基于fpga的旋转变压器输出装置及方法
【专利摘要】本发明涉及旋转变压器领域，公开了一种基于FPGA的旋转变压器输出装置及方法。该装置包括：励磁电路、解码电路以及串口输出电路，其中，励磁电路与旋转变压器的定子端相耦接，根据旋转变压器的电器参数要求，向定子端输入正弦励磁信号；解码电路与旋转变压器的转子端相耦接，对转子端输出的正、余弦模拟量信号进行AD转换，得到16位并行二进制编码角度数据；串口输出电路与解码电路相耦接，基于FPGA将角度数据进行UART输出。本发明采用模块化设计，电路组成简洁、集成度高，同时基于可编程FPGA的设计，使得输出灵活，通用性强，可满足不同的应用接口要求。该设计电路，现已在多项工程实践中得到测试应用，电路工作稳定、可靠，具有较高的推广应用价值。
【专利说明】基于FPGA的旋转变压器输出装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及旋转变压器领域，具体涉及一种基于FPGA的旋转变压器输出装置及方法。
【背景技术】
[0002]旋转变压器是一种电磁式传感器，又称同步分解器，它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。旋转变压器由定子和转子组成，其中定子绕组为变压器的原边，接收励磁电压，转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。通过在定子端加入一定频率的正弦励磁信号，当转子转动时，可在转子端感应输出频率相同，幅值随转角做正余弦变化的两相正交模拟量，通过RDC (Resolver Digitalconverter,转角数字变换器)转换，即可把该模拟量变换成相对应的角度数据。由于结构特点，旋变具有非常可靠的环境(如:振动、冲击、高低温、湿热等)适应性，被广泛应用于各种军、民用工程的伺服系统中，作为测角器件。
[0003]由于旋转变压器特殊的工作输入条件和输出信号特征，在其应用中，需要特定的外围接口电路设计。旋转变压器的信号输出是两相正交的模拟信号，它们的幅值随着转角做正余弦变化，频率和励磁频率一致。这样一个信号还不能直接应用，这就需要角度数据变换电路，把这样一个模拟量变换成明确的角度量，这就是RDC电路。目前工程领域中常用的旋转变压器外围接口电路通常需要专门设计，较为复杂，实现难度较大。
[0004]此外，如图1所示，现有技术中还采用专用集成电路作为旋转变压器外围接口电路，例如美国AD公司的AD2S1200、AD2S1205带有参考振荡器的12位数字RDC以及AD2S121010到16位数字、带有参考振荡器的数字可变RDC。图1是旋转变压器和RDC的连接图示意，位置信号和速度信号都是绝对值信号，它们的位数由RDC的类型和实际需要决定(10位到16位)。有两种形式的输出，串行或并行。上述的几种RDC芯片，还可将输出信号变换成编码器形式的输出，即正交的A、B和每转一个的Z信号，励磁电源同时接到旋转变压器和RDC，在RDC中作为相位的参考。可以看出，现有技术的电路复杂、功耗大、工作不稳定，而且模块尺寸大、不易与实际系统集成。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何以更简洁的方式获得旋转变压器的输出。
[0006]为解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种基于FPGA的旋转变压器输出装置，该装置包括:励磁电路、解码电路及串口输出电路；其中，所述励磁电路与所述旋转变压器的定子端相耦接，根据所述旋转变压器的电器参数要求，向所述定子端输入正弦励磁信号；所述解码电路与所述旋转变压器的转子端相耦接，对所述转子端输出的正、余弦模拟量信号进行AD转换，得到16位并行二进制编码角度数据；所述串口输出电路与所述解码电路相耦接，基于FPGA将角度数据进行UART输出。[0007]优选地，所述励磁电路在向所述定子端输入励磁信号的同时，还向所述解码电路提供解码用的基准信号。
[0008]优选地，所述励磁电路为集成芯片或由集成运放和外围电路构建，所述解码电路为集成芯片或RDC电路。
[0009]优选地，所述励磁电路的集成芯片为AD2S99，所述解码电路的集成芯片为AD2S80A。
[0010]优选地，所述串口输出电路中数据格式和输出方式通过跳线选择，并由FPGA定义不同的输出方式。
[0011]另一方面，本发明还同时提供一种基于FPGA的旋转变压器输出方法，包括步骤:
[0012]励磁电路根据旋转变压器的电器参数要求，向定子端输入正弦励磁信号；
[0013]解码电路接收转子端输出的正、余弦模拟量信号，对其进行AD转换，得到16位并行二进制编码角度数据；
[0014]串口输出电路基于FPGA将角度数据进行UART输出。
[0015]优选地，所述励磁电路向定子端输入的正弦励磁信号的峰值电压为2V、频率为2KHz。
[0016]优选地，所述串口输出电路的FPGA中，利用VHDL设计完成并行数据组合和UART串行数据输出。
[0017]优选地，所述串口输出电路中数据格式和输出方式通过跳线选择，并由FPGA定义不同的输出方式。
[0018]优选地，由FPGA定义的输出方式包括定时Ims广播输出或者外同步触发方式输出。
[0019]相对于现有技术，本发明提供了一种基于FPGA的旋转变压器输出装置及方法，由于采用模块化设计，电路组成简洁、集成度高，同时基于可编程FPGA的设计，使得输出灵活，通用性强，可满足不同的应用接口要求。该设计电路，现已在多项工程实践中得到测试应用，电路工作稳定、可靠，具有较高的推广应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是现有技术中旋转变压器与RDC结合输出的示意图；
[0021]图2是本发明的一个实施例中基于FPGA的旋转变压器输出装置的电路原理图。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023]现有技术中旋转变压器的输出需要通过专有的外围电路获得，系统复杂度较高，难以实现。有鉴于此，本发明采用了模块化设计获得旋转变压器的输出，其电路组成简洁、集成度高，同时基于可编程FPGA的设计，使得输出灵活，通用性强，可满足不同的应用接口要求。在本发明的一个实施例中，基于FPGA的旋转变压器输出装置包括:励磁电路、解码电路以及串口输出电路，其中，励磁电路与旋转变压器的定子端相耦接，根据旋转变压器的电器参数要求，向定子端输入正弦励磁信号；解码电路与旋转变压器的转子端相耦接，对转子端输出的正、余弦模拟量信号进行AD转换，得到16位并行二进制编码角度数据；串口输出电路与解码电路相稱接，基于FPGA将角度数据进行UART (Universal AsynchronousReceiver/Transmitter,通用异步收发)输出。
[0024]其中在励磁电路中，定子端输入峰值电压为2V、频率2KHZ的正弦励磁信号；励磁电路在向定子端输入励磁信号的同时，还向解码电路提供解码用的基准信号。作为本行业技术人员，也可以在实际设计中通过跳线或电位器调节方式，实现不同电平和频率的励磁信号输出，兼顾不同型号旋变的工作要求，在这里不作具体的限制。
[0025]在图2所示的本发明的一个优选实施例中，输出装置电路原理图中，励磁电路优选用集成芯片AD2S99来构建，并且用与AD2S99相匹配的AD2S80A芯片来构建解码电路(均为美国AD公司的芯片)。在其他实施例中，励磁电路也可由集成运放和外围电路构建，当然作为本行业技术人员也可以选择可以简化电路、降低调试风险、较合理的实施方案。其中解码电路中优选为RDC电路，作为本行业技术人员也可以选择其他类型的AD芯片。
[0026]在串口输出电路中，串口输出电路中FPGA接收解码输出的并行数据，进行数据组合，以UART方式串行输出。其中，FPGA中，利用VHDL设计完成并行数据组合和UART串行数据输出；数据格式和输出方式可通过跳线选择，由FPGA定义不同的输出方式。
[0027]其中数据格式为:帧头(0x7F)+高8位+低8位+帧尾(0xF7)，波特率19200bps、115200bps,460800bps通过跳线设置选择；
[0028]输出方式为:定时Ims广播输出或者外同步触发方式输出，因而FPGA还同时接收触发信号的输入。在本发明的更优选实施例中，优选为广播方式输出。
[0029]基于上述输出装置，本发明还公开了一种基于FPGA的旋转变压器输出方法，包括以下步骤:
[0030]励磁电路根据旋转变压器的电器参数要求，向定子端输入正弦励磁信号；
[0031]解码电路接收转子端输出的正、余弦模拟量信号，对其进行AD转换，得到16位并行二进制编码角度数据；
[0032]串口输出电路基于FPGA将角度数据进行UART输出。
[0033]相对于现有技术，本发明提供了一种基于FPGA的旋转变压器输出装置及方法，由于采用模块化设计，电路组成简洁、集成度高，同时基于可编程FPGA的设计，使得输出灵活，通用性强，可满足不同的应用接口要求。该设计电路，现已在多项工程实践中得到测试应用，电路工作稳定、可靠，具有较高的推广应用价值。
[0034]显然，本领域的技术人员可以对本发明的适合于基于FPGA的旋变励磁解码与UART输出电路装置及方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的思想和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种基于FPGA的旋转变压器输出装置，其特征在于，所述输出装置包括:励磁电路、解码电路及串口输出电路；其中， 所述励磁电路与所述旋转变压器的定子端相耦接，根据所述旋转变压器的电器参数要求，向所述定子端输入正弦励磁信号； 所述解码电路与所述旋转变压器的转子端相耦接，对所述转子端输出的正、余弦模拟量信号进行AD转换，得到16位并行二进制编码角度数据； 所述串口输出电路与所述解码电路相耦接，基于FPGA将角度数据进行UART输出。
2.如权利要求1所述的输出装置，其特征在于，所述励磁电路在向所述定子端输入励磁信号的同时，还向所述解码电路提供解码用的基准信号。
3.如权利要求1所述的输出装置，其特征在于，所述励磁电路为集成芯片或由集成运放和外围电路构建，所述解码电路为集成芯片或RDC电路。
4.如权利要求3所述的输出装置，其特征在于，所述励磁电路的集成芯片为AD2S99，所述解码电路的集成芯片为AD2S80A。
5.如权利要求1所述的输出装置，其特征在于，所述串口输出电路中数据格式和输出方式通过跳线选择，并由FPGA定义不同的输出方式。
6.一种基于FPGA的旋转变压器输出方法，其特征在于，所述方法包括步骤: 励磁电路根据旋转变压器的电器参数要求，向定子端输入正弦励磁信号； 解码电路接收转子端输出的正、余弦模拟量信号，对其进行AD转换，得到16位并行二进制编码角度数据； 串口输出电路基于FPGA将角度数据进行UART输出。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述励磁电路向定子端输入的正弦励磁信号的峰值电压为2V、频率为2KHz。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述串口输出电路的FPGA中，利用VHDL设计完成并行数据组合和UART串行数据输出。
9.如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，所述串口输出电路中数据格式和输出方式通过跳线选择，并由FPGA定义不同的输出方式。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，由FPGA定义的输出方式包括定时Ims广播输出或者外同步触发方式输出。
【文档编号】H03K19/0175GK103731133SQ201410024114
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】薛辉 申请人:四川九洲电器集团有限责任公司