利用FPGA和分解器數字轉換器簡(jiǎn)化角度測量

　　1 編碼器和分解器的類(lèi)型

　　編碼器分為增量和絕對兩個(gè)基本類(lèi)別。增量編碼器可以監控輪軸上的兩個(gè)位置，可以在輪軸每次經(jīng)過(guò)這兩個(gè)位置時(shí)產(chǎn)生A或B脈沖。獨立的外部電動(dòng)計數器然后從這些脈沖解讀出轉速和旋轉方向。雖然適用于眾多應用，但是增量式計數器確實(shí)存在某些不足。例如，在輪軸停轉情況下，增量編碼器在開(kāi)始運行之前必須首先通過(guò)調回到某個(gè)指定校準點(diǎn)來(lái)實(shí)現自身校準。另外，增量式計數器易受到電氣干擾的影響，導致發(fā)送到系統的脈沖不準確，進(jìn)而造成旋轉計數錯誤。不僅如此，許多增量編碼器屬于光電器件，如果對目標應用有影響，則無(wú)法用于輻射危險區域。

　　絕對編碼器是監控輪軸旋轉計數和方向的傳感器系統。在基于絕對編碼器的系統中，用戶(hù)一般把轉輪連接到具有電觸頭或光電基準的輪軸。在輪軸運行時(shí)，基于絕對編碼器的系統會(huì )記錄旋轉和運行方向，同時(shí)產(chǎn)生易于轉換成代碼(最常見(jiàn)的是二進(jìn)制碼或格雷碼)的并行數字輸出。絕對編碼器的優(yōu)勢在于只需要校準一次(一般是在工廠(chǎng)中校準)，而無(wú)需每次使用前都校準。此外，絕對編碼器一般比其它編碼器更可靠。不過(guò)，絕對編碼器一般很昂貴，而且它們不利于進(jìn)行并行數據傳輸，尤其是在測量其讀數的電子系統距離編碼器較遠情況下。

　　分解器就其本身而言是一種旋轉變壓器——一種輸出電壓與其所監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°旋轉角度的絕對位置傳感器，其直接連接到輪軸并報告轉速和位置。分解器與編碼器相比有諸多優(yōu)勢。分解器非常穩健可靠，能夠經(jīng)受帶有灰塵、油污、極端溫度、振動(dòng)和輻射的嚴酷環(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(xiàn)就可進(jìn)行角數據傳輸，這使其能夠適用于從重工業(yè)、微型系統到航空航天工業(yè)等各種應用。

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

　　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所示的轉子繞組由交變信號激勵，而輸出來(lái)自?xún)蓚€(gè)定子繞組。由于定子是以機械方式定位到正確角度，因此輸出信號幅度是通過(guò)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通過(guò)正弦與余弦進(jìn)行調制。

　　在第二種方式中，定子繞組由相位正交的交變信號激勵。然后在轉子繞組中感應電壓。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字轉換器(RDC)，可以放置到需要測量數字輸出的位置。分解器的模擬輸出(含有輪軸角位置信息)然后經(jīng)RDC轉換成數字形式。

　　2 典型RDC的功能

　　一般而言，分解器的兩個(gè)輸出會(huì )應用到RDC的正弦與余弦乘法器。這些乘法器結合正弦和余弦查找表以及函數構成乘法數模轉換器。圖2顯示了其功能。