自从人类发明了轮子，我们就想知道如何通过改变精度来提高轮子的效率。在过去的几个世纪里，科学家和工程师们开发了许多方法来实现这一目标。在此期间，轮轴系统的基本原理得到了广泛的应用。从汽车、音量旋钮、各种机械形式的齿轮到简单的手推车，几乎每一个机械系统都采用了这个原理。
经过多次探索，人们发现，让跑者高效奔跑的最重要因素并不是跑者本身(为什么不彻底改造呢？)，而是转轮的轴角。目前，测量和优化轴角最有效的方法是使用角度传感器。现有的多种角度传感器可以通过监测和改进轮轴来促进轮周效率的优化。但如果配合FPGA使用，可以取得显著的效果，同时在很多应用中可以提高轴/轮循环效率。
在详细介绍工程师如何充分利用Xilinx FPGA达到上述目的之前，我们先简单回顾一下角度传感器的一些基本原理。目前，广泛使用的角度传感器是编码器和旋转变压器。
以及编码器和分解器的类型。
编码器分为两个基本类别：增量式和绝对式。增量编码器可以监控轴上的两个位置，并且每当轴经过这两个位置时可以产生A或B脉冲。独立的外部电子计数器然后从这些脉冲中解释旋转的速度和方向。虽然它适用于许多应用，但增量计数器确实有一些缺点。例如，当轴停止运行时，增量式编码器在开始运行前必须首先将其自身调整到指定的校准点。另外，增量计数器容易受到电干扰的影响，导致发送到系统的脉冲不准确，进而导致错误的旋转计数。此外，许多增量编码器属于光电设备-如果它们影响目标应用，它们不能用于辐射危险区域。
图1旋变转子激励
分解器绕组
转子：转子定子：定子
编码器肯定是一个传感器系统，它监控轴的旋转计数和方向。在基于绝对式编码器的系统中，用户通常用电触点或光电基准将旋转的轮子连接到轴上。当轴运行时，基于绝对编码器的系统将记录旋转和运行方向，同时产生并行的数字输出，可以很容易地转换成代码(最常见的是二进制代码或格雷码)。编码器的绝对优势是只需要校准一次(通常在工厂)，而不是每次使用前校准。此外，绝对编码器通常比其他编码器更可靠。然而，绝对式编码器一般价格昂贵，而且不利于并行数据传输，尤其是当测量其读数的电子系统远离编码器时。
旋变器本身是旋变器——的模拟器件，其输出电压只与监控的输入轴角度相关。它是一个旋转角度为0 ~ 360的绝对位置传感器，直接与车轴相连，报告转速和位置。分解器比编码器有很多优点。分解器非常健壮可靠，可以承受灰尘、油污、极端温度、振动、辐射等恶劣环境。作为变压器，旋变器可以提供信号隔离和自然共模抑制电干扰。除了这些特性之外，旋转变压器只需要四根导线来传输角度数据，这使得它适用于从重工业、微系统到航空航天工业的各种应用。
无刷旋转变压器得到了进一步的改进，它不需要与转子的滑环相连。因此，解算器更可靠，使用寿命更长。
旋变器通过两种方式获得与轴角相关的输出电压。在第一种模式下，图1所示的转子绕组由交流信号激励，输出来自两个定子绕组。由于定子机械定位在正确的角度，输出信号的幅度与轴角的正弦和余弦三角函数相关。正弦和余弦信号都具有与原始激励信号相同的相位；随着轴的旋转，只有它的振幅被正弦和余弦调制。
图2旋变数字转换器(RDC)框图
汉字如下：
转子参考：转子参考
定子输入：定子输入
余弦乘数：余弦乘数
正弦乘数：正弦乘数
上行/下行计数器：上行/下行计数器
Lats:闩锁
探测器：探测器
错误：错误
积分器：积分器
速度：速度
数字角度：数字角度
误差=0时：误差=0时
在第二种模式下，定子绕组由正交相位的交流信号激励。然后在转子绕组中感应出电压。绕组的振幅和频率是固定的，但其相移随轴角而变化。
旋转变压器可以放置在需要测量角度的位置[2]。电子器件一般指旋变数字转换器(RDC)，可以放在需要测量数字输出的位置。然后，RDC将旋变器的模拟输出(包括轮轴角位置信息)转换为数字形式。
典型RDC的功能
一般来说，旋变器的两个输出将应用于RDC [3]的正弦和余弦乘法器。这些乘法器结合了正弦和余弦查找表和函数，以形成乘法数模转换器。图2显示了它的功能。
我们假设开始时的上/下计数器的当前状态是一个代表试角的值)。转换器会尝试调整数字角度，使其始终等于并跟踪测得的模拟角度。
旋变器的定子输出电压为：
V1=V sint sin等式1
V2=V sint cos等式2
其中，是旋变转子的角度。数字角度应用于余弦乘法器，其余弦乘以V1得到以下公式：
V t sin cos 等式3
数字角度也应用于正弦乘法器，乘以V2得到以下公式：
V t cos sin 等式4
误差放大器将这两个信号相减，以获得波形误差信号：
(v sint sincosv sint cossin)等式5
v t的等式6(sincos-cossin)
根据三角恒等式，简化如下：
V sint[sin(-)]]的等式7
图3SD-14620(单通道)框图
汉字如下：
参考调节剂：参考调节剂
位检测器：位检测器
“s”选项合成参考：“s”选项合成参考
选项：输入选项
控制变压器：控制变压器
增益：增益
演示器：解调器
滞后：滞后
积分器：积分器
14/16位加减计数器：14/16位加减计数器
VCO时序：VCO和时序
数据锁存器：数据锁存器
过滤器：过滤器
47f外部电容：47f外部电容
图4OSC-15802参考振荡器框图
汉字如下：
四线振荡器：四线组振荡器
检波器利用旋变器的转子电压作为参考，同步解调交流误差信号。这将产生与sin ( -)成比例的DC误差信号。
DC误差信号被馈送到积分器，其输出驱动由电压控制的振荡器。VCO将使上行/下行计数器按正确的方向计数，从而产生：
Sin ( -)0等式8
当获得该结果时，则：
-0等式9
因此，
=等式10
因此，计数器的数字输出代表角度。锁存器可以在不中断环路跟踪情况下实现该数据向外部的传输。
这个电路相当于2型伺服环路，因为它实际上有两个积分器。一个是累积脉冲的计数器；另一个是检波器输出端的积分器。在具有恒定转速输入的类型2伺服环路中，输出数字字持续跟随或跟踪输入，无需外部输出转换。
RDC的典型示例：SD-14621
SD-14621是数据设备公司(DDC)生产的小型低成本RDC。它有两个具有可编程分辨率控制功能的通道。编程功能允许您选择10、12、14或16位模式[4]。此功能允许低分辨率的高速跟踪或更高的分辨率支持更高的精度。由于其尺寸、成本、精度和多功能性，该转换器适合高性能军用、商用和位置控制系统。
该装置的操作需要5V电压。转换器有两个速度输出(VEL A，VEL B ),电压范围为4 V至模拟地，可代替转速表使用。为两个通道(/BIT A和/BIT B)提供两个内置测试输出，以指示信号丢失(LOS)。
该转换器由三部分组成：输入前端、误差处理器和数字接口。对于前端同步器、解算器和直接输入是不同的。电子Scott-T用于同步器输入，旋转变压器调节器用于旋转变压器输入，正弦和余弦电压跟随器用于直接输入。这些放大器可以为高精度控制变压器(CT)供电。CT的另一个输入是16位数字角度，其输出是模拟误差角度或两个输入之间的差分角度。利用CT放大器、开关、逻辑电路和电容，精确计算出SIN COS-COS SIN=Sin(-)的三角函数。
与传统的精密电阻相比，这些电容是根据准确率来使用的，以获得更高的精度。此外，这些电容(与运算放大器一起用作计算元件)以高速采样，以消除失调和运算放大器偏差。
积分DC误差处理，得到驱动压控振荡器的速度电压。该VCO与速度积分器结合形成增量积分器：2型伺服反馈环路。
参考振荡器
我们设计中使用的OSC-15802功率振荡器也是由DDC公司提供的。该器件适合RDC、同步器、LVDT和电感式传感器应用[5]。频率和幅度输出可以分别通过电容和电阻进行编程。输出频率范围为400 Hz至10 khz，输出电压为7Vrms。图4示出了该设备的框图。
馈入旋变器和RDC的振荡器输出用作参考信号。
VIRTEX-5 FX30T FPGA与RDC的接口
我们在设计中使用Xilinx Virtex-5FX30T FPGA [6]。FPGA的I/O电压为3.3V，而RDC的I/O电压为5V。因此，我们使用电压收发器来实现这两种设备之间的电压兼容。通过Xilinx提供的GPIO IP核与FPGA建立内部连接，如图5所示。
为简单起见，图5只显示了一个通道和一个旋变器接口。您可以在本文档所附的Xilinx开发板描述(XBD)文件中找到RDC的引脚详情和FPGA的相应专用引脚。详见本文件第一部分。
图5RDC与Virtex-5 FPGA之间的接口(单通道)
汉字如下：
收发器：收发器
解析器：解析器
参考信号：参考信号
功率振荡器(OSC-15802):功耗振荡器
信号链：信号链
设备驱动程序的详细描述
本例中，FPGA使用20MHz的外部输入时钟。FPGA有一个以200MHz运行的PowerPC 440硬核。RDC的时序图见图6和图7。
图6禁止计时
图7启用时序
根据RDC的时序图，我们开发、测试并验证了实际硬件功能是否正确。设备驱动程序的实际代码包含在一个单独的XBD文件中。根据时序图，我们生成了环路所需的延迟。当以200MHz处理时，每个计数对应于5纳秒的延迟。
设备驱动有三个编码部分：RDC的初始化，控制信号的产生和从RDC通道A读取，控制信号的产生和从RDC通道b读取，RDC初始化是设置信号方向和默认值的阶段。例如，使用下面的语句，信号方向将被设置为从FPGA到RDC的“输出”。
XGpio _ write reg(XPAR _ RESOLUTION _ CNTRL _ CH _ A _
BASEADDR，XGPIO_TRI_OFFSET，0x 000)；
下一条语句通过写入“0x3”(即：拉高)来设置16位分辨率：
XGpio _ write reg(XPAR _ RESOLUTION _ CNTRL _ CH _ A _
BASEADDR，XGPIO_DATA_OFFSET，0x 03)；
我们已经看到，角度传感器可以帮助工程师制造更好的车轮，然后设计出许多更高效的机械设备。Decomposer是一个特别有用的角度传感器，只要能和FPGA适当匹配和控制，它就能帮助工程师创造出无与伦比的机械装置。
标签：器角度RDC