| 标题 | 一种基于DSP的轴角测量系统设计 |
| 范文 | 梁韬+李富荣+王玉峰 摘 要： 介绍了一种由12ZSZ和TMS320F2812构成的轴角测量系统，对自整角机的工作原理进行了介绍，并给出了数字转换芯片与DSP之间的引脚连接图，最后阐述了部分软件方面的设计。该测量系统实时性好，可以满足对轴角实时显示的要求。 关键字： 轴角测量系统； 自整角机； TMS320F2812； 接口电路； 实时性 中图分类号： TN06?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）13?0110?03 Design of shaft angle measuring system based on DSP LIANG Tao1，2， LI Fu?rong1， WANG Yu?feng1 （1. Qingdao Branch， Naval Aviation Engineering Institute， Qingdao 266041， China； 2. Nanchang Aviation University， Nanchang 330063， China） Abstract： A shaft angle measuring system composed of 12ZSZ and TMS320F2812 is introduced in this paper. The opera?ting principle of synchro is described. The diagram of pin connection between digital converter and DSP is offered. The design of partial software is elaborated. The measuring system has a perfect real?time performance， so it can meet the requirement of the shaft angle real?time display. Keywords： shaft angle measuring system； synchro； TMS320F2812； interface circuit； real?time performance 0 引 言 随着现代技术的发展，在各个控制领域，角度信息是一个重要的参数，如何快速、精确的采集角度信号在工程应用中受到广泛关注。传统的角度测量方法[1]有许多种，按传感器可分为电位器、有刷接触式编码器、光电编码器、交流微电机等。自整角机一种微电机，由于其测量精度较高、性能稳定、工作可靠，可以在抗震动、冲击和油污等恶劣环境下工作等原因而被广泛应用，由于自整角机输出的是包含位置信息的模拟信号，必须转换成数字信号才能输入到DSP中进行处理，本文选用的12ZSZ是中船重工生产的数字转换芯片，该芯片不但精度高、可靠性高，而且体积小、寿命长。在以前的测角系统中，大部分采用单片机进行数据处理[2]，随着技术的不断提高，单片机的处理速度、检测精度远远达不到要求，本文采用TI公司的TMS320F2812作为整个测量系统的核心芯片[3]，基于DSP的高速数据处理能力，能够保证数据采集和处理的实时性，能够大大提高整个系统的工作效率，在高速实时数据采集和处理领域具有一定的应用价值。 1 轴角测量系统组成 轴角测量系统由自整角机、数字转换器、DSP TMS320F2812组成，当轴角信号传送到自整角机时，自整角机将其转变成三相交流调制信号，再输入到数字转换器中，转换成12位的数字信号，通过DSP解算出轴角信号，最后通过显示模块进行显示，其系统组成如图1所示。 图1 轴角测量系统组成 2 自整角机测量原理 在控制系统中，自整角机通常是2个或2个以上组合使用的，当作为角度传感器实现角度测量时，只用一个发送机就可以了，其工作原理[4]如图2所示。 图中[S1、][S2]和[S3]为三相绕组，左边圈内的为单相绕组，工作时单相绕组作为转子，整步绕组作为定子，取绕组中的[S2]为参考绕组，用单相绕组轴线和[S2]绕组轴线的夹角[θ]表示某一时刻轴角的位置。 设正弦交流激磁绕组以转速[n]恒速旋转，星型输出绕组感应电势亦为正弦交流电势，则三相感应电势[5]有效值[E1、][E2]和[E3]分别为： [E1=Emsin（ωt）cos（θ+120°）] （1） [E2=Emsin（ωt）cosθ] （2） [E3=Emsin（ωt）cos（θ-120°）] （3） 因此有： [E21=E2-E1=Emsin（ωt）[cosθ-cos（θ+120°）]] （4） [E23=E2-E3=Emsin（ωt）[cosθ-cos（θ-120°）]] （5） 其中[Em]是每相绕组轴线与激磁绕组轴线重合，且激励正弦电压处于峰值时线圈感应的最大值，[ω]=60，[n]是激磁电压的角速度，[θ]是角位移。设信号[E21]和[E23]的相位差为[ψ，]由式（4）、式（5）得： [ψ=cos（θ-120°）-cos（θ+120°）] 可见[ψ]只与[θ]有关，测出相位差[ψ，]即可求出角位移。 图2 单相绕组和整步绕组 3 轴角测量系统A/D电路的设计 在整个测量系统中，A/D转换器是整个系统数据采集部分的关键核心器件，本系统中采用的是中船重工的12ZSZ作为测量系统的A/D转换器。12ZSZ是中船重工716所生产的一种模块式、高精度、高可靠性的自整角机数字转换器[6]，采用二阶伺服原理设计，可应用于伺服机构、导航系统、火控系统等多个领域。该系列转换器和美国AD公司SAC1764系列转换器兼容。该转换器还有一个重要的特点，是能够使有高电压信号和参考输入的传感器用比例匹配电阻分压的方法与低电压信号和参考输入的转换器相连，这就意味着一个标准转换器与一个专用插件板可以在一个传感器和参考输入电压较宽的范围中使用，其外加比例电阻的计算方法是：信号每增加1 V，分别在S1，S2和S3端串连1.11 kΩ电阻，参考信号每增加1 V，在RH端串联2.2 kΩ电阻。 自整角机的三线输入应连接到转换器的S1，S2和S3引脚端，则： [VS1?S3=KVRH?RLsinωtsinθVS3?S2=KVRH?RLsinωtsin（θ+120°）VS2?S1=KVRH?RLsinωtsin（θ+240°）] 式中：[θ]为自整角机轴角；[K]为变比，[VRH?RL]是激励电压。 12ZSZ是精度12位的数字转换器，与DSP的D0～D11的数据总线相连[7]，测量系统的结构原理图如图3所示。由于DSP的I/O口电平是3.3 V，数字转换器的是5 V TTL电平输出，所以中间加了一个电平转换。数据在采样时，CPU发出I/O指令，内部的地址总线信号经过译码后，控制数字转换器模块传送轴角信号，然后进行采集处理，最后送到显示模块。 图3 测量系统结构原理图 4 系统的软件设计 轴角测量系统的软件是DSP的主要编程任务[8]，包括DSP的初始化，显示模块的初始化及实现数字信号处理的算法。软件设计采用C语言编程，在这里由TI公司提供的功能强大的CCS（Code Composer Studio）作为集成开发环境。 程序的主要任务是控制接收由数字转换器发送到的数据进行处理并实时的显示[9]，系统上电复位后，首先完成对DSP自身的初始化，然后配置RAM空间，配置I/O口工作模式，设计定时器的工作模式及中断，然后进入循环运行状态。 系统软件设计如图4所示。 图4 系统软件设计 5 测量结果 在完成系统的硬软件设计后，做出了实物，然后对系统做了测试，测试过程中选择了不同的旋转角进行了测试，并且在同一旋转角位置进行了50次采样，计算得到平均值进行了比较，部分测试数据见表1。 由于转换器为12位的，所以转换器最小分辨率为[360°212=360°4 096=0.088°，]再加上电压误差、硬件电路中的干扰及转换器的机械误差[10]，导致其输出的精度无法达到3位有效数字，所以在LCD上只设定了4个字符的显示空间。 6 结 论 本设计的轴角测量系统能够完成对轴角信号的采集与处理，由于采用了TI公司的高性能DSP芯片，并用专用的数字转换模块，与传统的测量系统设计方案相比，不仅使得整个测量系统的具有体积小，精度高等特点，还大大提高了跟踪测量的速度和动态测量的精度，而且用CCS作为软件开发环境，无论从编程还是在软件调试方面都变得简单方便。 参考文献 [1] 孙莹，万秋华，王树洁，等.航天级光电编码器的信号处理系统设计[J].光学精密工程，2010，18（5）：1182?1187. [2] 王海涛，谢寿生.基于DSP的自整角机的设计[J].传感器技术，2005，24（12）：66?68. [3] Texas Instruments. TMS320F/24xDSP controllers reference guide CPU and instruction set [R]. USA： Texas Instruments， 1999. [4] 庞红.基于DSP的自整角机的轴角检测方法研究[D].济南：山东大学，2006. [5] 何秀然，李天亮，谢寿生，等.航空发动机自整角机的数字化设计[J].电机与控制学报，2006（1）：14?17. [6] 716研究所.716研究所产品数据手册[M].连云港：716研究所，2009. [7] 顾卫钢.手把手教你学DSP：基于TMS320X281X[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011. [8] 刘桂林，张志文.基于DSP的MEMS陀螺仪信号处理平台的设计[J].现代电子技术，2009，32（9）：127?129. [9] 李思维，徐跃鉴，项国辉.自整角机/数字转换器原理及其在轴角测量中的应用[J].应用天地，2007（3）：60?62. [10] 何林，牛二兵，高洁，等.基于DSP I/O空间与旋转变压器的位置采样系统设计[J].微电机，2011（10）：44?46. 自整角机的三线输入应连接到转换器的S1，S2和S3引脚端，则： [VS1?S3=KVRH?RLsinωtsinθVS3?S2=KVRH?RLsinωtsin（θ+120°）VS2?S1=KVRH?RLsinωtsin（θ+240°）] 式中：[θ]为自整角机轴角；[K]为变比，[VRH?RL]是激励电压。 12ZSZ是精度12位的数字转换器，与DSP的D0～D11的数据总线相连[7]，测量系统的结构原理图如图3所示。由于DSP的I/O口电平是3.3 V，数字转换器的是5 V TTL电平输出，所以中间加了一个电平转换。数据在采样时，CPU发出I/O指令，内部的地址总线信号经过译码后，控制数字转换器模块传送轴角信号，然后进行采集处理，最后送到显示模块。 图3 测量系统结构原理图 4 系统的软件设计 轴角测量系统的软件是DSP的主要编程任务[8]，包括DSP的初始化，显示模块的初始化及实现数字信号处理的算法。软件设计采用C语言编程，在这里由TI公司提供的功能强大的CCS（Code Composer Studio）作为集成开发环境。 程序的主要任务是控制接收由数字转换器发送到的数据进行处理并实时的显示[9]，系统上电复位后，首先完成对DSP自身的初始化，然后配置RAM空间，配置I/O口工作模式，设计定时器的工作模式及中断，然后进入循环运行状态。 系统软件设计如图4所示。 图4 系统软件设计 5 测量结果 在完成系统的硬软件设计后，做出了实物，然后对系统做了测试，测试过程中选择了不同的旋转角进行了测试，并且在同一旋转角位置进行了50次采样，计算得到平均值进行了比较，部分测试数据见表1。 由于转换器为12位的，所以转换器最小分辨率为[360°212=360°4 096=0.088°，]再加上电压误差、硬件电路中的干扰及转换器的机械误差[10]，导致其输出的精度无法达到3位有效数字，所以在LCD上只设定了4个字符的显示空间。 6 结 论 本设计的轴角测量系统能够完成对轴角信号的采集与处理，由于采用了TI公司的高性能DSP芯片，并用专用的数字转换模块，与传统的测量系统设计方案相比，不仅使得整个测量系统的具有体积小，精度高等特点，还大大提高了跟踪测量的速度和动态测量的精度，而且用CCS作为软件开发环境，无论从编程还是在软件调试方面都变得简单方便。 参考文献 [1] 孙莹，万秋华，王树洁，等.航天级光电编码器的信号处理系统设计[J].光学精密工程，2010，18（5）：1182?1187. [2] 王海涛，谢寿生.基于DSP的自整角机的设计[J].传感器技术，2005，24（12）：66?68. [3] Texas Instruments. TMS320F/24xDSP controllers reference guide CPU and instruction set [R]. USA： Texas Instruments， 1999. [4] 庞红.基于DSP的自整角机的轴角检测方法研究[D].济南：山东大学，2006. [5] 何秀然，李天亮，谢寿生，等.航空发动机自整角机的数字化设计[J].电机与控制学报，2006（1）：14?17. [6] 716研究所.716研究所产品数据手册[M].连云港：716研究所，2009. [7] 顾卫钢.手把手教你学DSP：基于TMS320X281X[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011. [8] 刘桂林，张志文.基于DSP的MEMS陀螺仪信号处理平台的设计[J].现代电子技术，2009，32（9）：127?129. [9] 李思维，徐跃鉴，项国辉.自整角机/数字转换器原理及其在轴角测量中的应用[J].应用天地，2007（3）：60?62. [10] 何林，牛二兵，高洁，等.基于DSP I/O空间与旋转变压器的位置采样系统设计[J].微电机，2011（10）：44?46. 自整角机的三线输入应连接到转换器的S1，S2和S3引脚端，则： [VS1?S3=KVRH?RLsinωtsinθVS3?S2=KVRH?RLsinωtsin（θ+120°）VS2?S1=KVRH?RLsinωtsin（θ+240°）] 式中：[θ]为自整角机轴角；[K]为变比，[VRH?RL]是激励电压。 12ZSZ是精度12位的数字转换器，与DSP的D0～D11的数据总线相连[7]，测量系统的结构原理图如图3所示。由于DSP的I/O口电平是3.3 V，数字转换器的是5 V TTL电平输出，所以中间加了一个电平转换。数据在采样时，CPU发出I/O指令，内部的地址总线信号经过译码后，控制数字转换器模块传送轴角信号，然后进行采集处理，最后送到显示模块。 图3 测量系统结构原理图 4 系统的软件设计 轴角测量系统的软件是DSP的主要编程任务[8]，包括DSP的初始化，显示模块的初始化及实现数字信号处理的算法。软件设计采用C语言编程，在这里由TI公司提供的功能强大的CCS（Code Composer Studio）作为集成开发环境。 程序的主要任务是控制接收由数字转换器发送到的数据进行处理并实时的显示[9]，系统上电复位后，首先完成对DSP自身的初始化，然后配置RAM空间，配置I/O口工作模式，设计定时器的工作模式及中断，然后进入循环运行状态。 系统软件设计如图4所示。 图4 系统软件设计 5 测量结果 在完成系统的硬软件设计后，做出了实物，然后对系统做了测试，测试过程中选择了不同的旋转角进行了测试，并且在同一旋转角位置进行了50次采样，计算得到平均值进行了比较，部分测试数据见表1。 由于转换器为12位的，所以转换器最小分辨率为[360°212=360°4 096=0.088°，]再加上电压误差、硬件电路中的干扰及转换器的机械误差[10]，导致其输出的精度无法达到3位有效数字，所以在LCD上只设定了4个字符的显示空间。 6 结 论 本设计的轴角测量系统能够完成对轴角信号的采集与处理，由于采用了TI公司的高性能DSP芯片，并用专用的数字转换模块，与传统的测量系统设计方案相比，不仅使得整个测量系统的具有体积小，精度高等特点，还大大提高了跟踪测量的速度和动态测量的精度，而且用CCS作为软件开发环境，无论从编程还是在软件调试方面都变得简单方便。 参考文献 [1] 孙莹，万秋华，王树洁，等.航天级光电编码器的信号处理系统设计[J].光学精密工程，2010，18（5）：1182?1187. [2] 王海涛，谢寿生.基于DSP的自整角机的设计[J].传感器技术，2005，24（12）：66?68. [3] Texas Instruments. TMS320F/24xDSP controllers reference guide CPU and instruction set [R]. USA： Texas Instruments， 1999. [4] 庞红.基于DSP的自整角机的轴角检测方法研究[D].济南：山东大学，2006. [5] 何秀然，李天亮，谢寿生，等.航空发动机自整角机的数字化设计[J].电机与控制学报，2006（1）：14?17. [6] 716研究所.716研究所产品数据手册[M].连云港：716研究所，2009. [7] 顾卫钢.手把手教你学DSP：基于TMS320X281X[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011. [8] 刘桂林，张志文.基于DSP的MEMS陀螺仪信号处理平台的设计[J].现代电子技术，2009，32（9）：127?129. [9] 李思维，徐跃鉴，项国辉.自整角机/数字转换器原理及其在轴角测量中的应用[J].应用天地，2007（3）：60?62. [10] 何林，牛二兵，高洁，等.基于DSP I/O空间与旋转变压器的位置采样系统设计[J].微电机，2011（10）：44?46. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。