传感器测角度:一种精准测量旋转角度的传感器

2021/10/29 17:45 · 传感器知识资讯 ·  · 传感器测角度:一种精准测量旋转角度的传感器已关闭评论
摘要:

传感器测角度:一种精准测量旋转角度的传感器旋转传感器是一种通过安装在旋转的物体上测量旋转物体旋转圈数,运动距离的高精度传感器。如下图所示旋转传感器可以用于测量天车的运动距离,卷筒的吊钩高度,有轨机车的运动距离等。旋转传感器的测距原理旋转传感器和旋转体安装在一起同旋转

传感器测角度:一种精准测量旋转角度的传感器

旋转传感器是一种通过安装在旋转的物体上测量旋转物体旋转圈数,运动距离的高精度传感器。如下图所示旋转传感器可以用于测量天车的运动距离,卷筒的吊钩高度,有轨机车的运动距离等。
旋转传感器的测距原理
旋转传感器和旋转体安装在一起同旋转体一起旋转,将旋转角度数据通过无线传输模式将数据传输给无线接收器,无线接收器再通过RS-485总线/Modbus协议将数据传输到服务器或者PLC。
旋转传感器采用捷联惯导(SINS)技术,由三轴陀螺仪、三轴加速度计、嵌入式计算机、无线数传系统、供电系统组成。传感器固定安装在旋转体(车轮)上,六轴传感数据通过嵌入式计算机解算出姿态角、累积旋转角并通过无线数传系统外传至接收器。
旋转传感器特点
1:旋转传感器与轮体无须同轴安装,可以紧固安装在轮体任意位置,保持安装面垂直于地面;
2:旋转传感器系统通过RS-485接口连接,遵循Modbus-RTU协议, 数据更新频率可达100Hz;
3:旋转传感器角度精度0.1度。
4:旋转传感器采用电池供电,可以连续工作6个月。
轨道位移与累积转角计算方法:D=C*N,其中,D:轨道位移,C:运动轮周长,N:累积圈数。在运动轮不确定周长的情况下,可以通过 测量轨道位移和累积圈数的方法,反算周长,累积圈数越多,反算结果越准确。
旋转传感器接收器遵循Modbus-RTU通讯协议,ID号通过传感器、接收器的拨码开关设定,8421编码格式,ID=0时清空传感器内部数据,ID从1~255为传感器工作ID。接收器向系统输出三类数据,一、转角数据,二、累积圈数,三、电池电压。其中累积圈数可以任意设定或清零。
旋转传感器圈数清理指令举例
麦森旋转传感器数据解析说明(以ID2为例
第一字节是ID号;
第四~第七字节是圈数,IEEE754单精度浮点数格式,可清零、可任意设定;
第八~第十一字节是角度,IEEE754单精度浮点数格式,只读;
第十二~第十五字节是电池电压,IEEE754单精度浮点数格式,只读电压低于3V时请给电池充电;
第十六~第十七字节为CRC校验字节。
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传感器测角度:五分钟带你深度解读角度传感器(干货分享)

原标题:五分钟带你深度解读角度传感器(干货分享)

角度传感器的定义

角度传感器是指能感受被测角度并转换成可用输出信号的传感器。 角度传感器,顾名思义,是用来检测角度的。它的身体中有一个孔,可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时,轴每转过1/16圈,角度传感器就会计数一次。

往一个方向转动时,计数增加,转动方向改变时,计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时,它的计数值被设置为0,如果需要,你可以用编程把它重新复位。

通过计算旋转的角度可以很容易的测出位置和速度。当在机器人身上连接上轮子(或通过齿轮传动来移动机器人)时,可以依据旋转的角度和轮子圆周数来推断机器人移动的距离。然后就可以把距离转换成速度,你也可以用它除以所用时间。

实际上,计算距离的基本方程式为: 距离=速度×时间

由此可以得到:速度=距离/时间

磁敏角度传感器

磁敏感角度传感器采用高性能集成磁敏感元件,利用磁信号感应非接触的特点,配合微处理器进行智能化信号处理制成的新一代角度传感器。

特点:无触点、高灵敏度、接近无限转动寿命、无噪声、高重复性、高频响应特性好 。

优点:

1、磁钢位置未对准自动补偿;

2、故障检测功能;

3、非接触位置检测功能,是满足苛刻环境应用需求的理想选择。

应用领域:

1、工业机械、工程机械建筑设备、石化设备、医疗设备、航空航天仪器仪表、国防工业等旋转速度和角度的测量.

2、汽车电子脚踩油门角位移,方向盘位置,座椅位置,前大灯位置;

3、自动化机器人,运动控制,旋转电机转动和控制.

电容式角位移传感器

电容式角位移传感器用于测量固定部件(定子)与转动部件(转子)之间的旋转角度,因其具有结构简单,测量精度高,灵敏度高,适合动态测量等特点,而被广泛应用于工业自动控制。

一般来说,电容式角位移传感器由一组或若干组扇形固定极板和转动极板组成,为保证传感器的精度和灵敏度,同时避免因环境温度等因素的改变导致介电常数、极板形状等的间接变化,进而对传感器性能产生不利影响,对传感器的制作材料、加工工艺以及安装精度提出了较高要求,为了克服电容角位移传感器的局限性,国内外科学工作者进行了长期的大量研究工作,其主要思想方法是将传感器设计成差动结构。

传感器系统原理框图如图所示:

由敏感元件、测量电路、智能部件与接口部件构成,敏感元件的结构所示如图1,测量部件由选择单元、激励源和电荷检测单元组成;智能部件由I/O单元、A/D单元、滤波单元、角度计算单元等组成;接口部件由电流输出单元、RS232通讯单元等组成。

敏感元件检测反映角度位置的电容值,是传感器的初始转换单元,测量单元采用了先进的抗杂散微小电容检测电路,将电容值转换为电信号,智能部件的主要功能是通过比例式算法计算出角位移量,最后由接口部件输出角度计算结果。

倾角传感器

倾角传感器经常用于系统的水平测量,从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器,倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。

倾角传感器基本原理

理论基础就是牛顿第二定律,根据基本的物理原理,在一个系统内部,速度是无法测量的,但却可以测量其加速度。

如果初速度已知,就可以通过积分计算出线速度,进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器

当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用,那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。

随着MEMS 技术的发展,惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一,而微加速度计就是惯性传感器件的杰出代表。

作为最成熟的惯性传感器应用,现在的MEMS 加速度计有非常高的集成度,即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。

倾角传感器把MCU,MEMS加速度计,模数转换电路,通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。可以直接输出角度等倾斜数据,让人们更方便的使用它。

其特点是: 硅微机械传感器测量(MEMS)以水平面为参面的双轴倾角变化。输出角度以水准面为参考,基准面可被再次校准。

数据方式输出,接口形式包括RS232、RS485和可定制等多种方式。抗外界电磁干扰能力强。

编者按

传感器

是现代科技的开路先锋!

是物联网实现万物互联的基石!

它好比人体的感觉器官,通过物理/化学感知获取信息。

那么其他传感器的应用技巧你了解吗?

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角度传感器
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角度传感器,顾名思义,是用来检测角度的。它的身体中有一个孔,可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时,轴每转过1/16圈,角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时,计数增加,转动方向改变时,计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时,它的计数值被设置为0,如果需要,你可以用编程把它重新复位。
中文名
角度传感器
外文名
angular transducer
用 途
检测角度
应用场合
地理、民用、工业等
应用举例
吊车,吊架,收割机等
目录
1
概述
2
举例
3
方位角度传感器
4
应用领域
5
应用场合
角度传感器概述
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语音
你可以很容易的测出位置和速度。当在机器人身上连接上轮子(或通过齿轮传动
角度传感器
来移动机器人)时,可以依据旋转的角度和轮子圆周数来推断机器人移动的距离。然后就可以把距离转换成速度,你也可以用它除以所用时间。实际上,计算距离的基本方程式为:
距离=速度×时间
由此可以得到:
速度=距离/时间
角度传感器举例
编辑
语音
如果把角度传感器连接到马达和轮子之间的任何一根传动轴上,必须将正确的传动比算入所读的数据。举一个有关计算的例子。在你的机器人身上,马达以3:1的传动比与主轮连接。角度传感器直接连接在马达上。所以它与主动轮的传动比也是3:1。也就是说,角度传感器转三周,主动轮转一周。角度传感器每旋转一周计16个单位,所以16*3=48个增量相当于主动轮旋转一周。我们需要知道齿轮的圆周来计算行进距离。幸运地是,每一个LEGO齿轮的轮胎上面都会标有自身的直径。我们选择了体积最大的有轴的轮子,直径是81.6CM(乐高使用的是公制单位),因此它的周长是81.6×π=81.6×3.14≈256.22CM。已知量都有了:齿轮的运行距离由48除角度所记录的增量然后再乘以256。我们总结一下。称R为角度传感器的分辨率(每旋转一周计数值),G是角度传感器和齿轮之间的传动比率。我们定义I为轮子旋转一周角度传感器的增量。即:
I=G×R
在例子中,G为3,对于乐高角度传感器来说,R一直为16.因此,我们可以得到:
I=3×16=48
每旋转一次,齿轮所经过的距离正是它的周长C,应用这个方程式,利用其直径,你可以得出这个结论。
C=D×π
在我们的例子中:
C=81.6×3.14=256.22
最后一步是将传感器所记录的数据-S转换成轮子运动的距离-T,使用下面等式:
T=S×C/I
如果光电传感器读取的数值为296,你可以计算出相应的距离:
T=296×256.22/48=1580 距离(T)的单位与轮子直径单位是相同的.
无接触角度传感器
无触点角度传感器,又称无接触电位器,广泛应用于工业自动化设备、工程机械、纺织机械、造纸印刷机械、石化设备、国防工业等自动控制设备的水平和旋转角度的测量,也适用于拉丝机等作张力传感器。
角度传感器方位角度传感器
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语音
方位角又称地平经度,是在平面上量度物体之间的角度差的方法之一。传感器测量方位角是从某点的指北方向线起,依顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角,是一种两面角,即午圈所在的平面与通过天体所在的地平经圈平面的夹角,以午圈所在的平面为起始面,按顺时针方向度量。方位的度量亦可在地平圈上进行,以南点为起算点,由南点开始按顺时针方向计量。方位的大小变化范围为0°~360°,南点为0°,西点为90°,北点为180°,东点为270°。上述这种方位度量是在天文学中所用的方法。
  方位角传感器在跟随着军事技术的发展,有着高科技作战的性能。传感器测试系统的信息化是实现中国军队装备现代化建设主要途径,当务之急应该用高新技术提升老装备的性能。这既是提升现有武器装备的一个重要环节,又是最大限度地发挥现有装备整体作战效能的一个重要因素。我国现役的炮塔方位角系统中.老型号较多,大部分没有配备自动检测和录取设备。炮塔方位角系统的各种参数的计算、数据的处理和上报大多数由人工进行,难以胜任复杂环境下快速、准确采集。为适应现代化炮塔方位角系统的要求,必须具有一套自动采集和分析能力的完整测试系统。
角度传感器应用领域
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在程序不仅仅会用到乘法和除法的数学运算,还有更多的需要多留心(有关内容我们将在第12章进行进一步的讨论)。
使用角度传感器来控制你的轮子可以间接的发现障碍物。原理非常简单:如果马达
角度传感器构造
运转,而齿轮不转,说明你的机器已经被障碍物给挡住了。此技术使用起来非常简单,而且非常有效;唯一要求就是运动的轮子不能在地板上打滑(或者说打滑次数太多),否则你将无法检测到障碍物。如果是一个空转的齿轮连接到马达上就可以避免这个问题,这个轮子不是由马达驱动而是通过装置的运动带动它:在驱动轮旋转的过程中,如果惰轮停止了,说明你碰到障碍物了。
在许多情况下角度传感器是非常有用的:控制手臂,头部和其它可移动部位的位置。值的注意的是,当运行速度太慢或太快时,RCX在精确的检测和计数方面会受到影响。事实上,问题并不是出在RCX身上,而是它的操作系统,如果速度超出了其指定范围,RCX就会丢失一些数据。Steve Baker用实验证明过,转速在每分钟50到300转之间是一个比较合适的范围,在此之内不会有数据丢失的问题。然而,在低于12rpm或超过1400rpm的范围内,就会有部分数据出现丢失的问题。而在12rpm至50rpm或者300rpm至1400rpm的范围内时,RCX也偶会出现数据丢失的问题。
[1]
角度传感器在军事上的应用
大家熟知的火炮是利用火药燃气压力等能源抛射弹丸,口径等于和大于20毫米的身管射击武器。火炮通常由炮身和炮架两大部分组成。早在1332年,中国的元朝就在部队中装备了最早的金属身管火炮:青铜火铳。火炮通常由炮身和炮架两大部分组成。火炮射击时对炮床倾角的要求很高,利用角度传感器设计的数字式象限仪,可明显提高校正炮床的速度,降低操作难度。
角度传感器是作为炮弹发射的准确性,稳定性提供最大的帮助。大家都知道火炮身管用来赋予弹丸初速和飞行方向,炮尾用来装填炮弹,炮闩用以关闭炮膛,击发炮弹。如今炮架由反后坐装置、方向机、高低机、瞄准装置、大架和运动体,角度传感器等组成,而反后坐装置用以保证火炮发射炮弹后的复位,方向机和高低机用来保证火炮发射炮弹后复位,方向机和高低机用来操纵炮身变换方向和高低,瞄准装置由角度传感器,瞄准具和瞄准镜组成,用以装定火炮射击数据,实施瞄准射击,大架和运动体用于射击时支撑火炮,行军时作为炮车。
角度传感器应用场合
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语音
系列倾角,角度传感器,距离传感器,加速度传感器,以及测量方位用的数字罗盘,电子罗盘和陀螺仪已经广泛的应用应用于石油,煤炭,钢铁,船舶,隧道,医疗设备,大坝,机械,物探仪器,地质,岩土,石油,矿山,管道,测斜导管,铁路、港口、水利、高层建筑,墙洞,矿井、隧道、船坞、抗滑桩和板桩,煤矿,动态冲击实验,地质,卫星GPS系统,风水,越野车,航海,实验仪器,数字水平仪,医疗,机械调平,角度测量和监视,汽车,起重机械运动检测,康复系统,生物工程系统,虚拟现实、现实放大,体育,惯性导航系统,人体姿态测量工业机械,摩托车陀螺仪,光纤,制导,平衡,导向,方向测量,动态跟踪,捷联,惯性,导航,方位角,角速度,速率,机械,爆转,测量等行业。
典型应用场合:
- 地理: 山体滑坡,雪崩.
- 民用: 大坝,建筑,桥梁,玩具,报警,运输
- 工业:吊车,吊架,收割机,起重机,称重系统的倾斜补偿,沥青机.铺路机等。
- 火车:高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量
- 海事:纵倾和横滚控制,油轮控制,天线位置控制。
- 钻井:精确钻井倾斜控制。
- 机械:倾斜控制,大型机械对准控制,弯曲控制,起重机
- 军用:火炮和雷达调整,初始位置控制,导航系统,军用着陆平台控制。
解读词条背后的知识
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微软解释了Surface Duo设备角度传感器带来的独特铰链姿势
本文转自[cnBeta.COM];去年10月,微软发布了运行Android系统的Surface Duo移动设备,全面支持Play Store应用。 Surface Duo配备了两块5.6英寸显示屏,而且它可以展开成8.3英寸的显示屏。360度铰链将允许你在各种模式下使用这款...
2020-07-040
互联网爆点
时时热点,爆品出击,网络事件,爆料爆点
角度传感器的工作原理?光电传感器的工作原理?
角度传感器的工作原理 :角度传感器用来检测角度的。它的身体中有一个孔,可以配合乐高的轴。当连结到rcx上时,轴每转过1/16圈,角度传感器就会计数一次。往一个 方向转动时,计数增加,转动方向改变时,计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时,它的计数值被...
2020-01-040
麦姆斯咨询
麦姆斯咨询与传感科技中国最佳MEMS合作伙伴
Crocus Technology发布行业领先的新款TMR角度传感器
据麦姆斯咨询报道,隧道磁阻(TMR)传感器领先供应商Crocus Technology,近日宣布推出了新款突破性TMR角度(2D)磁传感器CT300,这款器件在宽广的温度和电压范围内都具有极低的角度误差和极高的稳定性,可满足各种市场需求。CT300采用了Crocus...
2018-11-140
钧敏科技
技术开发|方案提供|元器件分销|技术服务
360°角度传感器-TAD2141
产品说明:TAD2141是一种采用TMR(隧道磁阻)技术,一次旋转360度检测的智能角度传感器。 TAD2141包含两个全桥TMR角度传感器和数字信号处理ASIC在一个封装。 该TAD2141是一个预先校准的传感器。 校准参数存储在NVM(非挥发性存储器)中,即OTP(一次...
2020-12-280
电动邦服务
电动邦科技(北京)有限公司
倾斜角度传感器,倾斜角度传感器作用
世界上的万物都会面临“更新迭代”的命运,我们不可以抗拒。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。那接下来就和电动邦小编一起围观倾斜角度传感器吧。倾...
2020-09-020
参考资料
1.

张爱华, 姚海燕. 角度传感器在全位置自动焊接系统中的应用[J]. 计算机测量与控制, 2009, 17(12):2426-2428.

传感器测角度:角度传感器的基本原理及如何利用其简化角度测量

描述
自从人类发明了转轮,我们就希望了解如何通过改变精度提高转轮转动效率。在过去几个世纪,科学家和工程师已经研发了许多方法来实现此目标,期间轮-轴系统的基本原理得到了广泛应用,从汽车、音量旋钮、各种机械形式的齿轮到简陋的手推车,几乎每种机械系统均采用了这一原理。
经过多个时代的探索,人们发现让转轮高效运转的最重要因素并非转轮本身(为何不彻底改造它呢?),而是转轮的轴角。目前测量和优化轴角的最有效方法是采用角度传感器。现有许多种角度传感器都能够通过轮轴监控和改进促进轮周效率优化;但如果配合使用FPGA,您就能够取得非常显著的效果,同时能够提高众多应用中的轮轴/轮周效率。
在详细介绍工程师们如何最佳利用赛灵思FPGA达到上述目的之前,先让我们简单回顾一下角度传感器的部分基本原理。目前得到广泛应用就是编码器和分解器这两类角度传感器。
编码器和分解器的类型
编码器分为增量和绝对两个基本类别。增量编码器可以监控轮轴上的两个位置,并且可以在轮轴每次经过这两个位置时产生A或B脉冲。独立的外部电动计数器然后从这些脉冲解读出转速和旋转方向。虽然适用于众多应用,但是增量式计数器确实存在某些不足。例如,在轮轴停转情况下,增量编码器在开始运行之前必须首先通过调回到某个指定校准点来实现自身校准。另外,增量式计数器易受到电气干扰的影响,导致发送到系统的脉冲不准确,进而造成旋转计数错误。不仅如此,许多增量编码器属于光电器件 – 如果对目标应用有影响,则无法用于辐射危险区域。
图1 – 分解器转子激励
分解器绕组
ROTOR:转子 STATOR:定子
绝对编码器是监控轮轴旋转计数和方向的传感器系统。在基于绝对编码器的系统中,用户一般把转轮连接到具有电触头或光电基准的轮轴。在轮轴运行时,基于绝对编码器的系统会记录旋转和运行方向,同时产生易于转换成代码(最常见的是二进制码或格雷码)的并行数字输出。绝对编码器的优势在于只需要校准一次(一般是在工厂中校准),而无需每次使用前都校准。此外,绝对编码器一般比其它编码器更可靠。不过,绝对编码器一般很昂贵,而且它们不利于进行并行数据传输,尤其是在测量其读数的电子系统距离编码器较远情况下。
分解器就其本身而言是一种旋转变压器——一种输出电压与其所监控的输入轴角唯一关联的模拟器件。它是一款具有0?~360?旋转角度的绝对位置传感器,其直接连接到轮轴并报告转速和位置。分解器与编码器相比有诸多优势。分解器非常稳健可靠,能够经受带有灰尘、油污、极端温度、振动和辐射的严酷环境。作为一种变压器,分解器可以提供信号隔离以及对电气干扰的自然共模抑制。除了这些特性之外,分解器只需要四根线就可进行角数据传输,这使其能够适用于从重工业、微型系统到航空航天工业等各种应用。
无刷分解器得到了进一步改进,其无需与转子的滑环连接。因此,这种分解器更可靠,而且使用寿命更长。
分解器采用两种方式获取与轴角相关的输出电压。在第一种方式中,如图1所示的转子绕组由交变信号激励,而输出来自两个定子绕组。由于定子是以机械方式定位到正确角度,因此输出信号幅度是通过轴角的三角正弦和余弦关联。正弦与余弦信号均具有与原始激励信号相同的相位;仅其幅度随轮轴的旋转通过正弦与余弦进行调制。
图2 – 分解器数字转换器(RDC)方框图
图中文字如下:
ROTOR REFERENCE:转子基准
STATOR INPUTS:定子输入
COSINE MULTIPLIER:余弦乘法器
SINE MULTIPLIER:正弦乘法器
UP /DOWN COUNTER:递增/递减计数器
LATCHES:锁存器
DETECTOR:检测器
ERROR:误差
INTEGRATOR:积分器
VELOCITY:速度
DIGITAL ANGLE:数字角度
WHEN ERROR=0:当误差=0
在第二种方式中,定子绕组由相位正交的交变信号激励。然后在转子绕组中感应电压。绕组的幅度和频率固定,但其相移随轴角变化。
分解器可以放置到需要测量角度的位置[2]。而电子装置一般指的是分解器数字转换器(RDC),可以放置到需要测量数字输出的位置。分解器的模拟输出(含有轮轴角位置信息)然后经RDC转换成数字形式。
典型RDC的功能
一般而言,分解器的两个输出会应用到RDC的正弦与余弦乘法器[3]。这些乘法器结合正弦和余弦查找表以及函数构成乘法数模转换器。图2显示了其功能。
暂且假设开始时递增/递减计数器的当前状态是一个代表试验角度(trial angle)ψ的数值。转换器设法调整数字角度ψ,使其一直等于并跟踪所测量的模拟角度θ。
分解器的定子输出电压为:
V1=V sinωt sinθ 方程1
V2=V sinωt cosθ 方程2
其中θ是分解器转子的角度。数字角度ψ应用到余弦乘法器,其余弦乘以V1得出下式:
V sinωt sinθ cosψ 方程3
数字角度ψ另外还应用到正弦乘法器,乘以V2得出下式:
V sinωt cosθ sinψ 方程4
这两个信号由误差放大器相减求得出波形的误差信号:
(V sinωt sinθcosψ – V sinωt cosθ sinψ) 方程5
V sinωt (sinθ cosψ- cosθ sinψ) 方程6
根据三角恒等式,其简化为:
V sinωt [sin (θ -ψ)] 方程7
图3 – SD-方框图(单信道)
图中文字如下:
REFERENCE CONDITIONER:基准调节器
BIT DETECTOR:位检测器
“S” OPTION SYNTHESIZED REFERENCE:“S”选项综合基准
INPUT OPTION:输入选项
CONTROL TRANSFORMER:控制变压器
GAIN:增益
DEMODULATOR:解调器
HYSTERESIS:滞后
INTEGRATOR:积分器
DC/DC CONVERTER:DC/DC转换器
14/16 BIT UP/DOWN COUNTER:14/16位递增/递减计数器
VCO & TIMING:VCO与时序
DATA LATCHES:数据锁存器
FILTER:滤波器
47μf external capacitor:47μf外部电容
图4 – OSC-基准振荡器方框图
图中文字如下:
QUAD OSCILLATOR:四线组振荡器
检测器采用分解器的转子电压作为基准同步解调此AC误差信号。这会产生与sin (θ -ψ)成正比的DC误差信号。
DC误差信号馈送到积分器,其输出驱动一个由电压控制的振荡器。而VCO会导致递增/递减计数器按正确方向计数,从而在一次计数中产生:
sin (θ -ψ)→0 方程8
当取得此结果,则:
θ -ψ→0 方程9
因此,
θ=ψ 方程10
因此,计数器的数字输出ψ代表着角度θ。锁存器可以在不中断回路跟踪情况下实现此数据向外部的传输。
此电路等效于2型伺服回路,因为它实际上有两个积分器。一个是累计脉冲的计数器;另一个是位于检测器输出端的积分器。在具有恒定旋转速度输入的2型伺服回路中,输出数字字连续跟随或跟踪该输入,而无需外部导出转换。
RDC典型实例:SD-
SD-是数据设备公司(DDC)生产的小型低成本RDC。它有两条具备可编程分辨率控制功能的信道。分辨率编程功能允许选择10、12、14或16位模式[4]。此功能允许低分辨率高速跟踪或者更高分辨率支持更高精度。由于其大小、成本、精度与多功能性,此转换器适用于高性能军用、商用及位置控制系统。
器件的运行需要一个+5V电压。转换器有两个对模拟地为±4V电压范围的速度输出(VEL A、VEL B),可用于替代转速计。为两条信道(/BIT A与/BIT B)提供两个内置测试输出,以指示信号丢失(LOS)。
此转换器由三大部分组成:输入前端、误差处理器和数字接口。前端对于同步器、分解器和直接输入端有所不同。电子Scott-T用于同步器输入,分解器调节器用于分解器输入,而正弦与余弦电压跟随器用于直接输入端。这些放大器可以馈送高精度控制变压器(CT)。CT的另一个输入是16位数字角度ψ,其输出是两个输入之间的模拟误差角度或差分角度。CT采用放大器、交换机、逻辑电路与电容器以查准率执行SINθ COSψ - COSθ SINψ=Sin(θ-ψ)的三角函数计算。
与常规精密电阻器相比,这些电容器按查准率使用,以获得更高精度。另外,这些电容器(与运算放大器一起用作计算元件)进行高速采样,以消除偏移和运算放大器偏差。
DC误差处理进行积分运算,然后得到驱动电压控制振荡器的速度电压。此VCO与速度积分器结合在一起构成递增积分器:一种2型伺服反馈回路。
基准振荡器
我们设计中采用的OSC-功耗振荡器也是DDC公司提供。此器件适用于RDC、同步器、LVDT和感应式传感器应用[5]。频率与振幅输出可以分别由电容器和电阻器编程。输出频率范围介于400Hz~10kHz之间,输出电压为7Vrms。图4显示了器件的方框图。
馈送到分解器和RDC的振荡器输出用作基准信号。
FPGA的I/O电压为3.3V,而RDC的电压为5V。我们采用电压收发器实现两个器件之间的电压兼容。
VIRTEX-5 FX30T FPGA与RDC接口
我们在设计中采用赛灵思Virtex-5 FX30T FPGA [6]。FPGA的I/O电压为3.3V,而RDC的电压为5V。因此我们采用电压收发器来实现这两个器件之间的电压兼容。通过赛灵思提供的GPIO IP核与FPGA建立内部连接,如图5所示。
为了简单起见,图5仅显示一条具有一个分解器接口的信道。您可以在本文件随附的赛灵思开发板描述(XBD)文件找到RDC的引脚详情以及FPGA对应的专用引脚。详情见该文件第一部分。
图5 – RDC与Virtex-5 FPGA的接口(单信道)
图中文字如下:
TRANSCEIVER:收发器
RESOLVER:分解器
REF SIGNAL:基准信号
POWER OSCILLATOR (OSC-):功耗振荡器
SIGNAL CHAIN:信号链
器件驱动程序详细说明
在本例中,FPGA采用20MHz的外部输入时钟。此FPGA具有一个运行频率为200MHz的PowerPC 440硬核。RDC的时序图见图6与图7。
图6 – INHIBIT时序
图7 – ENABLE时序
根据RDC的时序图,我们开发、测试并验证了实际硬件的功能是否正确。器件驱动程序的实际编码包含在单独的XBD文件中。根据时序图,我们生成了用于回路的所需延迟。在200MHz运行速率下进行处理时,每个计数都对应5纳秒的延迟。
器件驱动程序有三部分编码:RDC初始化、控制信号的生成及从RDC信道A的读取、以及控制信号的生成及从RDC信道B的读取。RDC初始化是设置信号方向和缺省值的阶段。例如,利用以下语句,信号方向将设置为从FPGA“输出”到RDC。
XGpio_WriteReg(XPAR_RESOLUTION_CNTRL_CH_A_
BASEADDR,XGPIO_TRI_OFFSET,0x000);
下一个语句通过写入“0x3”来设置16位分辨率(即:拉高):
XGpio_WriteReg(XPAR_RESOLUTION_CNTRL_CH_A_
BASEADDR,XGPIO_DATA_OFFSET,0x03);
我们已经看到,角度传感器可以帮助工程师创造更好的转轮,进而设计出众多更高效的机械装置。分解器是一种尤为有用的角度传感器,只要能够与FPGA正确配合和控制,其就能够帮助工程师打造出无与伦比的机械装置。
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