楊傳順，王學(xué)萬，徐 僖

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港222006)

0 引言

作為角度測量的傳感器自整角機和旋轉(zhuǎn)變壓器被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、雷達、火炮、數(shù)控機床、機器人等軍民用系統(tǒng)或裝備中，這些領(lǐng)域都需要高精度、高分辨率的角度測量控制系統(tǒng)。

以船舶的導(dǎo)航系統(tǒng)為例，中央陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)負責(zé)實時采集船舶的縱搖和橫搖軸角模擬量信息，陀螺航向指示器負責(zé)實時采集船舶航行時的首向軸角模擬量信息、計程儀負責(zé)實時采集船舶的航速軸角模擬量信息。而整個船舶中有很多電子設(shè)備需要該類導(dǎo)航信息，例如雷達、光電、火炮、導(dǎo)彈以及航行控制中心等，并且不同的電子設(shè)備對該類信息的需求參數(shù)也可能不同，有的需要自整角機信號，有的需要旋轉(zhuǎn)變壓器信號;有的需要粗精雙通道數(shù)據(jù)，有的只需要粗通道數(shù)據(jù)即可;除此外，在信號的參考電壓和參考頻率、跟蹤速率以及轉(zhuǎn)換精度方面等也可能存在不同的需求。這就需要設(shè)計出具有自適應(yīng)功能的高精度導(dǎo)航姿態(tài)信息實時轉(zhuǎn)換裝置，以滿足整個船舶系統(tǒng)的不同電子設(shè)備的導(dǎo)航姿態(tài)信息需求。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中導(dǎo)航設(shè)備實時采集的模擬量軸角姿態(tài)信息 (縱搖、橫搖、航向、航速等)輸入到SDC(自整角機-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)或RDC(旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)中，具體是SDC還是RDC模塊由模擬量姿態(tài)信息是自整角機形式還是旋轉(zhuǎn)變壓器形式?jīng)Q定。經(jīng)過SDC或RDC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量姿態(tài)信息，常見的轉(zhuǎn)換精度可以是12位、14位、16位、18位或者20位，這由所選軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的具體轉(zhuǎn)換精度決定。然后把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量姿態(tài)信息一路分多路輸入到DSC(數(shù)字-自整角機轉(zhuǎn)換器)或DRC(數(shù)字-旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器)中，具體是DSC還是DRC模塊由需要該模擬量姿態(tài)信息的模擬接口設(shè)備是需要軸角形式的還是需要旋轉(zhuǎn)變壓器形式的決定，在DSC或DRC中根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)需要該軸角姿態(tài)信息的各個電子設(shè)備的具體需求轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量姿態(tài)信息發(fā)送出去，實現(xiàn)了導(dǎo)航姿態(tài)信息的實時轉(zhuǎn)換和分配，在進行高精度轉(zhuǎn)換的同時，滿足了各個電子設(shè)備的模擬量姿態(tài)信息的不同接口需求，實現(xiàn)了導(dǎo)航姿態(tài)信息的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換，起到了接口適配器的作用。當(dāng)然，如果是數(shù)字接口設(shè)備則直接接收DSC或DRC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量姿態(tài)信息即可。

總之，該系統(tǒng)的接口自適應(yīng)的功能，主要體現(xiàn)在:

1)輸入/輸出模擬量信息為自整角機或旋轉(zhuǎn)變壓器的自適應(yīng);取決于模擬量信息是自整角機形式還是旋轉(zhuǎn)變壓器形式;

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system architecture

2)輸入/輸出信號的單速或雙速轉(zhuǎn)換能力的自適應(yīng)，取決于轉(zhuǎn)換模塊選擇雙速還是單速，當(dāng)然雙速的可以只使用粗通道從而作為單速使用;

3)輸入/輸出信號的不同速比自適應(yīng)，可以通過更改SDC或RDC的固件程序改變速比;

4)轉(zhuǎn)換精度的自適應(yīng)，取決于SDC或RDC模塊的轉(zhuǎn)換精度(位數(shù))，但需要滿足DSC或DRC模塊的數(shù)字量處理精度(位數(shù))不小于SDC或RDC模塊數(shù)字量輸出精度(位數(shù));否則會造成轉(zhuǎn)換精度下降或者轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)錯誤(最高位的有用信息丟失)。

5)輸出信號的不同設(shè)備的模擬量需求接口自適應(yīng);這由接口需求設(shè)備提供的激磁信號的參考電壓和參考頻率決定。

2 軸角轉(zhuǎn)換技術(shù)

自整角機和旋轉(zhuǎn)變壓器都是按照電磁感應(yīng)原理輸出模擬電信號的元件，基本的電磁結(jié)構(gòu)是定子、轉(zhuǎn)子上都有線圈繞組，彼此耦合聯(lián)系，都屬于微特電機［1］。自整角機一般采用三相繞組方式，轉(zhuǎn)子上放置單相激磁繞組。3個定子繞組成Y型排列，兩兩之間的夾角為120°。旋轉(zhuǎn)變壓器采用正交的兩相繞組。定子繞組為變壓器的原邊，通過固定在殼體上的接線柱引出軸角信號，感應(yīng)電動勢由定子繞組輸出。轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊，激磁電壓接到轉(zhuǎn)子繞組上。

無論是自整角機還是旋轉(zhuǎn)變壓器都主要實現(xiàn)2種功能:一是將輸入的機械轉(zhuǎn)角信號按照指定函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為電信號，二是將輸入的電信號按照指定函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為機械轉(zhuǎn)角信號。這2種功能都經(jīng)常應(yīng)用在同步伺服系統(tǒng)中，使遠距離的多個機械轉(zhuǎn)軸能夠精確的保持相同的轉(zhuǎn)角變化或同步變化，實現(xiàn)角度位置的遠距離傳輸和轉(zhuǎn)換［2］。

將自整角機或旋轉(zhuǎn)變壓器的軸角模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，或者數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為軸角模擬量信號，常見的是采用專用的轉(zhuǎn)換器。

2.1 軸角模擬量-數(shù)字轉(zhuǎn)換器

ZSZ型系列轉(zhuǎn)換器是一種小型化、具有連續(xù)跟蹤轉(zhuǎn)換技術(shù)的自整角機/旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，采用II階伺服回路設(shè)計。它接收三線自整角機信號和參考信號或者四線旋轉(zhuǎn)變壓器信號和參考信號，輸出的數(shù)字信號經(jīng)三態(tài)鎖存器緩沖后轉(zhuǎn)為16位并行自然二進制碼數(shù)字量，通過控制信號，既可以輸出1個16位的數(shù)字全角量，又可以以2個字節(jié)輸出［3］。原理圖見圖2所示。

圖2 軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換器原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of rotary to digital converter

如果輸入的模擬軸角量是自整角機信號，則自整角機的三線輸出應(yīng)連接到轉(zhuǎn)換器的S1，S2和S3端;如果輸入的模擬軸角量是旋轉(zhuǎn)變壓器信號，則旋轉(zhuǎn)變壓器的四線輸出應(yīng)連接到轉(zhuǎn)換器的S1，S2，S3和S4端。輸入的軸角信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的微型Scott變壓器，進行信號隔離和變壓后，將這些信號轉(zhuǎn)換成正、余弦形式，即

式中，θ為自整角機信號輸入的軸角量。

假設(shè)加/減計數(shù)器(又稱可逆計數(shù)器)的當(dāng)前字狀態(tài)為φ，那么把φ輸入到高速正余弦乘法器中，V1乘以cosφ、V2乘以sinφ分別變?yōu)?

這2個信號經(jīng)誤差放大器相減，即得

該交流信號經(jīng)過同頻同相位的參考信號相敏調(diào)節(jié)器、積分器、壓控振蕩器 (VCO)和加/減計數(shù)器等組成的一個閉環(huán)回路，直至使

2.2 數(shù)字-軸角模擬量轉(zhuǎn)換器

SZZ系列轉(zhuǎn)換器是一種全電子的自整角機/旋轉(zhuǎn)變壓器模擬輸出裝置，其功能是將輸入的數(shù)字全角量轉(zhuǎn)換成自整角機/旋轉(zhuǎn)變壓器形式的模擬電壓輸出。

SZZ系列轉(zhuǎn)換器的原理圖見圖3所示［4］。輸入的參考信號經(jīng)電子變壓器隔離降壓，給正余弦乘法器提供給參考信號;數(shù)字角度量輸入，經(jīng)數(shù)字鎖存器把低12位或14位數(shù)字量送到正余弦乘法器，把高兩位數(shù)字量連接到象限選擇開關(guān)，以形成全角量的正、余弦模擬信號，經(jīng)過功率放大器進行放大，最后由輸出變壓器升壓隔離形成三線自整角機信號輸出或者四線二相的旋轉(zhuǎn)變壓器信號輸出。同時，轉(zhuǎn)換器設(shè)計中增加了電流限制電路，防止由于過載或者由于輸出波形畸變而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器拉偏某一電源，大大提高了可靠性能。

圖3 數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換器原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of digital to rotary converter

假設(shè)輸入的參考電壓為:Vref=E0sinωt，E0為參考電壓的幅值，則輸出的自整角機信號為:

輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器信號為:

K為輸出變壓器的變化，RH和RL為參考信號的輸入端，RH為高端，RL為低端。ENL和ENM為數(shù)字鎖存器的控制端，ENM控制高字節(jié)數(shù)字量，ENL控制低字節(jié)數(shù)字量。當(dāng)ENL和ENM為邏輯高電平時，轉(zhuǎn)換器的輸出跟隨數(shù)字輸入量變化;當(dāng)ENL和ENM為邏輯低電平時，轉(zhuǎn)換器的輸出將被鎖存為下降沿的時刻的輸入數(shù)據(jù)，并保持不變。

3 姿態(tài)信息實時轉(zhuǎn)換和分配

3.1 實時轉(zhuǎn)換和分配

實際實現(xiàn)的姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采取軸角模擬量-數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)字-軸角模擬量轉(zhuǎn)換的2個功能單元邏輯上獨立，圖4為軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換邏輯單元的功能示意圖，圖5為數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換邏輯單元的功能示意圖。物理上位于系統(tǒng)內(nèi)同一個電子設(shè)備內(nèi)，共用同一塊底板，通過底板的走線連接2個功能單元，實時的傳送數(shù)據(jù);并把轉(zhuǎn)換后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)發(fā)送到需要數(shù)據(jù)的各電子設(shè)備中。該轉(zhuǎn)換通道不受其他設(shè)備的運行影響，避免了傳統(tǒng)的處理方式導(dǎo)致的軟件處理和硬件傳輸?shù)臅r間延遲，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的實時性和可靠性得到了進一步加強［5］。

3.2 數(shù)值解碼

數(shù)值解碼就是把輸入的角度模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角度數(shù)字量，或者是把輸入的角度數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角度模擬量，這2個轉(zhuǎn)換過程相反，原理類似。下面以角度模擬量轉(zhuǎn)換為角度數(shù)字量為例說明數(shù)值解碼過程［6］。

對于圖4中所示的軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換邏輯單元，為了提高軸角轉(zhuǎn)換的精度，通常采用粗、精組合的雙通道技術(shù)。粗通道和精通道通過速比 (1∶N)聯(lián)系。假設(shè)圖4中的N=32，即速比為1∶32，若粗通道轉(zhuǎn)一周代表360°，則精通道轉(zhuǎn)一周代表360°/32=11.25°。

這樣精通道就有9位的權(quán)值和粗通道重合，則粗、精數(shù)據(jù)組合時，取粗通道的前5位，然后取精通道的全部，組成19位數(shù)，即輸出的數(shù)字量為C1，C2，C3，C4，C5，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)14。其中C1為最高位 (MSB)，代表 180°;F14為最低位(LSB)，代表 0.0006866°。

4 精度測試和分析

對姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度測試示意圖如圖6所示，采用自整角機或旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器向轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸入自整角機信號或旋轉(zhuǎn)變壓器信號，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的自整角機信號或旋轉(zhuǎn)變壓器信號輸出到JWZ548A雙速角度位置指示器中［7］，同時轉(zhuǎn)換系統(tǒng)經(jīng)由SDC或RDC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量軸角信息通過接口轉(zhuǎn)換插件直接在顯示器中顯示出來。這樣就可以對如下的轉(zhuǎn)換精度做統(tǒng)計分析:

1)由自整角機/旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器的輸入值對比雙速角度位置指示器的數(shù)值可以得到整個轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的粗通道、精通道、粗精通道疊加的精度;

2)由自整角機/旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器的輸入值對比顯示器的顯示值可以得到轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中SDC或RDC的粗通道、精通道、粗精通道疊加的精度;

3)由顯示器的顯示值對比雙速角度位置指示器的數(shù)值可以得到轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中DSC或DRC的粗通道、精通道、粗精通道疊加的精度。

圖6 實時轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度測試示意圖Fig.6 Accuracy test schematic diagram of real-time conversion system

轉(zhuǎn)換模塊的本身的數(shù)字量輸入或輸出位數(shù)多少會影響轉(zhuǎn)換精度，粗精通道的速比值，以及經(jīng)過雙速處理器處理后的數(shù)字量位數(shù)多少也會影響轉(zhuǎn)換精度。表1為轉(zhuǎn)換位數(shù)的精度對應(yīng)表［8］，且這些誤差的疊加不會超過表1中精度值的2倍。

這樣，就得到了整個實時轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度統(tǒng)計分析，測試結(jié)果表明系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)換精度主要和轉(zhuǎn)換模塊 (SDC，RDC，DSC或DRC)的固有精度指標相關(guān)。從系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)也可以分析出，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸入和輸出之間通過底板的走線連接起來，并且傳輸?shù)男盘柸渴菙?shù)字信號，不存在傳輸差錯的問題 (采用校驗方式)，并且如果20位或以上的雙速處理器，疊加到系統(tǒng)上的誤差不會超過0.0007°，即0.004'，這個誤差對系統(tǒng)的影響基本可以忽略不計。因此需要根據(jù)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度要求，調(diào)整轉(zhuǎn)換模塊的型號;通過選擇合適精度的轉(zhuǎn)換模塊，以滿足整個轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度指標要求［9］。

表1 轉(zhuǎn)換位數(shù)精度對應(yīng)表Tab.1 Corresponding accuracy table of conversion bit

5 結(jié)語

該姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)因其在輸入(SDC或RDC)和輸出(DSC或DRC)之間有4種不同的信號轉(zhuǎn)換組合方式，輸入和輸出的速比也可以由軟件控制，可以同時滿足粗精雙通道的轉(zhuǎn)換方式，對不同電子設(shè)備的導(dǎo)航姿態(tài)信息接口具有很強的自適應(yīng)性。并且由于轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)換通道不受外界影響，強實時、低延遲的轉(zhuǎn)換和分配等優(yōu)點，已裝備于多個艦船的導(dǎo)航控制系統(tǒng)和武器控制系統(tǒng)中，應(yīng)用效果良好，同時也增強了不同系統(tǒng)之間不同設(shè)備的互操作性和互換性，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

［1］任春華，李墨，潘英俊，等.激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)動態(tài)姿態(tài)誤差分析與補償研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2011(11):2376-2380.REN Chun-hua，LI Mo，PAN Ying-jun，et al.Study on compensation and analysis of LINS's dynamic attitude errors［J］.Journal of System Simulation，2011(11):2376-2380.

［2］李傳江，郭延寧，張永合，等.基于時頻域分析的輪控航天器姿態(tài)控制規(guī)律參數(shù)整定［J］.宇航學(xué)報，2011(11):2319-2325.LI Chuan-jiang，GUO Yan-ning，ZHANG Yong-he，et al.Parameter tuning for the attitude control algorithm of wheel controlled spacecraft based on time and frequency domain analysis［J］.Journal of Astronautics，2011(11):2319-2325.

［3］徐大林，黃慶安.數(shù)字式自整角機/旋轉(zhuǎn)變壓器變換技術(shù)發(fā)展綜述［J］.微電機，2006(3):81-85.XU Da-lin，HUANG Qing-an.The technology and development of digital to synchro/resolver conversion［J］.Micromotors Servo Technique，2006(3):81-85.

［4］徐大林，陳建華.自整角機/旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字變換技術(shù)及發(fā)展［J］.測控技術(shù)，2005(10):1-6，10.XU Da-lin，CHEN Jian-hua.Technology and development of synchro/resolver to digital conversion［J］.Measurement ＆Control Technology，2005(10):1-6，10.

［5］謝榮，魯海燕.基于四元數(shù)的船舶運動姿態(tài)仿真研究［J］.中國造船，2011(4):147-152.XIE Rong，LU Hai-yan.Simulation research of ship motion gestures based on quaternion［J］.Shipbuilding of China，2011(4):147-152.

［6］凡永華，岳小飛，于云峰，等.基于模糊控制的高空飛艇姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2011(12):45-48.FAN Yong-hua，YUE Xiao-fei，YU Yun-feng，et al.Design of attitude control system for a high altitude airship using fuzzy control［J］.Measurement＆ Control Technology，2011(12):45-48.

［7］談林霞，張福學(xué).高精度動態(tài)水平姿態(tài)傳感器系統(tǒng)設(shè)計［J］.壓電與聲光，2011(6):910-914.TAN Lin-xia，ZHANG Fu-xue.The system design for highprecision dynamic level attitude sensor［J］.Piezoelectrics ＆Acoustooptics，2011(6):910-914.

［8］于旭東，高娜，龍興武，等.高精度單軸旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測量系統(tǒng)研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2010(6):980-983.YU Xu-dong，GAO Na，LONG Xing-wu，et al.High precision single-axial rotation attitude measurement system［J］.Journal of Applied Optics，2010(6):980-983.

［9］胡佩達，高鐘毓，吳秋平，等.船用慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)角微分估計算法［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，2011(3):273-276.HU Pei-da，GAO Zhong-yu，WU Qiu-ping，et al.Attitude differential estimation for shipborne inertial navigation system［J］.Journal of Chinese Inertial Technology，2011(3):273-276.