器、计量等部门[1]。

　　现场可编程门阵列(FPGA),由于其灵活的编程解决方案,广泛应用于通信、控制、数据计算等领域,而且其开发周期短,可反复编程修改,保密性能好。这对于整个系统的升级与扩展有巨大的作用。

　　该测角系统是以圆感应同步器作为角度传感器,以AD2S80A和FPGA作为数字信号处理的高精度自动化仪表。应用鉴幅型开环测角系统原理,采取整体开环,数字信号处理部分闭环的方法,相对于传统的鉴相开环或鉴幅闭环的模式下精度和跟踪速度低的情况,能有效地提高系统的动态跟踪速度和精度。FPGA的应用代替了传统的“EPROM+计数电路”,有效地减小了电路板的面积,提高了系统的抗干扰能力,实时性也得到了提高。而AD2S80A内部的双积分的闭环伺服系统方式,减小了系统的动态误差。

　　1　数字测角系统工作原理及实现方案

　　系统采用感应同步器单相转子激励,采用两相定子绕组输出的鉴幅工作方式。工作原理如下:

　　设圆感应同步器转子激励信号为

　　将2相绕组输出电动势u_si、u_ci送入到感应同步器测角系统的输入端,经过放大、滤波移相后信号变为

　　式中:um为励磁电压的最大幅值;ω=2πf为激磁信号的角频率;f为基准频率,系统中为10 kHz;θ_e为圆感应同步器对应的电角度。

　　在AD2S80A内部,经过高精度正余弦乘法器将输入信号与测角系统的输出角度φ对应的正余弦信号进行相乘,其输出端为

　　将u_a、u_b送入误差放大器中,得到输入角度和输出角度之间的误差函数为

　　式中:k为kekvum的乘积;ke为误差放大器的放大倍数[2]。

　　将ue送入高通滤波器后,再与基准参考信号fc同时进入相敏检出器,得到与(θ_e-φ)成正比的误差信号Δθ,将相敏解调后的误差信号送入积分器,从积分器出来的电压信号便是速度信号,速度信号通过速度跟踪选择电阻,进入压控振荡器,其输出脉冲加入可逆计数器,从可逆计数器的输出端得到的反映转角的输出信号φ的二进制代码。将其送入FPGA中,通过译码和计数就可以得到感应同步器的转角。