摘 要： 介紹了一種用于雷達(dá)伺服分機(jī)的軸角編碼系統(tǒng)方案。在闡明旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理后，主要描述了軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD2S1210的外圍電路、激磁信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、芯片與DSP的接口設(shè)計(jì)、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)以及軟件流程。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于成都信息工程學(xué)院雷達(dá)系統(tǒng)研究室的WXR-MD-10型多普勒天氣雷達(dá)伺服分機(jī)，以及民航西南空管局氣象雷達(dá)伺服系統(tǒng)備機(jī)。
關(guān)鍵詞： 雷達(dá)伺服分機(jī)；軸角編碼；旋轉(zhuǎn)變壓器；AD2S1210
0 引言
雷達(dá)伺服分機(jī)主要用于對(duì)雷達(dá)天線進(jìn)行精確控制、目標(biāo)跟蹤和指示。在執(zhí)行這些任務(wù)時(shí)，需要實(shí)時(shí)地獲取天線的角度信息，從而實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。將雷達(dá)的天線角度——方位角和俯仰角這兩個(gè)機(jī)械量變換為數(shù)碼形式，這一過程稱為軸角編碼[1]。旋轉(zhuǎn)變壓器（后面簡(jiǎn)稱旋變）作為一種軸角傳感器，具有精度較高、穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、汽車、精密機(jī)床等領(lǐng)域。但是旋變得到的是模擬電壓信號(hào)，需要軸角編碼為數(shù)字信號(hào)才能被處理器使用。軸角編碼主要有兩種方法[2-3]：一是結(jié)合硬件調(diào)理電路，利用處理器運(yùn)行軸角轉(zhuǎn)換算法計(jì)算軸角；另外一種是直接使用軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片（RDC）。第一種方法成本低廉、實(shí)用性強(qiáng)，但存在轉(zhuǎn)換精度不高、電路復(fù)雜和開發(fā)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。RDC芯片精度較高、外圍電路簡(jiǎn)單，現(xiàn)代雷達(dá)廣泛采用集成的RDC芯片完成軸角編碼。目前美國(guó)AD公司、日本多摩川公司和國(guó)內(nèi)中船重工716所等都有相應(yīng)的RDC產(chǎn)品。本文基于AD公司新型RDC芯片AD2S1210和TI公司TMS320LF2407A DSP，研究設(shè)計(jì)了一套用于雷達(dá)伺服分機(jī)的軸角編碼系統(tǒng)。
1 旋變的工作原理
旋變由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子有兩個(gè)相互正交的繞組，一個(gè)是激勵(lì)繞組R1R2，由激勵(lì)源提供激磁信號(hào)；另外一個(gè)是補(bǔ)償繞組R3R4，用于避免干擾兩端短接。定子同樣有兩個(gè)相互正交的繞組，繞組S1S2、S3S4與轉(zhuǎn)子R1R2激磁信號(hào)分別正比于軸角的正弦和余弦，即[4]：
其中，θ為軸角，uR為激磁信號(hào)。
本方案中選用的是上海贏雙電機(jī)有限公司生產(chǎn)的51XFW975型旋變，其變比為0.5，激磁頻率為2 kHz（經(jīng)過產(chǎn)方調(diào)整），激磁電壓最大為7 V峰峰值[5]。
2 軸角編碼系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 RDC芯片外圍及激磁驅(qū)動(dòng)電路
AD公司的集成RDC芯片AD2S1210，是一款完整的10~16位分辨率RDC，片上集成了可編程的正弦波振蕩器，能夠?yàn)樾兲峁┧璧募ご判盘?hào)。芯片的正、余弦信號(hào)輸入端允許2.3~4.0 Vpp，正弦波振蕩器輸出激磁信號(hào)頻率為2 kHz~20 kHz。內(nèi)部有一個(gè)Type II數(shù)字伺服跟蹤環(huán)路負(fù)責(zé)跟蹤輸入的正、余弦信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字的位置和速度字[6]。
AD2S1210的外圍電路如圖1所示。芯片共需要3組電源，即模擬電源AVDD +5 V 供電、數(shù)字電源DVDD +5 V供電以及芯片邏輯電源VDRIVE +3.3 V。芯片邏輯電源VDRIVE之所以采用+3.3 V電壓，是為了與TMS320LF2407A的接口電壓相兼容。在制作印制電路板時(shí)，將三組電源的濾波退耦合電容盡量靠近芯片管腳擺放。模擬電源和數(shù)字電源地線隔離，最后通過一個(gè)0 Ω電阻單點(diǎn)接地。分辨率選擇管腳RES0和RES1接邏輯電壓+3.3 V，選擇16位分辨率。為了盡量減弱外界干擾和隔離地線，旋變兩組定子的正余弦調(diào)制信號(hào)分別通過1:1的200 mW音頻隔離變壓器接入芯片。由于正余弦輸入管腳輸入阻抗最小值為485 kΩ，故在隔離變壓器輸出端分別并聯(lián)一個(gè)1 kΩ的電阻，從而與隔離變壓器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
AD2S1210的激磁信號(hào)輸出通常在EXC和/EXC輸出端提供3.6 Vpp正弦信號(hào)，將產(chǎn)生一個(gè)7.2 Vpp差分信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用的51XFW975型旋變的輸出比為0.5，當(dāng)芯片激磁信號(hào)通過單位增益驅(qū)動(dòng)器加到旋變轉(zhuǎn)子時(shí)，旋變兩組定子輸出的幅度約為差分3.6 Vpp。芯片手冊(cè)給出的定子的正弦和余弦輸入應(yīng)該滿足2.3～4.0 Vpp。但這畢竟是比較理想的情況，設(shè)計(jì)中還應(yīng)該考慮到轉(zhuǎn)子和定子上的隔離音頻變壓器損耗。同時(shí)由于裝有旋變的雷達(dá)天線一般固定在雷達(dá)樓頂端的天線罩內(nèi)，而伺服分機(jī)在下方的雷達(dá)室，兩者通過一段較長(zhǎng)的電纜連接。信號(hào)在這段電纜上的損耗也是要考慮的。
圖2給出了本設(shè)計(jì)的激磁信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。電路包括一級(jí)增益放大電路和后級(jí)推挽輸出。雙管推挽的輸出為旋變提供電流驅(qū)動(dòng)，輸出晶體管的靜態(tài)電流較小。第一級(jí)增益放大電路采用軌到軌、單電源供電運(yùn)放AD8664，采用+12 V供電。增益放大分別通過電阻R410和R411、R422和R423設(shè)定。通過一段時(shí)間實(shí)驗(yàn)后，R410（R422）、R411（R423）電阻值分別取24 kΩ和10 kΩ，電路的增益為2.4。因?yàn)殡娐凡捎脝坞娫垂╇?，需要將激磁信?hào)抬升至正電壓范圍。電阻R414和R415設(shè)定運(yùn)放同相端+3.6 V直流偏置。激磁信號(hào)輸出時(shí)直流偏置電壓約為+2.5 V。因此，增益放大電路的直流偏置電壓約為+6.2 V。2.2 kΩ電阻為后級(jí)推挽電路的二極管提供偏置電路，并確定該側(cè)的靜態(tài)電流。如果輸出驅(qū)動(dòng)能力不夠且輸出尚未達(dá)到飽和，可以適當(dāng)減小該電阻。
2.2 RDC芯片和DSP接口設(shè)計(jì)
AD2S1210的角碼數(shù)字量可以通過16位并行總線或者4線標(biāo)準(zhǔn)SPI獲取。兩種數(shù)據(jù)接口方式通過芯片的串行使能missing image file選擇，高電平為并行總線方式，低電平為SPI串行方式。如圖1所示，本方案選用的是DSP并行總線訪問方式。角碼位置寄存器更新使能missing image file接在DSP的I/O上，在讀取角碼數(shù)據(jù)前觸發(fā)使能刷新角碼位置寄存器。AD2S1210的DB0~DB15接到TMS320LF2407A的16位外部數(shù)據(jù)總線上，片選missing image file接DSP的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間使能missing image file、芯片并行數(shù)據(jù)輸出使能missing image file接DSP的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間讀選通missing image file。這樣將AD2S1210映射到DSP的8000H開始的外部數(shù)據(jù)空間上，讀寫AD2S1210就可以使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器訪問指令。
2.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和信號(hào)測(cè)試波形
圖3所示為WXR-MD-10天氣雷達(dá)伺服分機(jī)與天線的整體結(jié)構(gòu)圖。圖中左半部分為伺服分機(jī)的信號(hào)控制部分，其中就包括軸角編碼系統(tǒng)。電路板上連接旋變的6pin插座，使用雙絞屏蔽電纜連接到機(jī)箱外殼的航空插座上。為了減弱伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的干擾，電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和軸角編碼信號(hào)使用不同的航空插座與電纜分開連接。右半部分為雷達(dá)天線，轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部裝有旋變和無刷伺服電機(jī)。圖3中間為線路連接部分，軸角編碼電纜通過長(zhǎng)15 m、直徑0.5 mm的雙絞屏蔽電纜連通，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電纜使用長(zhǎng)15 m、直徑2 mm的屏蔽電纜。前面涉及到的屏蔽電纜，其外層金屬屏蔽網(wǎng)全部接到模擬地線上[7]。
整個(gè)伺服系統(tǒng)連接好之后通電進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。圖4測(cè)試的是芯片輸出的激磁信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大后，測(cè)得的隔離變壓器輸出端的信號(hào)。其峰峰值為20.6 V，頻率為2 kHz。圖5為輸入到AD2S1210的正弦調(diào)制信號(hào)波形，此時(shí)天線固定在某個(gè)角度上。正弦調(diào)制信號(hào)的峰峰值為3.44 V，正好滿足正弦信號(hào)輸入幅度要求。從兩幅圖可知，軸角編碼信號(hào)傳輸電纜以及旋變?cè)斐傻男盘?hào)衰減還是很大的。
3 軸角編碼系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
圖6是雷達(dá)伺服分機(jī)的軸角編碼軟件流程圖。系統(tǒng)初始化分配一個(gè)I/O口給角碼寄存器，更新使能missing image file、兩個(gè)I/O口給模式選擇A1和A0，同時(shí)初始化一個(gè)定時(shí)器中斷。AD2S1210有兩種工作模式：配置模式和普通模式。配置模式主要用于對(duì)寄存器進(jìn)行編程，普通模式主要用于角度數(shù)據(jù)的讀取。在配置激磁頻率、控制寄存器前，需要將模式選擇輸入A1和A0置高。此時(shí)芯片處于配置模式。激磁頻率設(shè)置為08H，對(duì)應(yīng)2 kHz?？刂萍拇嫫髟O(shè)置為7FH，即鎖相范圍默認(rèn)±44°、默認(rèn)使能遲滯、16位編碼器分辨率。拉低模式選擇輸入A1和A0，退出配置模式。
一般來說，天氣雷達(dá)天線做PPI掃描轉(zhuǎn)速最快為6轉(zhuǎn)/分鐘（0.036°/ms）、天線定位精度≤0.2°[4]。因此沒有必要用查詢的方式讀取角度值，同時(shí)也不現(xiàn)實(shí)。軟件中使用1 ms定時(shí)器中斷讀取軸角位置數(shù)據(jù)，這個(gè)定時(shí)間隔足夠滿足要求。讀取角度數(shù)據(jù)的TMS320LF2407A，匯編代碼如下所示：
LDP #PADATDIR>>7
LACC PADATDIR
AND #0FFC7H
SACL PADATDIR ；使能/SAMPLE下降沿，更新位置寄存器，設(shè)置模式選擇A1和A0為普通模式-位置輸出
RPT #24
NOP
LDP #8000H>>7
LACC 0,16 ；AD2S1210在外部RAM地址8000H上
LDP #aziposi_buf
SACH aziposi_buf ；讀取16位軸角角碼值到緩存
LDP #PADATDIR>>7
LACC PADATDIR
OR #08H
SACL PADATDIR ；拉高/SAMPLE，準(zhǔn)備下次更新位置寄存器
4 總結(jié)
AD2S1210作為AD公司新一代的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功能強(qiáng)大，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文提出的基于AD2S1210、TMS320LF2407A和51XFW975型旋變的軸角解碼系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)試能夠可靠地為天氣雷達(dá)伺服分機(jī)提供天線的軸角信息。采用該方案的WXR-MD-10型多普勒天氣雷達(dá)目前運(yùn)行穩(wěn)定，已經(jīng)成功部署在貴州威寧縣氣象局。在設(shè)計(jì)的民航西南空管局天氣雷達(dá)伺服備份系統(tǒng)中，證明了該方案可行。
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