舵机角度检测系统的设计与应用

【摘要】舵机是水下航行器的重要执行机构，舵机角度检测系统的性能直接影响着水下航行器的运动控制性能，由于旋转变压器适应复杂恶劣工况条件的能力强，本文在水下航行器的舵机角度检测中采用了旋转变压器来实现舵角信号的精确测量，在给出旋转变压器工作原理基础上，提出系统的硬件设计方案，设计了RDC芯片AU6802N1与旋转变压器和单片机的接口电路，并成功应用在某型水下航行器上。实测舵机角度位置信号完全满足舵机控制系统的性能要求，并且该角度检测系统精度高、可靠性好，具有较高的应用价值。

【关键词】水下航行器；舵机；分布式控制；角度检测

一、引言

水下航行器作为一种军民两用的水下运载器，近年来取得了长足的发展，具有广阔的应用前景和重大的经济价值。舵机是水下航行器中重要的执行机构，它根据控制器的输出指令来操纵航行器的舵面，从而改变航行器的航行姿态或航行轨迹，它的性能好坏直接决定着水下航行器的运动控制性能。舵机是一个典型闭环反馈系统，主要包括控制电路、小型直流电动机、减速齿轮组。减速齿轮组由电动机驱动，其输出端带动一个实现舵机角度检测的传感器装置。通常的检测方法是使用光电编码器和电位器，而对于舵机这样一个频繁正反转、长时间工作的执行机构，光电编码器存在抗冲击振动性差，电位器易受干扰，精度低等问题。

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。由于旋转变压器的以上特点，可完全替代光电编码器等传感器，被广泛应用在各种领域的角度、位置检测系统中。

本文采用旋转变压器实现舵角度检测。该舵机角度检测系统以dsPIC30F6014A作为控制器核心，通过CAN总线与上级控制器进行通信，接收上级控制器的舵机角度指令，并将舵机当前实际角度和故障等信息返回给上级控制器，实现分布式控制。试验数据表明舵机角度检测性能完全满足控制系统指标要求。

二、旋转变压器的原理

旋转变压器是一种输出电压随转子角度变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，在一定转角范围内与转角成线性关系。如图1所示，旋转变压器的初级励磁绕组Np1，Np2和二相正交的次级感应绕组Ns1和Ns3，Ns2和Ns4同在定子侧，转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的磁阻转子。

当旋转变压器转子随电机同步旋转，Np1，Np2外加交流励磁电压ENp2，Np1后，次级两输出绕组中便产生感应电势，其大小为励磁与转子旋转角的正、余弦值的乘积，其输入输出关系为：

式中：——励磁最大幅值；——励磁角频率；——旋转变压器变比；——转子旋转角度。

由旋转变压器的工作原理可知，通过给旋转变压器的原边加上正弦激励信号，可在其副边得到同相位的两路幅值为空间正交的正弦信号。通过监测它的幅值变化，即可测出旋转变压器的转子的空间角度的变化。

本文选用日本多摩川公司研究出的旋转变压器TS2142N1E63，该旋转变压器采用无刷设计，具有高可靠性、长寿命、高速旋转、绝对位置检测，能用在恶劣的环境中工作等特点。

三、舵机角度检测系统设计

旋转变压器是一种模拟型机电元件，输出的是模拟信号，不能满足数字化的要求，就需要将旋转变压器输出的交流信号直接变换成数字信号的器件，即旋转变压器/数字转换器（RDC）器件。Smartcoder-AU6802N1是一款高速、数字跟踪、全角度检测芯片，将它与旋转变压器相结合，可以将与机械转动角相应的电信息转换为数字信号并传输出来，便于计算机对电机旋转角度进行处理。AU6802N1芯片将旋转变压器的激励电路和数字转换电路集成在同一个芯片上，保证了旋转变压器激励输入的频率和相位与数字转换电路输入信号的频率和相位尽可能地保持一致。

提供给旋转变压器的励磁信号由芯片内部产生并通过RSO口输出，为了给旋转变压器的励磁绕组提供满足要求的高品质正弦波励磁信号，需要加入相应的信号处理电路，如图2所示，同时该励磁电压信号又反馈回R1E-R2E端口，用于实现内部相位同步检测和断相检测。

由旋转变压器输出的转速正弦信号和余弦信号分别通过S2-S4，S1-S3口输入，再经10位乘法器与反馈转速的数字跟踪量相乘，产生的信号再通过比较器和相位补偿及同步校正处理后，得到所需转速的精确数字量，为使所接收到的旋转变压器正/余弦信号能够满足芯片对输入信号幅值与相位的要求，相应的信号处理电路如图3所示：

舵机角度检测系统中选用Microchip公司的dsPIC30F6014A单片机作为核心处理器，用AU6802N1将旋转变压器输出的模拟位置信号（sin，cos）转换为12位数字位置信号，然后由单片机将数字位置信号读入并进行处理。

本系统通过CAN总线与上级控制器通信，CAN通信部分电路原理图如图4所示，CAN总线的接口部分采用了安全和抗干扰措施。采用光电隔离芯片6N137将CAN控制器和收发器隔离，以便有效地增加通信距离和抗干扰能力。

四、软件设计

软件采用模块化设计，其中舵机角度检测和CAN通信数据接收通过中断服务程序实现。为了提高控制系统的可靠性，在软件设计时采取了一些措施：在每个模块之后和程序存储器空白区加了软件陷阱，并且在一些重要跳转指令之间增加了软件冗余指令；对于舵机角度检测信号采用中值、均值滤波技术。软件主程序流程如图5所示。

五、试验结果及分析

本文所述舵机控制系统已应用在实际的水下航行器产品上，通过水池、湖上试验，舵机控制系统的性能完全能够满足运动控制指标要求，能够很好地实现水下航行器的上浮、下潜、左右转向等机动能力。通过记录舵角的设定值和实际测量值来分析舵机控制的动态性能和静态性能。如图6、7、8分别表示在不同设定值下的角度跟踪控制性能，其中蓝线代表设定值，红线代表实际测量值，

从图6、7、8可以看出在3种不同舵机角度设定值曲线下，通过角度检测系统测得的角度值均能够很好地跟踪设定值，具有动态响应速度快、静态误差小的优点。满足控制系统对舵机角度检测的性能要求。

六、结论

旋转变压器/数字转换器（RDC）AU6802N1与单片机构成了高精度舵机角度检测系统，其接口电路简洁，通过对转子位置进行合理的数字处理，能够实现转子位置的精确测量。试验证明，设计的接口电路和数字处理方法简单，精度高，可靠性好，抗干扰能力强，完全能够满足舵机控制系统的要求，具有较高的应用价值。

参考文献

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作者简介：晏刚（1982—），男，硕士，现供职于中国船舶重工集团公司第七一研究所，研究方向：嵌入式控制系统硬件、软件，水下机器人智能控制。