基于FPGA的旋转变压器位置解调算法研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jzy0403
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旋转变压器作为一种能够测量绝对位置的角度测量仪器,具有高精度、抗震强、抗干扰、抗油污、长寿命等特点。它被广泛应用于航天航空、军事、工业等场合。旋转变压器信号解调主要有采用旋转变压器信号解调(RDC)器件和采用分离器件搭建两种实现方法。随着可编程逻辑控制器(FPGA)的不断发展,将解调算法以FPGA模块(IP核)的方式实现具有极大的应用前景。  针对现有基于FPGA实现旋转变压器解调算法普遍存在鲁棒性不强,抗干扰能力弱等不足,本文提出一种新的解调方法。首先,提出以最少FPGA资源产生幅值恒定、频率可控正弦信号方法,扩大角度解调算法的应用范围,并从理论上证明其可行性。FPGA根据设定频率参数输出不同脉宽调制(PWM)信号。该信号经过硬件参数固定的滤波器能获得相应频率正弦信号。其次,深入讨论了与CORDIC(坐标旋转数字计算方法)算法收敛范围和精度相关的参数。对CORDIC算法进行扩展,使得反正切函数的收敛域扩展为0至2π,实现旋转变压器任意角度的解调。同时,针对基于开环解调角度算法抗干扰能力弱的不足,根据电机在高低转速情况下对解调性能的侧重点不同的特点,提出低速模式和高速模式预处理方法。针对低速模式,根据改进傅里叶变换提出具有强抗干扰性和稳定性的预处理方法。该方法仅需简单加减运算和一次CORDIC运算就能实现旋转变压器的正弦或余弦输出信号幅值解调。最后,本文讨论了各种误差源,并提出利用CORDIC算法获得向量角和向量幅值的特点,实时监测旋转变压器的两路输出,并对允许范围内的幅值不均衡采用锁相环方法进行补偿。  本文通过实现硬件接口电路和FPGA程序,并搭建实验平台进行实验验证。实验结果与理论分析仿真相符。采用PWM方法能够在硬件参数固定情况下输出不同频率正弦激励信号。解调算法在低速情况下能够有效抑制噪声信号,其性能与设计相符;在电机转速高达至3600rpm时,算法仍能有效跟随角度的变换,具有非常好的动态性能。解调算法具有较强的鲁棒性和抗干扰性,能够满足一般伺服驱动要求。
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