[发明专利]基于可编程逻辑器件的角度测量系统

说明书

技术领域

本发明属于工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种高精度、高可靠性且结构形式紧凑的基于可编程逻辑器件的角度测量系统，可用于伺服控制系统中的角位置信息反馈。

背景技术

在需要对伺服机构角位置进行闭环控制的伺服控制系统中，高精度和高可靠性的角位置测量是伺服控制系统的重要环节。目前，国内伺服控制领域常选用的测角元件包括：电位器、旋转变压器和光电轴角编码器等。与后两种测角元件相比，采用电位器测角具有结构尺寸紧凑，环境适应性强的特点。但由于电位器本身非线性度和系统噪声等的影响，传统的电位器测角系统难于满足高精度的伺服控制系统采集数据的要求，主要问题在于：

(1)电位器受自身非线性度的影响，造成电阻值测量结果与真实值的偏差随电阻测量范围的扩大而增大，当电位器作为测角元件时，该误差会显著影响测角精度。

(2)采用电压反馈方式对电位器的转角进行测量时，由于电阻本身热噪声和系统电路带来的噪声影响，电位器反馈电压漂移较大，采用常规的模拟滤波电路难以滤除该噪声带来的影响，从而造成测角精度的下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在于克服现有技术的不足，提供一种满足伺服控制要求的高精度、高可靠性的电位器测角系统。

本发明解决问题的技术方案为：选用旋转式精密电位器作为测角反馈元件，通过精密电压源对电位器两端供电，从电位器抽头输出电压经输入缓冲电路调理和滤波后，直接进入高分辩率A/D转换器的输入端；选用晶振为可编程逻辑器件提供时钟输入，可编程逻辑器件的时序逻辑控制A/D转换器对电位器反馈电压进行自动循环采样，并对采样结果进行数字滤波、非线性补偿和角度转换，再通过内设的高速串口将转换后的角度反馈信息传给上位机，从而实现伺服机构角度的高精度、高可靠性测量。

所述可编程逻辑器件的内设功能单元包括：A/D时序控制单元、地址发生器、数据存储单元、计数单元、数字滤波单元、非线性补偿单元、数据转换单元、数据缓冲器、高速串口和分频器；其中，A/D时序控制单元由来自分频器的周期性脉冲信号启动，通过A/D控制总线控制A/D转换器进行当前通道的采样，并控制地址发生器为当前采样结果在数据存储单元中产生存储地址；在采样结束后，地址发生器控制数据存储器从A/D数据总线读入当前采样结果并保存在数据存储单元内；计数单元对A/D的采样次数进行计数，若达到预先设定的计数值，则启动数据滤波单元工作；数据滤波单元从数据存储单元中取出所有采样值，并通过数字滤波算法算出滤波后的采样值；滤波后的采样值随即被送入非线性补偿单元，该单元通过非线性补偿算法得出补偿后的采样值；该值随后又被送入数据转换单元，通过对采样值的量化转换，得出对应的角度值；转换后的角度值送入与高速串口相连的数据缓冲器中，高速串口由时钟输入脉冲驱动，自动从数据缓冲器中取数并通过串行数据总线向上位机发送。

所述可编程逻辑器件内的分频器、高速串口、数字滤波单元、数据缓冲器、数据存储单元、非线性补偿单元和数据转换单元均由时钟输入信号作为时序驱动，完成上述工作流程。

所述可编程逻辑器件内执行数据处理的单元包括：数字滤波单元、非线性补偿单元和数据转换单元，上述单元完成一次数据处理的工作流程如下：

1)当收到来自计数单元的数据处理启动信号后，数字滤波单元向数据存储单元发出读命令，并通过数据总线访问数据存储单元内所有数据，对其进行大小比较操作，将最大值和最小值保存在数据存储单元内设的最大、最小值寄存器中；

2)数字滤波单元内的时序逻辑在进行大小值比较的同时将数据存储单元内所有数据进行累加操作，累加结果保存在单元内设的累加值寄存器中，重复上述操作直到存储单元所有访问完毕；

3)数字滤波单元执行的数字滤波算法为：累加值减去最大、最小值的差值除以对应数据个数，得出滤波后的采样值，并将该值输出到数据总线上，同时发出非线性补偿启动信号；

4)当收到非线性补偿启动信号后，非线性补偿单元从数据总线读入滤波后的采样值，以该值为变量，代入基于高次多项式的补偿算式，得到补偿后的采样值，并将该值输出到数据总线上，同时发出数据转换启动信号；

5)数据转换单元在收到数据转换启动信号后，从数据总线读入补偿后的采样值，以该值为变量，代入基于线性方程的角度转换算式，得到转换后的角度值，并将该值输出到数据总线上，同时发出处理结束信号。