Микросхема преобразователя угол-код для индуктивных датчиков

Введение

Микросхема содержит два функционально независимых канала обработки входных сигналов, два выходных канала сигналов для организации питания датчиков и устройство управления, позволяющее задать конфигурацию работы ИС и режимы пост-обработки результатов измерения (см. табл. 1).

Имеется встроенный генератор тактовой частоты и источник опорных напряжений (см. рис. 1).

Интерфейс пользователя реализован с помощью контроллера последовательного интерфейса SPI. На входе микросхемы установлены масштабирующие усилители и АЦП. Алгоритм работы преобразования угол–код реализован полностью в цифровой форме на автомате следящего типа. Функциональная реализация алгоритма преобразования угол–код описана в одной из статей журнала «Современная электроника» [1]. Микросхема может быть сконфигурирована для обработки сигналов:

• двух независимых датчиков типа СКВТ или датчиков линейных перемещений;
• одного 2-отсчётного датчика СКВТ;
• одного сельсина.

Сигналы с СКВТ поступают на масштабные усилители. Микросхема может быть запрограммирована и для работы в обход этих усилителей, а пользователь может использовать собственную схему для подключения датчиков других типов.

Микросхема содержит два генератора сигналов синусоидальной формы для питания СКВТ. Частоты генераторов можно устанавливать независимо. Для усиления мощности сигнала генераторов в большинстве случаев требуются внешние усилители. Питание СКВТ / сельсинов может осуществляться как от встроенного в ИС, так и от внешнего генератора, при этом производится восстановление фазы питающего сигнала в приёмном тракте ИС.

В контуре вычисления угла микросхемы предусмотрена возможность компенсации дисбаланса входного квадратурного сигнала по амплитуде и по неортогональности в пределах ±10% и ±5°, соответственно. Ввиду специфики алгоритма обработки сигнала – астатизм второго порядка, ошибка слежения по скорости равна нулю [1]. Таким образом, пользователь может произвести настройку ИС для компенсации основных погрешностей подключённого датчика СКВТ и внешней схемы, что позволяет значительно повысить точность преобразования.

Выход микросхемы – текущие значения угла и угловой скорости по каждому из каналов. Разрядность выходных данных настраивается пользователем, а их вывод может осуществляться по SPI или через эмуляцию сигналов оптического энкодера. Предусмотрено внешнее тактирование ИС и широкие возможности по диагностике правильного подключения датчика. Также приняты меры защиты от случайных сбоев, повышающие общую надёжность микросхемы. Цоколёвка ИС показана на рисунке 2.

Отечественные преобразователи угол–код

В России выпускаются следующие микросхемы, выполненные на современном уровне:

• К1382НХ045 – полупроводниковая ИС обработки потенциальных квадратурных сигналов, например сигналов мостовых магниточувствительных элементов [2];
• Ф020 – гибридная ИС обработки сигналов СКВТ с частотой 400 Гц и 2 кГц. Микросхема использует алгоритм вычисления текущего значения угла через тангенс угла, определённый как соотношение текущих значений входных сигналов sin(j) и cos(j) [3];
• 427ПВ2 – гибридная ИС для 12-, 14-, 16-разрядного аналого-цифрового преобразования напряжений вращающихся трансформаторов.

Основным недостатком существующих микросхем является то, что они построены по принципу прямого преобразования, не реализуют следящего контура и, как следствие, вносят большие погрешности в мгновенные значения угла и скорости при большой частоте вращения.

Также в России серийно выпускаются унифицированные модули преобразователей угол–код. Например, АЦПВТ-16М-О и АЦПВТ-18М2-Д (ОАО «АВАНГАРД») для 1-отсчётных и 2-отсчётных вращающихся трансформаторов с точностью преобразования 16 и 18 разрядов соответственно. Габариты модулей составляют 111 × 111 × 20 мм, а вес – 300 г. Но в данных модулях используются импортные микросхемы.

Сравнение микросхемы RDS-M с зарубежными аналогами

Учитывая важность и широкую применяемость преобразователей угол–код в различных системах управления (от морской и наземной техники до космических аппаратов), в мире выпускается широкая номенклатура микросхем для обработки сигналов угол–код и модулей на их основе. Для сравнения взяты лучшие образцы (см. табл. 2): RD-19220 и RD-19230, производимые Data Device Corporation, AD2S1200 и AD2S1210 от Analog Devices и ACT5028 от Aeroflex [4–6].

Сравнение точности преобразования

В преобразователях угол–код, построенных по схеме следящего преобразователя, важную роль играет динамика преобразователя, то есть длительность и форма переходных процессов, возникающих в преобразователе при возникновении возмущения на входе. Для корректности сравнение динамических характеристик преобразователей должно производиться в режимах, обеспечивающих одинаковую разрядность преобразования. Экспериментальные данные, характеризующие сравнительную динамику преобразователя RDS-M и AD2S1210 (из справочного листка), приведены далее.

Для сравнения приборов выбран режим 14 бит. На рисунках 3а и 3в приведён вид переходного процесса при гипотетическом изменении угла на входе преобразователя скачком из 0° в 179° (переходная функция преобразователя) для AD2S1210 и RDS-M соответственно. На рисунках 3б и 3г приведены гистограммы кодов после их установления (10 000 отсчётов, пост-обработка отключена), подтверждающие, что достигнута точность 14 бит.

Как видно из рисунка 3, динамические характеристики преобразователя RDS-M в режиме 14 бит при гистограмме и переходном процессе одинакового качества (отсутствие вторичных колебаний и тому подобного), как минимум, не уступают характеристикам AD2S1210. Это справедливо и для других режимов работы преобразователя (10, 12, 16 бит).

Типовые структурные схемы включения микросхемы RDS-M приведены на рисунках 4 и 5. Микросхема не требует установки большого количества дополнительных компонентов на плате. Пользователь должен обеспечить усиление питающего напряжения СКВТ или сельсина до необходимого уровня и масштабировать выходные сигналы СКВТ/сельсина к входным уровням ИС. В схему можно добавить ФНЧ для повышения устойчивости к помехам, шуму усилителей и для получения необходимой разрядности преобразования. Вместо масштабирующего усилителя может быть использован простой делитель напряжения, так как преобразователь имеет высокое входное сопротивление.

Для преобразователей угол–код необходимо различать понятия разрядности преобразования и точности преобразования. Точность преобразования обусловлена конструктивными погрешностями изготовления датчика, такими как различие усиления по каналам X и Y, смещение цент­ра вращения и эксцентриситет датчика и так далее. Несмотря на то, что сама микросхема практически не вносит погрешности в измерение за счёт использования при вычислениях мантиссы длиной не менее 20 разрядов, точность системы в целом может оказаться недостаточной. Для устранения систематических погрешностей датчика и погрешностей, обусловленных внешней электрической схемой, микросхема RDS-M позволяет выполнять компенсацию погрешностей внешней схемы и механических погрешностей датчиков путём записи корректирующих коэффициентов в регистры преобразователя.

Для упрощения процесса настройки микросхемы совместно с датчиком разработано сопутствующее программное обеспечение (ПО-RDS) для вычисления поправочных значений каждого корректируемого параметра. Также ПО-RDS содержит настраиваемую пользователем модель СКВТ, используемую при вычислении угла (см. рис. 6). Модель позволяет компенсировать следующие погрешности датчика:

• смещение обмоток относительно центра вращения K_см.sin, K_см.cos;
• смещение обмоток относительно друг друга на постоянный угол j_см.;
• неодинаковость поля в обмотках СКВТ;
• различное усиление по каналам K_ус.sin, K_ус.cos.

Компенсация указанных погрешностей повышает точность вычисления угла в несколько раз, позволяет применять стандартные компоненты в цепях обвязки и приближает датчики типа СКВТ по точности к оптическим, причём без потери других преимуществ.

Микросхема RDS-M также позволяет получать код непосредственно с АЦП, что, помимо целей юстировки подключённого датчика, позволяет использовать альтернативные алгоритмы вычисления скорости и угла.

Заключение

По основным параметрам микросхема RDS-M, разрабатываемая ЗАО «ПКК Миландр», не уступает лучшим зарубежным аналогам и позволяет реализовать на её основе преобразователи угол–код, соответствующие современным требованиям. Образцы микросхемы будут представлены потребителям в IV квартале 2015 года.

Литература

1. Ануфриев В., Лужбинин А., Шумилин С. Методы обработки сигналов индуктивных датчиков линейных и угловых перемещений. Современная электроника. № 4. 2014.
2. Прокофьев Г., Стахин В., Обеднин А. К1382НХ045 – микросхема преобразователя фазы квадратурного сигнала в код положения. Современная электроника. № 6. 2014.
3. Микросборки преобразователя угол–код Ф020, Ф020.1. Краткое описание. www.npofizika.ru/pdf/F020.pdf.
4. www.ams.aeroflex.com/pagesproduct/datasheets/ACT5028.pdf.
5. www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD2S1210.pdf.
6. www.ddc-web.com/Products/99/Default.aspx.

Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!