1、学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文所有研究工作，均在导师指导下由作者本人独立完成。引用的有关观点、方法、数据和文献已在论文中注明，并与参考文献对应。除论文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经公开发表的研究成果。对本文研究做出任何贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式注明并表示感谢。学位论文作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权声明中国舰船研究院和江苏自动化研究所有权保存本人呈交的学位论文复印件及电子版，有权向国家有关部门或机构送交论文复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国舰船研究院和江苏自动化研究所将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检
2、索，采用影印、缩印或扫描手段保存或汇编本论文。本学位论文属于：公开内部秘密， 在 年解密后适用本授权书。（请在以上方框内打“” ）学位论文作者签名： 导师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日数字式高精度轴角解算研究I摘要旋转变压器是一种高可靠性的角度测量传感器，具有耐冲击、耐高温、耐油污、高可靠、长寿命等优点，因此广泛地应用于雷达、坦克、地炮火控、机器人、汽车、电力、冶金、纺织、印刷等领域。旋转变压器输出为交流模拟信号，进入计算机控制系统前需进行数字化转换。传统的数据转换模块由专用集成芯片加外围电路构成，专用集成芯片分为模拟式和数字式两种。模拟式芯片精度高、可靠性好、不抖码，缺点是跟踪
3、速度慢、价格昂贵；数字式芯片跟踪速度快、成本低，是轴角解算芯片新的发展方向。由于数字解算算法实现难度较大，国内尚无该类型芯片。针对这种情况，课题对数字式高精度轴角解算进行了深入研究。本文的工作内容主要集中在以下几个方面：针对固定带宽无法兼顾响应速度和解算精度的问题，提出了动态带宽调整算法。该算法提高了解算精度、减小了阶跃响应时间。针对误差计算环节中正余弦值直接计算计算量大、查表法占用空间大的问题，设计了基于 CORDIC 算法的误差计算环节，减少了计算量、节省了存储空间。针对数字式解算抖码严重的情况，提出了动静态判断和最多值滤波的方法，有效的减少了数据抖动次数、控制了抖动的幅值。针对信号噪声采
4、用了 FIR 滤波器和累加采样方案，有效的减少了噪声对精度的影响。最后设计了以 -AD 和 DSP 的硬件解算系统，并对上述算法进行验证测试。验证结果显示轴角 179阶跃跟踪时间为 12ms、精度达到 0.004、分辨率达到 18 位、抖码控制在1LSB。对比模拟式芯片 AD2S83 和数字式芯片 AD2S1210 的性能参数，本设计有效的提高了轴角解算的精度、分辨率和稳定性。关键词：数字化轴角解算；旋转变压器；CORDIC；系统设计；DSP中国舰船研究院硕士学位论文IIAbstractResolver is a kind of highly reliable angle measuremen
5、t device, which is resistant to impact, high temperature and oil. Its high-reliability and long life make it a widely use in military field and industry filed, such as radar, fire control , tanks, robotics, automotive, power, metallurgy, textile printing and so on.The output of resolver is AC analog
6、 signals, it must be converted to digital signals before enter the computer. The shaft conversion module in tradition combines special shaft conversion chip and peripheral circuit. The special shaft conversion chip can be separate to analog mode and digital mode. Analog-mode chip has high-precision,
7、 high-stability and no data jitter, its disadvantages includes: low tracking speed, high-price. Digital-mode chip with its high tracking speed and low price give the new direction of shaft conversion. its complex algorithm, low accuracy and data jitter make it difficult to realize. In view of this s
8、ituation, the subject of the digital high-precision axis angle solver depth study.The work of this paper focuses on the following aspects: Account the shortcoming of fixed bandwidth can not ensure the speed and accuracy at the same time, proposed a dynamic bandwidth algorithm witch improved the accu
9、racy with a fast step response. Design a new error calculationg method based on CORDIC algorithm instead of direct calculation witch take lots of time or look up witch take largue space. For digital code solver shake severe cases, proposed the most dynamic and static judgments and median filtering m
10、ethod, effectively reduced the number of data jitter, and controlled the jitter amplitude. To reduce the impact of the noise, use the FIR filter and cumulative sampling program.Finally, the algorithm was verified on the -AD and DSP-based hardware platform. The result indicate that the angle resoluti
11、on reached 18, the 179step tracking time is 12ms, shake control in less than 2 yards. Contrast analog-mode chip AD2S83 and digital-mode chip AD2S1210,the design effectively improved the precision, resolution and the stability.Keywords：digital RDC; resolver; CORDIC; system design; DSP数字式高精度轴角解算研究III目
12、次摘要 .IABSTRACT .II目次 .III图目次 .VI表目录 .VIII第一章 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 轴角转换的发展 .21.3 论文工作与安排 .3第二章 轴角解算原理和结构 .52.1 轴角变换基础 .52.1.1 旋转变压器 .52.1.2 自整角机 .72.1.3 数字角度表示 .82.1.4 轴角变换误差分析 .92.2 现有解算方法 .112.2.1 直接解算 .122.2.2 跟踪解算 .142.2.3 方法对比 .172.3 鉴幅解算的实现方案 .182.3.1 基于 AD2S83 旋变信号解算 .182.3.2 基于 AD2S1210 的旋变
13、信号解算 .212.3.3 方案对比 .242.4 小结 .24第三章 数字式轴角解算算法设计 .253.1 动态二阶系统构建 .253.1.1 矫正环节设计 .263.1.2 数字化系统设计 .303.1.3 动态带宽设计 .313.2 正余弦值计算 .35中国舰船研究院硕士学位论文IV3.2.1 通用算法 .353.2.2 CORDIC 算法原理 .353.2.3 360 度 CORDIC 算法设计 .373.2.4 CORDIC 效果分析 .383.3 抖码处理 .393.3.1 动静态判断 .403.3.2 最多值滤波 .413.4 滤波器设计 .433.4.1 FIR 滤波器 .44
14、3.4.2 滤波器参数设计 .463.4.3 FIR 滤波器的实现 .473.4.4 滤波器效果 .493.5 软件框图 .503.6 小结 .51第四章 系统硬件实现 .524.1 AD 模块设计 .524.1.1 AD 选型 .524.1.2 CS5361 电路设计 .534.1.3 AD 调理电路 .544.1.4 隔离电源 .554.2 CPLD 数据采集模块设计 .564.2.1 直接采集方案 .564.2.2 峰值采样方案 .574.2.3 累加采集方案 .584.3 激磁模块设计 .614.3.1 PWM 波生成原理 .624.3.2 SPWM 软件实现 .624.3.3 PWM
15、 波调制电路 .634.3.4 PWM 电源电路 .634.4 DSP 模块设计 .644.4.1 最小系统设计 .644.4.2 数据输出设计 .654.5 小结 .67数字式高精度轴角解算研究V第五章 测试与分析 .685.1 调试环境 .685.1.1 软件调试环境搭建 .685.1.2 硬件调试环境 .695.2 性能测试 .695.2.1 静态特性 .695.2.2 动态特性 .725.3 小结 .74第六章 总结与展望 .756.1 总结已完成工作 .756.2 进一步工作的展望 .76致谢 .77参 考文献 .78硕士在读期间发表文章 .82附录 .83CORDIC 算法 .83
16、SCI 接口 .83FIR 滤波器 .84PWM 代码 .84中国舰船研究院硕士学位论文VI图目录图 2.1 旋转变压器原理图 .6图 2.2 旋转变压器信号与角度关系图 .6图 2.3 SCOTT 变压器 .7图 2.4 轴角解算算法分类 .12图 2.5 反正切法结构框图 .12图 2.6 线性化解算基本结构 .13图 2.7 PT，Vo，E 与角度之间的关系图 .14图 2.8 定子接参考示意图 .15图 2.9 鉴相解算框图 .15图 2.10 鉴幅解算 .16图 2.11 解算框图 .16图 2.12 AD2S83 推荐电路 .18图 2.13 AD2S83 原理框图 .19图 2.
17、14 相敏调节作用 .19图 2.15 相敏调节电路 .20图 2.16 VCO 电路框图 .20图 2.17 AD2S1210 推荐电路 .21图 2.18 缓冲电路 .22图 2.19 AD2S1210 框图 .23图 3.1 DSP 内部模块 .25图 3.2 增加开环零点 .26图 3.3 加入超前校正控制环的系统框图 .26图 3.4 的曲线 .27am图 3.5 矫正前后幅频特性 .28图 3.6 不同带宽下的阶跃响应（由右到左为 100Hz1kHz） .29图 3.7 离散系统数学模型 .30图 3.8 500Hz 带宽 179阶跃响应 .33图 3.9 阶跃相应仿真图 .34图 3.10 CORDIC 算法基本思想 .36图 3.11 360 度 CORDIC 算法跟踪图 .39图 3.18 状态判断处理框图 .41数字式高精度轴角解算研究VII图 3.19 抖码情况 .42图 3.20 滤波结果 .42图 3.12 AD 采样数据 .43图 3.13 噪声频谱分析 .44图 3.14 FIR 设计框图 .48图 3.15 数据更新策略 .48图 3.16 基于数据链表的数据更新策略 .
