基于DSP的光電編碼器旋轉(zhuǎn)變壓器精檢測(cè)

1、精度檢測(cè)卡文件狀態(tài)草稿文件 正式文件 更改正式文件文件標(biāo)識(shí)：當(dāng)前版本：V1.0作者張國(guó)鑫完成日期2013-4-17修改記錄版本日期修改人改動(dòng)涉及部分或頁(yè)碼改動(dòng)內(nèi)容目 錄1、設(shè)計(jì)目標(biāo)12、機(jī)械結(jié)構(gòu)及安裝22.1、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)及安裝2、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)2、旋轉(zhuǎn)變壓器輸出方式4、旋轉(zhuǎn)變壓器的安裝及誤差42.2、光電編碼器的結(jié)構(gòu)及安裝5、光電編碼器的結(jié)構(gòu)5、光電編碼器的安裝62.3、精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)安裝方式63、信號(hào)接口83.1、旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)線接口83.2、光電編碼器信號(hào)線接口103.3、LCD顯示接口114、硬件設(shè)計(jì)124.1、DSP資源分配124.2、原理圖12、光電編碼器部分12、旋變解碼芯片

2、部分13、顯示部分13、DSP芯片原理圖144.3、PCB制版154.4、硬件實(shí)物圖165、軟件設(shè)計(jì)175.1、算法原理175.2、算法流程圖185.3、時(shí)序圖19、LCD模塊時(shí)序圖19、旋變解碼芯片時(shí)序圖19、光電編碼器時(shí)序圖20、精度檢測(cè)流程圖216、實(shí)驗(yàn)調(diào)試226.1、顯示模塊調(diào)試226.2、光電編碼器調(diào)試266.3、旋變角度采樣調(diào)試32、讀寫(xiě)調(diào)試32、激勵(lì)信號(hào)33、旋變角度346.4、精度檢測(cè)調(diào)試37、不同轉(zhuǎn)速下的最大誤差37、單次最大誤差研究41、定轉(zhuǎn)速下誤差研究42、檢測(cè)頻率及顯示頻率447、討論事項(xiàng)457.1、硬件方面：457.2、軟件方面：457.3、設(shè)計(jì)方面：458、改進(jìn)及優(yōu)

3、化461、設(shè)計(jì)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)變壓器精度檢測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于潛油項(xiàng)目，目的在于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)變壓器在電機(jī)上安裝的精度并予以顯示。根據(jù)需要，本次設(shè)計(jì)采用ADI公司的AD2S1210旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為：旋變解碼芯片）和TI的DSP28069來(lái)實(shí)現(xiàn)旋變解碼和精度檢測(cè)的功能。其中旋變解碼器將絕對(duì)式角度信號(hào)通過(guò)SPI通訊方式發(fā)送至DSP，光電編碼器將增量式角度信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片后發(fā)送至DSP。精度檢測(cè)的方法是以光電編碼器為基準(zhǔn)，將光電編碼器采樣的數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片得到的數(shù)據(jù)做差，認(rèn)為得到的差值就是旋轉(zhuǎn)變壓器的精度。最后將精度通過(guò)LCD顯示。2、機(jī)械結(jié)構(gòu)及安裝2.1、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)及安裝、旋轉(zhuǎn)變壓器

4、的結(jié)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)子電信號(hào)引進(jìn)、引出的方式，分為有刷旋轉(zhuǎn)變壓器（如圖2-1）和無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器（如圖2-2）。有刷點(diǎn)擊的轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)滑環(huán)和電刷直接引出，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動(dòng)接觸的，所以旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命也較短。圖 2-1有刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖圖 2-2 無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖目前無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種稱(chēng)作環(huán)形變壓器式無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器，另一種稱(chēng)作磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器。（1）環(huán)形變壓器式無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器（如圖2-3）環(huán)形變壓器式無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上和有刷旋轉(zhuǎn)變壓器一樣。它的一個(gè)繞組在定子上，一個(gè)在轉(zhuǎn)子上，同心放置。轉(zhuǎn)子上的環(huán)形變壓器繞組和作信號(hào)變換的轉(zhuǎn)子繞組相聯(lián)，它

5、的電信號(hào)的輸入輸出由環(huán)形變壓器完成。圖2-3無(wú)刷式旋轉(zhuǎn)變壓器（2）磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器（如圖2-4）磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組和輸出繞組放在同一套定子槽內(nèi)，固定不動(dòng)。但勵(lì)磁繞組和輸出繞組的形式不一樣。兩相繞組的輸出信號(hào)，仍然應(yīng)該是隨轉(zhuǎn)角作正弦變化、彼此相差90度電角度的電信號(hào)。圖2-4 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器（3）多極旋轉(zhuǎn)變壓器（如圖2-5）圖2-5是共磁路結(jié)構(gòu)，粗、精機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組公用一套鐵心。粗機(jī)，是指單對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)變壓器，精度低；精機(jī)，是指多對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)變壓器，精度高。圖2-5多極旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意、旋轉(zhuǎn)變壓器輸出方式根據(jù)信號(hào)輸出的方式，分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器、特種函數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器。1

6、）正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在定子槽中分別布置有兩個(gè)空間互成90°的繞組，一個(gè)是定子激磁繞組，一個(gè)為定子交軸繞組(補(bǔ)償)，兩套繞組的結(jié)構(gòu)是完全相同的。 在轉(zhuǎn)子槽中也分別布置有兩個(gè)空間互成90°的繞組，一個(gè)正弦輸出繞組，一個(gè)余弦輸出繞組，兩套繞組的結(jié)構(gòu)是完全相同的。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系。2）線性旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓與轉(zhuǎn)角成正比的旋轉(zhuǎn)變壓器叫做線性旋轉(zhuǎn)變壓器。3）特種函數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器特種函數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器就是輸出電壓與旋轉(zhuǎn)角度成特殊函數(shù)關(guān)系，該種變壓器通用性小。2.1.3、旋轉(zhuǎn)變壓器的安裝及誤差 旋轉(zhuǎn)變壓器的安裝可以分為兩種：（1）旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在

7、機(jī)殼內(nèi)優(yōu)點(diǎn)是：可以縮短電機(jī)和旋變的總長(zhǎng)度；缺點(diǎn)是：因電機(jī)漏磁易引起溫升；同時(shí)，也不易于產(chǎn)品維護(hù)。（2）旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在機(jī)殼外優(yōu)點(diǎn)是：不易受電機(jī)溫升和電磁干擾影響；同時(shí)，也比較便于維護(hù)；缺點(diǎn)是：延長(zhǎng)了電機(jī)主體長(zhǎng)度。旋轉(zhuǎn)變壓器的安裝誤差一般可分為三種：（1）徑向跳動(dòng)圖 2-6 徑向跳動(dòng)誤差應(yīng)在0.03mm以?xún)?nèi)。（2）垂直度圖 2-7 垂直度誤差應(yīng)在0.03mm以?xún)?nèi)。（3）軸向調(diào)整圖 2-8 軸向調(diào)整軸向間隙誤差應(yīng)在±0.25mm以?xún)?nèi)。2.2、光電編碼器的結(jié)構(gòu)及安裝、光電編碼器的結(jié)構(gòu)增量式光電編碼器主要由光源、碼盤(pán)（如圖2-9）、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成（如圖2-10）。圖 2

8、 -9 光電編碼器碼盤(pán)圖2-10 光電編碼器結(jié)構(gòu)碼盤(pán)上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期；檢測(cè)光柵上刻有A、B 兩組與碼盤(pán)相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過(guò)或阻擋光源和光電檢測(cè)器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤(pán)上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯(cuò)開(kāi)1/4 節(jié)距，使得光電檢測(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差90°電度角。當(dāng)碼盤(pán)隨著被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)光柵不動(dòng)，光線透過(guò)碼盤(pán)和檢測(cè)光柵上的透過(guò)縫隙照射到光電檢測(cè)器件上，光電檢測(cè)器件就輸出兩組相位相差90°電度角的近似于正弦波的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)處理，可以得到被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。、光電編碼器的安裝光電編

9、碼器安裝在主軸，與鋼輥同步，即鋼輥轉(zhuǎn)動(dòng)一周，光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)一周。要求轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)無(wú)震動(dòng)，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)不打滑。安裝同旋轉(zhuǎn)變壓器。2.3、精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹多摩川的TS2640N321E64是一種新型無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器。作為旋變它們具有固定特征，無(wú)刷設(shè)計(jì)，對(duì)噪聲、振動(dòng)、撞擊和高溫不敏感。旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)屬于環(huán)形變壓器式，輸出方式是正余弦。旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在電機(jī)的尾軸，在機(jī)殼外面。（圖2-11，圖2-12）圖 2-11 多摩川的旋轉(zhuǎn)變壓器圖 2-12 多摩川的旋轉(zhuǎn)變壓器輸入電壓/頻率光電編碼器是美國(guó)DYNAPAR公司的，精度是13位，即8192 PPR（脈沖數(shù)每轉(zhuǎn)）。通過(guò)一個(gè)軸套安裝在輸出軸。通過(guò)支架固定在電

10、機(jī)上。如圖2-13：圖 2-13 實(shí)驗(yàn)中編碼器安裝實(shí)物圖3、信號(hào)接口3.1、旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)線接口旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼芯片用的是ADI公司的AD2S1210。主要功能和特點(diǎn)是：l 最大跟蹤速率：3125rps l 精度：-2.5弧分-+2.5弧分l 分辨率：10/12/14/16可選l 可選的并行端口和串行端口l 絕對(duì)的位置輸出和角度輸出l 仿真增量AB相輸出l 兼容DSP的SPI接口具體引腳以及跟DSP連接情況見(jiàn)表3-1表 3-1旋變解碼芯片引腳功能及與DSP連線引腳名稱(chēng)I/O功能描述備注1、48RES0、RES1I分辨率選擇、邏輯輸入。對(duì)AD2S1210分辨率進(jìn)行編程硬件拉高2/CSI片選、低電

11、平有效，保持低電平時(shí)，器件使能。DSP I/O3/RDI邊沿觸發(fā)的邏輯輸入、/SOE引腳為高電平時(shí)，該引腳用作并行輸出D15D0的幀同步信號(hào)和輸出使能信號(hào)。/CS和/RD保持低電平時(shí)、輸出緩沖期使能。/SOE引腳為低電平時(shí)，/RD引腳應(yīng)保持高電平硬件拉高4/WR、/FSYNCI邊沿觸發(fā)的邏輯輸入、/SOE引腳為高電平時(shí)，該引腳用作并行輸入D7D0的幀同步信號(hào)和輸入使能信號(hào)。/CS和/WR、/FSYNC保持低電平時(shí)、輸入緩沖期使能。/SOE引腳為低電平時(shí)，該引腳用作串行數(shù)據(jù)總線的幀同步信號(hào)和使能信號(hào)。DSP I/O5、19DGND數(shù)字地?cái)?shù)字地6DVDD數(shù)字電源電壓，接5V電源7CLKINI時(shí)鐘輸

12、入，AD2S1210的額定輸入頻率范圍為6.144 MHz到10.24 MHz晶振8XTALOUTO晶振輸出9/SOEI串行輸出使能、邏輯輸入。/SOE低電平時(shí)，為串行輸出、/SOE高電平時(shí)，為并行輸出硬件拉低10/SAMPLEI采樣結(jié)果，邏輯輸入。/SAMPLE信號(hào)有高電平至低電平的轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)從位置和速度積分器傳送到位置和速度寄存器。故障寄存器也會(huì)進(jìn)行更新。DSP I/O11DB15、SDOO/SOE引腳為高電平時(shí)，該引腳用做DB15。/SOE引腳為低電平時(shí)，該引腳用做SDO。在SCLK的各個(gè)上升沿輸出數(shù)據(jù)。SDO12DB14、SDII/O/SOE引腳為高電平時(shí)，該引腳用做DB14。/SO

13、E引腳為低電平時(shí)，該引腳用做SDI。在SCLK的各個(gè)下降沿輸入數(shù)據(jù)。SDI13DB13、SCLKI/O并行模式下，該引腳用作DB13，串行模式下，該引腳用做SCLK，用做串行時(shí)鐘輸入。SCLK14 17DB12 DB9O數(shù)據(jù)輸出引腳硬件拉高18VDRIVEI邏輯電源輸入，此引腳的電源電壓決定邏輯接口的工作電壓，對(duì)此引腳去耦接至DGND。電壓范圍為2.35.25V接3.3V20DB8O數(shù)據(jù)輸出引腳硬件拉高21 28DB7 DB0I/O由/CS、/RD、/WR、/FSYNC引腳控制數(shù)據(jù)輸入輸出硬件拉高29AO增量式編碼器仿真輸出ADSP I/O30BO增量式編碼器仿真輸出BDSP I/O31NMO

14、North Marker增量式仿真輸出32DIRO邏輯輸出，DIR輸出指示輸入旋轉(zhuǎn)的方向，旋轉(zhuǎn)角度不斷增大時(shí)，為高電平33/RESETI復(fù)位，邏輯輸入。需要復(fù)位芯片。接復(fù)位芯片34LOTO跟蹤丟失，邏輯輸出35DOSO信號(hào)降級(jí)、當(dāng)旋變輸入超過(guò)規(guī)定的DOS正弦、余弦閥值時(shí)，或當(dāng)正弦輸入電壓與余弦輸入電壓失配時(shí)，就會(huì)檢測(cè)到信號(hào)降級(jí)。DOS引腳為低電平。36A1I選擇模式DSP I/O37A0I選擇模式DSP I/O38EXCO激勵(lì)頻率、片上振蕩器向旋變提供正弦波激勵(lì)信號(hào)（EXC）及互補(bǔ)信號(hào)（/EXC）39/EXCO互補(bǔ)激勵(lì)信號(hào)40AGND模擬地模擬地41SINI差分對(duì)SIN/SINLO的正模擬輸入

15、42SINLOI差分對(duì)SIN/SINLO的負(fù)模擬輸入43AVDD模擬電源模擬電源44COSLOI差分對(duì)COS/COSLO的負(fù)模擬輸入45COSI差分對(duì)COS/COSLO的正模擬輸入46REFBYP基準(zhǔn)電壓旁路47REFOUT基準(zhǔn)電壓輸出旋轉(zhuǎn)變壓器輸出線（圖 3-1）（表3-2）：圖 3-1表3-2PINFUNCTIONCable Wire Color1EXCYellow/White2/EXCRed/White3COSLORed4COSBlack5SINLOYellow6SINBlue連線為：旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片AD2S1210的EXC和EXC引腳通過(guò)一個(gè)緩沖電路連接旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵(lì)輸入端，旋轉(zhuǎn)變

16、壓器的正余弦信號(hào)輸出端分別連接到旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片AD2S1210的SINLO、SIN、COSLO、COS引腳。3.2、光電編碼器信號(hào)線接口光電編碼器的輸出線一共16根，見(jiàn)表3-3：表 3-3 光電編碼器輸出線PINFUNCTIONCable Wire Color1VCCRed2UBrown3GNDBlack4VGray5ABlue6WWhite7A-Blue/Black8NONENONE9BGreen10U-Brown/Black11B-Green/Black12V-Gray/Black13ZViolet14W-White/Black15Z-Violet/Black16NONENONE其中電

17、源線連接到DSP控制板的電源接口，A、A-通過(guò)光耦HCPL0630再通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片連接到DSP的EQep1_A引腳。B、B-通過(guò)光耦HCPL0630再通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片連接到DSP的EQep1_B引腳。3.3、LCD顯示接口LCD的引腳見(jiàn)表3-4表 3-4 LCD12864引腳說(shuō)明引腳號(hào)引腳名稱(chēng)方向功能說(shuō)明1GND -模塊的電源地2VCC-模塊的電源正端3V0-LCD 驅(qū)動(dòng)電壓輸入端4RS(CS)H/L并行的指令/數(shù)據(jù)選擇信號(hào)；串行的片選信號(hào)5R/W(SID)H/L并行的讀寫(xiě)選擇信號(hào)；串行的數(shù)據(jù)口6E(CLK)H/L并行的使能信號(hào)；串行的同步時(shí)鐘7DB0H/L數(shù)據(jù)08DB1H/L數(shù)據(jù)19DB2

18、H/L數(shù)據(jù)210DB3H/L數(shù)據(jù)311DB4H/L數(shù)據(jù)412DB5H/L數(shù)據(jù)513DB6H/L數(shù)據(jù)614DB7H/L數(shù)據(jù)715PSBH/L并/串行接口選擇：H-并行；L-串行16NC空腳17/RST H/L復(fù)位，低電平有效18VOUT-倍壓輸出腳 （VDD=+3.3V 有效）19LED_A-背光源正極（LED+3V）20LED_K-背光源負(fù)極（LED-OV）4、硬件設(shè)計(jì)4.1、DSP資源分配DSP28069資源：（具體參數(shù)見(jiàn)芯片DATASHEET和資源分配表）l 共58個(gè)復(fù)用GPIO口；l 兩路SPI；l 兩路EQEP；l 16路AD采樣通道；l 12路EPWM輸出口；l 一路CAN總線；l

19、一路SCI；l 一路IIC；需求：l 旋變解碼芯片需要一路SPI和7個(gè)普通PGIO口；l 光電編碼器需要一路EQEP；l LCD顯示模塊需要用到11個(gè)普通GPIO口；l 開(kāi)關(guān)輸入量需要2個(gè)GPIO口。此次實(shí)驗(yàn)將DSP的SPIA模塊以及7個(gè)普通GPIO口用于轉(zhuǎn)變解碼芯片AD2S1210；DSP的EQEP1模塊用于光電編碼器；11個(gè)普通GPIO口用于LCD顯示模塊。2個(gè)普通GPIO口用于開(kāi)關(guān)量輸入。除去以上開(kāi)銷(xiāo)，DSP還剩下16個(gè)普通GPIO口、一個(gè)SPI模塊、一個(gè)EQEP模塊?？梢杂糜诰葯z測(cè)卡的擴(kuò)展。4.2、原理圖、光電編碼器部分圖4-1 光電編碼器部分電路如圖4-1所示，最左邊的是標(biāo)定卡接口

20、，通過(guò)該接口輸入A+、A-、B+、B-、C+、C-三組信號(hào)，這三組信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦HCPL0630，再將5V的信號(hào)送入電平轉(zhuǎn)換芯片。有電平轉(zhuǎn)換芯片將5V的信號(hào)降壓成3.3V的信號(hào)，然后將信號(hào)送至DSP。、旋變解碼芯片部分圖 4-2旋變解碼芯片部分的電路圖 4-3 激勵(lì)信號(hào)緩沖電路將旋變解碼芯片產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)通過(guò)一個(gè)緩沖電路（圖 4-3）送至旋轉(zhuǎn)變壓器，然后將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正余弦信號(hào)送回至旋變解碼芯片AD2S1210。旋變解碼芯片通過(guò)對(duì)輸入得到的正余弦信號(hào)，計(jì)算出電機(jī)主軸當(dāng)前的絕對(duì)角度及電機(jī)的轉(zhuǎn)速。然后將角度和轉(zhuǎn)速通過(guò)SPI通訊送至DSP。、顯示部分圖 4-4 LCD預(yù)留GPIO口DSP留出11個(gè)

21、普通GPIO口供LCD使用，其中8路為并口數(shù)據(jù)線，3路為控制信號(hào)。具體原理圖參見(jiàn)項(xiàng)目工程文件。、DSP芯片原理圖圖 4-5 DSP28069芯片原理圖圖 4-6 精度檢測(cè)卡原理圖圖4-6 為精度檢測(cè)卡的全部原理圖，當(dāng)初設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮到用LED數(shù)碼管顯示精度，由于考慮到DSP的另外一個(gè)SPI模塊可能用于其他編碼器或外設(shè)模塊（例：手操器），所以用DSP的16個(gè)GPIO來(lái)控制8個(gè)LED數(shù)碼管的顯示。該種方法編程比較繁瑣，可顯示的內(nèi)容有限，后選擇用LCD來(lái)代替顯示部分。4.3、PCB制版圖 4-7 PCB正面圖 4-8 PCB反面圖 4-7和圖 4-8為PCB板的正面和反面3D模擬圖。PCB布局具體參

22、數(shù)為：l PCB設(shè)計(jì)為2層板；l DSP部分的信號(hào)線走線寬度為10mil；l 旋變解碼芯片部分的信號(hào)走線寬度為20mil；l 電源線走線寬度為40mil；l 信號(hào)線走線過(guò)孔最小為：內(nèi)徑10mil，直徑20mil；l 電源線走線過(guò)孔最小為：內(nèi)徑20mil，直徑50mil；l 模擬電路和數(shù)字電路分開(kāi)；l 除了DSP芯片管腳附近的走線間距為0.25mm，所有信號(hào)線走線間距在15mil以上。4.4、硬件實(shí)物圖5V供電接口旋變12V供電光電編碼器接口數(shù)碼管顯示旋轉(zhuǎn)變壓器接口JTAG接口LCD接口圖 4-9 實(shí)物圖5、軟件設(shè)計(jì)5.1、算法原理首先分別求得光電編碼器當(dāng)前的角度讀數(shù)和旋轉(zhuǎn)變壓器當(dāng)前的角度讀數(shù)，

23、然后求得光電編碼器當(dāng)前角度和前一刻角度的差值= - 以及旋轉(zhuǎn)變壓器當(dāng)前的角度和前一刻角度的差值= - 。接著將每次求得的差值求和： = +，= + 。最后將光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器的差值累加值相減就是誤差值。ERROR = 。5.2、算法流程圖開(kāi)始旋轉(zhuǎn)變壓器故障檢測(cè)是否存在故障是讀旋轉(zhuǎn)變壓器當(dāng)前角度讀光電編碼器當(dāng)前角度計(jì)算光電編碼器角度差值= > 0 ?否否= > 32768 ?是是= 65536 = + 否計(jì)算旋轉(zhuǎn)變壓器角度差值= > 0 ?否= > 32768 ?是是= 65536 = + 否Num = Num + 1Num > 16 ?Err = - 否是Er

24、r < 0 ?Err = ErrErr> Err_N?Err_N = ErrErr> Err_P?Err_P = ErrErr_PP = Err_N + Err_P否否否是是 = 0= 0更新角度=更新角度= 5.3、時(shí)序圖、LCD模塊時(shí)序圖LCD顯示器的型號(hào)是LCM12864R。具體功能如下：l 可以顯示漢字及圖形；l 內(nèi)置8192 個(gè)漢字（16 * 16 點(diǎn)陣）；l 128個(gè)字符（8 * 16 點(diǎn)陣）；l 64 * 256 點(diǎn)陣顯示RAM；l 配置LED 背光；l 具有光標(biāo)顯示、畫(huà)面移位、自定義字符、睡眠模式等功能。該LCD的通訊方式有：8 位或4 位并行以及3 位串行。

25、這次實(shí)驗(yàn)用到的是8 位并行。時(shí)序圖如下：圖 5-1 并口通訊模式寫(xiě)入時(shí)序圖圖 5-2并口通訊模式讀數(shù)時(shí)序圖對(duì)于LCD操作，可以將相應(yīng)的地址和數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD，也可以將之前寫(xiě)入的數(shù)據(jù)讀出來(lái)。但對(duì)于這次的精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，只需要將檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD并顯示即可，只需要簡(jiǎn)單的配置LCD，然后將地址和數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD，用不到回讀操作。從寫(xiě)入時(shí)序圖中看出，對(duì)于寫(xiě)入操作R/W信號(hào)可以持續(xù)保持拉低狀態(tài)。RS信號(hào)：當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)拉高，發(fā)送指令時(shí)拉低。使能信號(hào)為一個(gè)有效的下降沿。數(shù)據(jù)信號(hào)為八個(gè)GPIO口同時(shí)輸出。、旋變解碼芯片時(shí)序圖實(shí)驗(yàn)用的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片是ADI公司的AD2S1210，該芯片的最大跟蹤速

26、率3125RPS，分辨率為10/12/14/16，由用戶設(shè)置。時(shí)序圖如下：圖 5-3 串口通訊模式寫(xiě)入時(shí)序圖圖 5-4 串口通訊模式讀數(shù)時(shí)序圖時(shí)序圖中A0、A1為工作模式的設(shè)定，如圖6-13：圖 6-13 配置模式設(shè)置l /CS為片選信號(hào)，根據(jù)時(shí)序圖，片選信號(hào)可以一直保持低電平。l WR/FSYNC信號(hào)為低電平寫(xiě)入有效信號(hào)。、光電編碼器時(shí)序圖實(shí)驗(yàn)用的光電編碼器是美國(guó)DYNAPAR公司的，精度是13位的，即8192PPR。光電編碼器模塊，硬件電路連接對(duì)了，配置好相應(yīng)的寄存器，然后將讀數(shù)從相應(yīng)的寄存器中讀數(shù)來(lái)就可以了。EQEP模塊采集的是脈沖的上升沿、下降沿，也就是對(duì)脈沖4倍頻。所以電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈的

27、精度是215，即32768。脈沖計(jì)數(shù)時(shí)序圖如下：圖 5-5 光電編碼器計(jì)數(shù)時(shí)序圖時(shí)序圖中，PHASEA和PHASEB為光電編碼器發(fā)送的脈沖，COUNT和UP/DN信號(hào)實(shí)際上是不存在的，它是DSP根據(jù)PHASEA和PHASEB信號(hào)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果。COUNT信號(hào)表示當(dāng)PHASEA信號(hào)超前PHASEB信號(hào)90度時(shí)（即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)），DSP每檢測(cè)到一個(gè)脈沖的上升沿或下降沿將計(jì)數(shù)增加1，當(dāng)PHASEA信號(hào)落后PHASEB信號(hào)90度時(shí)（即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)），DSP每檢測(cè)到一個(gè)脈沖的上升沿或下降沿將計(jì)數(shù)減少1。UP/DN信號(hào)表示當(dāng)PHASEA信號(hào)超前PHASEB信號(hào)90度時(shí)（即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）為高電平，當(dāng)PHASEA信

28、號(hào)落后PHASEB信號(hào)90度時(shí)（即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）為低電平。5.3.4、精度檢測(cè)流程圖開(kāi)始系統(tǒng)初始化、GPIO口初始化、中斷初始化、定時(shí)器初始化上電等待1秒EQep模塊初始化、旋變模塊初始化、LCD顯示模塊初始化顯示歡迎界面定時(shí)器開(kāi)等待中斷定時(shí)器中斷1采樣及精度處理定時(shí)器中斷2顯示精度6、實(shí)驗(yàn)調(diào)試6.1、顯示模塊調(diào)試、LCD12864讀寫(xiě)調(diào)試LCD12864寫(xiě)時(shí)序圖：數(shù)據(jù)R/W信號(hào)使能信號(hào)RS信號(hào)圖 6-1寫(xiě)入時(shí)序圖圖中：l RS信號(hào)為數(shù)據(jù)/指令信號(hào)：高電平表示該狀態(tài)下寫(xiě)入LCD的為數(shù)據(jù)，低電平表示該狀態(tài)下寫(xiě)入LCD的為指令。l R/W信號(hào)為讀/寫(xiě)信號(hào)：高電平表示該狀態(tài)下為讀數(shù)據(jù)，低電平表示該狀態(tài)

29、下為寫(xiě)數(shù)據(jù)。l 使能信號(hào)：LCD檢測(cè)到使能信號(hào)的下降沿，便將數(shù)據(jù)/指令讀入/輸出。l 數(shù)據(jù)信號(hào)表示GPIO口輸出或讀入的數(shù)據(jù)：高電平表示邏輯，低電平表示邏輯。LCD12864讀時(shí)序圖：數(shù)據(jù)使能信號(hào)RS信號(hào)R/W信號(hào)圖 6-2 寫(xiě)入時(shí)序圖圖中：l RS信號(hào)為數(shù)據(jù)/指令信號(hào)：高電平表示該狀態(tài)下寫(xiě)入LCD的為數(shù)據(jù)，低電平表示該狀態(tài)下寫(xiě)入LCD的為指令。l R/W信號(hào)為讀/寫(xiě)信號(hào)：高電平表示該狀態(tài)下為讀數(shù)據(jù)，低電平表示該狀態(tài)下為寫(xiě)數(shù)據(jù)。l 使能信號(hào)：LCD檢測(cè)到使能信號(hào)的下降沿，便將數(shù)據(jù)/指令讀入/輸出。l 數(shù)據(jù)信號(hào)表示GPIO口輸出或讀入的數(shù)據(jù)：高電平表示邏輯，低電平表示邏輯。、顯示效果顯示效果截圖

30、：圖 6-3 漢字顯示 圖 6-4 英文顯示圖 6-5 英文和數(shù)字顯示6.2、光電編碼器調(diào)試不同轉(zhuǎn)速下的脈沖波形和角度波形：角度輸出Phase-BPhase-A圖 6-6 當(dāng)轉(zhuǎn)速為100RPM時(shí)的脈沖及角度波形正轉(zhuǎn)光電編碼器為8192PPR，從圖中可以計(jì)算出一個(gè)脈沖的周期為68個(gè)us，一分鐘約為882352個(gè)脈沖數(shù)，一圈8192個(gè)脈沖，那么一共是107轉(zhuǎn)。跟轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)每分鐘幾乎一樣。圖中一個(gè)角度周期為1.2秒，DSP采集脈沖的上升沿和下降沿，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周一共采集脈沖數(shù)為8192 * 4 = 32768 。DA卡為16位的，一周為65536，所以一周相當(dāng)于轉(zhuǎn)動(dòng)2周，一周0.6秒，轉(zhuǎn)速正好為10

31、0轉(zhuǎn)。圖 6-7 當(dāng)轉(zhuǎn)速為100RPM時(shí)的脈沖及角度波形反轉(zhuǎn)圖 6-8 當(dāng)轉(zhuǎn)速為500RPM時(shí)的脈沖及角度波形正轉(zhuǎn)圖 6-9 當(dāng)轉(zhuǎn)速為500RPM時(shí)的脈沖及角度波形反轉(zhuǎn)圖 6-10 當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000RPM時(shí)的脈沖及角度波形正轉(zhuǎn)圖 6-11 當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000RPM時(shí)的脈沖及角度波形反轉(zhuǎn)圖 6-12 當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500RPM時(shí)的脈沖及角度波形正轉(zhuǎn)圖 6-13 當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500RPM時(shí)的脈沖及角度波形反轉(zhuǎn)從以上截圖可以驗(yàn)證光電編碼器器件無(wú)故障，數(shù)據(jù)采集及角度輸出正確。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，以及在不同轉(zhuǎn)速下，光電編碼器和數(shù)據(jù)采集、角度顯示都正確無(wú)誤。6.3、旋變角度采樣調(diào)試實(shí)驗(yàn)用的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片是ADI

32、公司的AD2S1210，該芯片的最大跟蹤速率3125RPS，分辨率為10/12/14/16，由用戶設(shè)置。實(shí)驗(yàn)用的是16位分辨率。、讀寫(xiě)調(diào)試旋變解碼芯片通訊圖：寫(xiě)入數(shù)據(jù)讀出數(shù)據(jù)CLKWR/FSYNC圖 6-14 發(fā)送數(shù)據(jù)截圖圖中：l 讀出數(shù)據(jù)為DSP通過(guò)SPI接收到的數(shù)據(jù)；l 寫(xiě)入數(shù)據(jù)為DSP通過(guò)SPI發(fā)送的數(shù)據(jù)；l CLK為SPI的發(fā)送時(shí)鐘，當(dāng)前模式為每次發(fā)送位數(shù)據(jù)；l R/FSYNC為邊沿觸發(fā)邏輯信號(hào)，每個(gè)下降沿為串行數(shù)據(jù)同步信號(hào)。、激勵(lì)信號(hào) 旋變輸出激勵(lì)信號(hào)及輸入正余弦信號(hào)如圖：正弦余弦信號(hào)激勵(lì)信號(hào)圖6-15 旋變輸出激勵(lì)信號(hào)及輸入正余弦信號(hào)從圖中可以看出，這些信號(hào)的頻率為10KHz，上電

33、默認(rèn)的頻率。當(dāng)分辨率為16位時(shí)，旋變解碼芯片可提供的激勵(lì)頻率為2KHz10KHz，現(xiàn)將頻率設(shè)置為5KHz。如圖：圖6-16 旋變輸出激勵(lì)信號(hào)及輸入正余弦信號(hào)從圖中可以看出激勵(lì)信號(hào)的頻率為5Khz，可以驗(yàn)證寫(xiě)入數(shù)據(jù)正確。、旋變角度 圖 6-17旋變輸出角度100RPM正轉(zhuǎn)圖 6-18旋變輸出角度100RPM反轉(zhuǎn)圖 6-19旋變輸出角度500RPM正轉(zhuǎn)圖 6-20旋變輸出角度500RPM反轉(zhuǎn)圖 6-21旋變輸出角度1000RPM正轉(zhuǎn)圖 6-22旋變輸出角度1000RPM反轉(zhuǎn)圖 6-23旋變輸出角度1500RPM正轉(zhuǎn) 圖 6-24旋變輸出角度1500RPM反轉(zhuǎn)從上面幾張圖中可以驗(yàn)證，電機(jī)轉(zhuǎn)速與示波器

34、實(shí)測(cè)頻率相同。所以驗(yàn)證轉(zhuǎn)速上讀正確。6.4、精度檢測(cè)調(diào)試、不同轉(zhuǎn)速下的誤差精度誤差的計(jì)算方法是分別將旋變和光電走過(guò)的單位角度累加，然后相減得出誤差值通過(guò)DA卡輸出。圖 6-25電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電源噪聲AC值圖 6-26電機(jī)500轉(zhuǎn)下的電源噪聲AC值通過(guò)上面兩張截圖，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的噪聲PP值為25毫伏，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，噪聲為47毫伏。圖 6-27 誤差輸出（100轉(zhuǎn))圖 6-28 誤差輸出（500轉(zhuǎn)) 圖 6-29 誤差輸出（1000轉(zhuǎn))從以上幾張截圖中，發(fā)現(xiàn)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下輸出誤差幾乎沒(méi)有變化，原因?yàn)檎`差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于噪聲幅值。為了明顯地顯示誤差的波動(dòng)范圍，將誤差放大600倍。圖 6-30 誤

35、差輸出（10轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)）圖 6-31 誤差輸出（50轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)）圖 6-32 誤差輸出（100轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)）圖 6-33 誤差輸出（500轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)）圖 6-34 誤差輸出（1000轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)）圖 6-35 誤差輸出（1500轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)）圖 6-36 誤差輸出（10轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)）圖 6-37 誤差輸出（50轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)）圖 6-38 誤差輸出（100轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)）圖 6-39 誤差輸出（500轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)）圖 6-40 誤差輸出（1000轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)）圖 6-41 誤差輸出（1500轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)）表6-1 誤差輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速（RPM）正轉(zhuǎn)PP值（V）反轉(zhuǎn)PP值（V）103.53.5504.85.21006.06.05005.04.410006.76.815003.