利用FPGA和分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器簡化角度測量

　　1 編碼器和分解器的類型

　　編碼器分為增量和絕對兩個基本類別。增量編碼器可以監(jiān)控輪軸上的兩個位置，可以在輪軸每次經(jīng)過這兩個位置時產(chǎn)生A或B脈沖。獨立的外部電動計數(shù)器然后從這些脈沖解讀出轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。雖然適用于眾多應(yīng)用，但是增量式計數(shù)器確實存在某些不足。例如，在輪軸停轉(zhuǎn)情況下，增量編碼器在開始運行之前必須首先通過調(diào)回到某個指定校準(zhǔn)點來實現(xiàn)自身校準(zhǔn)。另外，增量式計數(shù)器易受到電氣干擾的影響，導(dǎo)致發(fā)送到系統(tǒng)的脈沖不準(zhǔn)確，進(jìn)而造成旋轉(zhuǎn)計數(shù)錯誤。不僅如此，許多增量編碼器屬于光電器件，如果對目標(biāo)應(yīng)用有影響，則無法用于輻射危險區(qū)域。

　　絕對編碼器是監(jiān)控輪軸旋轉(zhuǎn)計數(shù)和方向的傳感器系統(tǒng)。在基于絕對編碼器的系統(tǒng)中，用戶一般把轉(zhuǎn)輪連接到具有電觸頭或光電基準(zhǔn)的輪軸。在輪軸運行時，基于絕對編碼器的系統(tǒng)會記錄旋轉(zhuǎn)和運行方向，同時產(chǎn)生易于轉(zhuǎn)換成代碼(最常見的是二進(jìn)制碼或格雷碼)的并行數(shù)字輸出。絕對編碼器的優(yōu)勢在于只需要校準(zhǔn)一次(一般是在工廠中校準(zhǔn))，而無需每次使用前都校準(zhǔn)。此外，絕對編碼器一般比其它編碼器更可靠。不過，絕對編碼器一般很昂貴，而且它們不利于進(jìn)行并行數(shù)據(jù)傳輸，尤其是在測量其讀數(shù)的電子系統(tǒng)距離編碼器較遠(yuǎn)情況下。

　　分解器就其本身而言是一種旋轉(zhuǎn)變壓器——一種輸出電壓與其所監(jiān)控的輸入軸角唯一關(guān)聯(lián)的模擬器件。它是一款具有0°~360°旋轉(zhuǎn)角度的絕對位置傳感器，其直接連接到輪軸并報告轉(zhuǎn)速和位置。分解器與編碼器相比有諸多優(yōu)勢。分解器非常穩(wěn)健可靠，能夠經(jīng)受帶有灰塵、油污、極端溫度、振動和輻射的嚴(yán)酷環(huán)境。作為一種變壓器，分解器可以提供信號隔離以及對電氣干擾的自然共模抑制。除了這些特性之外，分解器只需要四根線就可進(jìn)行角數(shù)據(jù)傳輸，這使其能夠適用于從重工業(yè)、微型系統(tǒng)到航空航天工業(yè)等各種應(yīng)用。

　　無刷分解器得到了進(jìn)一步改進(jìn)，其無需與轉(zhuǎn)子的滑環(huán)連接。因此，這種分解器更可靠，而且使用壽命更長。

　　分解器采用兩種方式獲取與軸角相關(guān)的輸出電壓。在第一種方式中，如圖1所示的轉(zhuǎn)子繞組由交變信號激勵，而輸出來自兩個定子繞組。由于定子是以機(jī)械方式定位到正確角度，因此輸出信號幅度是通過軸角的三角正弦和余弦關(guān)聯(lián)。正弦與余弦信號均具有與原始激勵信號相同的相位;僅其幅度隨輪軸的旋轉(zhuǎn)通過正弦與余弦進(jìn)行調(diào)制。

　　在第二種方式中，定子繞組由相位正交的交變信號激勵。然后在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電壓。繞組的幅度和頻率固定，但其相移隨軸角變化。

　　分解器可以放置到需要測量角度的位置。而電子裝置一般指的是分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)，可以放置到需要測量數(shù)字輸出的位置。分解器的模擬輸出(含有輪軸角位置信息)然后經(jīng)RDC轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。

　　2 典型RDC的功能

　　一般而言，分解器的兩個輸出會應(yīng)用到RDC的正弦與余弦乘法器。這些乘法器結(jié)合正弦和余弦查找表以及函數(shù)構(gòu)成乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器。圖2顯示了其功能。