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角度传感器的基本原理及如何利用其简化角度测量 来源：网络整理•作者：佚名• 2020-02-25 16:27 • 次阅读 • 个评论自从人类发明了转轮，我们就希望了解如何通过改变精度提高转轮转动效率。在过去几个世纪，科学家和工程师已经研发了许多方法来实现此目标，期间轮-轴系统的基本原理得到了广泛应用，从汽车、音量旋钮、各种机械形式的齿轮到简陋的手推车，几乎每种机械系统均采用了这一原理。
经过多个时代的探索，人们发现让转轮高效运转的最重要因素并非转轮本身（为何不彻底改造它呢？），而是转轮的轴角。目前测量和优化轴角的最有效方法是采用角度传感器。现有许多种角度传感器都能够通过轮轴监控和改进促进轮周效率优化；但如果配合使用FPGA，您就能够取得非常显著的效果，同时能够提高众多应用中的轮轴/轮周效率。
在详细介绍工程师们如何最佳利用赛灵思FPGA达到上述目的之前，先让我们简单回顾一下角度传感器的部分基本原理。目前得到广泛应用就是编码器和分解器这两类角度传感器。 编码器和分解器的类型 编码器分为增量和绝对两个基本类别。增量编码器可以监控轮轴上的两个位置，并且可以在轮轴每次经过这两个位置时产生A或B脉冲。独立的外部电动计数器然后从这些脉冲解读出转速和旋转方向。虽然适用于众多应用，但是增量式计数器确实存在某些不足。例如，在轮轴停转情况下，增量编码器在开始运行之前必须首先通过调回到某个指定校准点来实现自身校准。另外，增量式计数器易受到电气干扰的影响，导致发送到系统的脉冲不准确，进而造成旋转计数错误。不仅如此，许多增量编码器属于光电器件 – 如果对目标应用有影响，则无法用于辐射危险区域。 图1 – 分解器转子激励 分解器绕组 ROTOR：转子 STATOR：定子 绝对编码器是监控轮轴旋转计数和方向的传感器系统。在基于绝对编码器的系统中，用户一般把转轮连接到具有电触头或光电基准的轮轴。在轮轴运行时，基于绝对编码器的系统会记录旋转和运行方向，同时产生易于转换成代码（最常见的是二进制码或格雷码）的并行数字输出。绝对编码器的优势在于只需要校准一次（一般是在工厂中校准），而无需每次使用前都校准。此外，绝对编码器一般比其它编码器更可靠。不过，绝对编码器一般很昂贵，而且它们不利于进行并行数据传输，尤其是在测量其读数的电子系统距离编码器较远情况下。 分解器就其本身而言是一种旋转变压器——一种输出电压与其所监控的输入轴角唯一关联的模拟器件。它是一款具有0~360旋转角度的绝对位置传感器，其直接连接到轮轴并报告转速和位置。分解器与编码器相比有诸多优势。分解器非常稳健可靠，能够经受带有灰尘、油污、极端温度、振动和辐射的严酷环境。作为一种变压器，分解器可以提供信号隔离以及对电气干扰的自然共模抑制。除了这些特性之外，分解器只需要四根线就可进行角数据传输，这使其能够适用于从重工业、微型系统到航空航天工业等各种应用。 无刷分解器得到了进一步改进，其无需与转子的滑环连接。因此，这种分解器更可靠，而且使用寿命更长。 分解器采用两种方式获取与轴角相关的输出电压。在第一种方式中，如图1所示的转子绕组由交变信号激励，而输出来自两个定子绕组。由于定子是以机械方式定位到正确角度，因此输出信号幅度是通过轴角的三角正弦和余弦关联。正弦与余弦信号均具有与原始激励信号相同的相位；仅其幅度随轮轴的旋转通过正弦与余弦进行调制。 图2 – 分解器数字转换器（RDC）方框图 图中文字如下： ROTOR REFERENCE：转子基准 STATOR INPUTS：定子输入 COSINE MULTIPLIER：余弦乘法器 SINE MULTIPLIER：正弦乘法器 UP /DOWN COUNTER：递增/递减计数器 LATCHES：锁存器 DETECTOR：检测器 ERROR：误差 INTEGRATOR：积分器 VELOCITY：速度 DIGITAL ANGLE：数字角度 WHEN ERROR = 0：当误差=0 在第二种方式中，定子绕组由相位正交的交变信号激励。然后在转子绕组中感应电压。绕组的幅度和频率固定，但其相移随轴角变化。 分解器可以放置到需要测量角度的位置［2］。而电子装置一般指的是分解器数字转换器（RDC），可以放置到需要测量数字输出的位置。分解器的模拟输出（含有轮轴角位置信息）然后经RDC转换成数字形式。 典型RDC的功能 一般而言，分解器的两个输出会应用到RDC的正弦与余弦乘法器［3］。这些乘法器结合正弦和余弦查找表以及函数构成乘法数模转换器。图2显示了其功能。 暂且假设开始时递增/递减计数器的当前状态是一个代表试验角度（trial angle）ψ的数值。转换器设法调整数字角度ψ，使其一直等于并跟踪所测量的模拟角度θ。 分解器的定子输出电压为： V1= V sinωt sinθ 方程1 V2= V sinωt cosθ 方程2 其中θ是分解器转子的角度。数字角度ψ应用到余弦乘法器，其余弦乘以V1得出下式： V sinωt sinθ cosψ 方程3 数字角度ψ另外还应用到正弦乘法器，乘以V2得出下式： V sinωt cosθ sinψ 方程4 这两个信号由误差放大器相减求得出波形的误差信号： （V sinωt sinθcosψ – V sinωt cosθ sinψ） 方程5 V sinωt （sinθ cosψ- cosθ sinψ） 方程6 根据三角恒等式，其简化为： V sinωt ［sin （θ -ψ）］ 方程7 图3 – SD-14620方框图（单信道） 图中文字如下： REFERENCE CONDITIONER：基准调节器 BIT DETECTOR：位检测器 “S” OPTION SYNTHESIZED REFERENCE：“S”选项综合基准 INPUT OPTION：输入选项 CONTROL TRANSFORMER：控制变压器 GAIN：增益 DEMODULATOR：解调器 HYSTERESIS：滞后 INTEGRATOR：积分器 14/16 BIT UP/DOWN COUNTER：14/16位递增/递减计数器 VCO & TIMING：VCO与时序 DATA LATCHES：数据锁存器 FILTER：滤波器 47μf external capacitor：47μf外部电容 图4 – OSC-15802基准振荡器方框图 图中文字如下： QUAD OSCILLATOR：四线组振荡器 检测器采用分解器的转子电压作为基准同步解调此AC误差信号。这会产生与sin （θ -ψ）成正比的DC误差信号。 DC误差信号馈送到积分器，其输出驱动一个由电压控制的振荡器。而VCO会导致递增/递减计数器按正确方向计数，从而在一次计数中产生： sin （θ -ψ）→0 方程8 当取得此结果，则： θ -ψ→0 方程9 因此， θ = ψ 方程10 因此，计数器的数字输出ψ代表着角度θ。锁存器可以在不中断回路跟踪情况下实现此数据向外部的传输。 此电路等效于2型伺服回路，因为它实际上有两个积分器。一个是累计脉冲的计数器；另一个是位于检测器输出端的积分器。在具有恒定旋转速度输入的2型伺服回路中，输出数字字连续跟随或跟踪该输入，而无需外部导出转换。 RDC典型实例：SD-14621 SD-14621是数据设备公司（DDC）生产的小型低成本RDC。它有两条具备可编程分辨率控制功能的信道。分辨率编程功能允许选择10、12、14或16位模式［4］。此功能允许低分辨率高速跟踪或者更高分辨率支持更高精度。由于其大小、成本、精度与多功能性，此转换器适用于高性能军用、商用及位置控制系统。 器件的运行需要一个+5V电压。转换器有两个对模拟地为±4V电压范围的速度输出（VEL A、VEL B），可用于替代转速计。为两条信道（/BIT A与/BIT B）提供两个内置测试输出，以指示信号丢失（LOS）。 此转换器由三大部分组成：输入前端、误差处理器和数字接口。前端对于同步器、分解器和直接输入端有所不同。电子Scott-T用于同步器输入，分解器调节器用于分解器输入，而正弦与余弦电压跟随器用于直接输入端。这些放大器可以馈送高精度控制变压器（CT）。CT的另一个输入是16位数字角度ψ，其输出是两个输入之间的模拟误差角度或差分角度。CT采用放大器、交换机、逻辑电路与电容器以查准率执行SINθ COSψ - COSθ SINψ = Sin（θ-ψ）的三角函数计算。 与常规精密电阻器相比，这些电容器按查准率使用，以获得更高精度。另外，这些电容器（与运算放大器一起用作计算元件）进行高速采样，以消除偏移和运算放大器偏差。 DC误差处理进行积分运算，然后得到驱动电压控制振荡器的速度电压。此VCO与速度积分器结合在一起构成递增积分器：一种2型伺服反馈回路。 基准振荡器 我们设计中采用的OSC-15802功耗振荡器也是DDC公司提供。此器件适用于RDC、同步器、LVDT和感应式传感器应用［5］。频率与振幅输出可以分别由电容器和电阻器编程。输出频率范围介于400Hz~10kHz之间，输出电压为7Vrms。图4显示了器件的方框图。 馈送到分解器和RDC的振荡器输出用作基准信号。 VIRTEX-5 FX30T FPGA与RDC接口 我们在设计中采用赛灵思Virtex-5 FX30T FPGA ［6］。FPGA的I/O电压为3.3V，而RDC的电压为5V。因此我们采用电压收发器来实现这两个器件之间的电压兼容。通过赛灵思提供的GPIO IP核与FPGA建立内部连接，如图5所示。 为了简单起见，图5仅显示一条具有一个分解器接口的信道。您可以在本文件随附的赛灵思开发板描述（XBD）文件找到RDC的引脚详情以及FPGA对应的专用引脚。详情见该文件第一部分。 图5 – RDC与Virtex-5 FPGA的接口（单信道） 图中文字如下： TRANSCEIVER：收发器 RESOLVER：分解器 REF SIGNAL：基准信号 POWER OSCILLATOR （OSC-15802）：功耗振荡器 SIGNAL CHAIN：信号链 器件驱动程序详细说明 在本例中，FPGA采用20MHz的外部输入时钟。此FPGA具有一个运行频率为200MHz的PowerPC 440硬核。RDC的时序图见图6与图7。 图6 – INHIBIT时序 图7 – ENABLE时序 根据RDC的时序图，我们开发、测试并验证了实际硬件的功能是否正确。器件驱动程序的实际编码包含在单独的XBD文件中。根据时序图，我们生成了用于回路的所需延迟。在200MHz运行速率下进行处理时，每个计数都对应5纳秒的延迟。 器件驱动程序有三部分编码：RDC初始化、控制信号的生成及从RDC信道A的读取、以及控制信号的生成及从RDC信道B的读取。RDC初始化是设置信号方向和缺省值的阶段。例如，利用以下语句，信号方向将设置为从FPGA“输出”到RDC。 XGpio_WriteReg（XPAR_RESOLUTION_CNTRL_CH_A_ BASEADDR，XGPIO_TRI_OFFSET，0x000）; 下一个语句通过写入“0x3”来设置16位分辨率（即：拉高）： XGpio_WriteReg（XPAR_RESOLUTION_CNTRL_CH_A_ BASEADDR，XGPIO_DATA_OFFSET，0x03）; 我们已经看到，角度传感器可以帮助工程师创造更好的转轮，进而设计出众多更高效的机械装置。分解器是一种尤为有用的角度传感器，只要能够与FPGA正确配合和控制，其就能够帮助工程师打造出无与伦比的机械装置。 责任编辑：gt三分钟带你深度解读角度传感器角度传感器的定义角度传感器是指能感受被测角度并转换成可用输出信号的传感器。 角度传感器，顾名思义，是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈2022-02-11 14:16:200角度传感器的选择 如何选择角度传感器角度传感器，顾名思义，是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，它就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度2022-01-24 15:37:1739PN结的基本原理及教程PN结的基本原理及教程2021-12-31 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09:06:499406磁栅位移传感器的角度测量装置（STM32F103为核心）角度的测量是伺服转台系统的一个重要组成部分，目前广泛应用的角度测量传感器一般有光电编码器、光栅传感器、正余弦旋转变压器等。光栅式传感器大量程测量精度仅低于激光干涉传感器，光栅测量技术成熟，精度和2017-11-01 14:23:417光电式和磁电式角度传感器与基于磁电式角度传感器的设计角度传感器广泛应用于汽车、机械、航空、航天、航海、工业自动化等领域。它主要分为接触式和非接触式两种，由于接触式的角度传感器随着使用时间的增长，会存在机械磨损、精度降低、经常维修甚至更换新设备等缺点2017-10-26 10:31:1614旋转角度传感器工业应用 图尔克新的电感式旋转角度传感器的工作方式采用全新的、革命性的测量原理。产品融合了标准测量系统的优势，并且得到了系统的、进一步的提高。取消了磁铁检测的模式，而采用电感式RLC耦合电路来确定角度位置。2017-09-21 15:57:062压电震动和振动传感器的基本原理本文档介绍了压电震动和振动传感器的基本原理。2017-09-13 18:04:3834如何利用加速度传感器测量物体的倾斜角度？测量物体的倾斜角度是加速度传感器的一种常见应用，虽然测试原理十分简单，但具体实现过程中仍然会遇到很多问题。2017-08-30 16:38:1922069压电冲击振动传感器的基本原理压电传感器用于弯曲、触觉、振动和冲击测量。它的基本原理，在过于简单化的风险，如下：当一个结构时，它的经验加速度。一个压电冲击传感器，反过来，可以产生物理加速收费。然后，这些属性组合用于修改响应或减少噪声和振动。2017-07-17 14:23:5622AMR角度传感器详细介绍。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0，如果需要，你可以用编程把它重新复位。 使用角度传感器来控制你的轮子可以间接的发现障碍物。原理非常简单：如果马达角度传感器构造运转，而齿轮不转，2017-05-31 17:25:4643高精度角度传感器自动标定系统高精度角度传感器自动标定系统2017-05-22 10:46:017圆光栅角度传感器的误差补偿及参数辨识资料飞外网站提供《圆光栅角度传感器的误差补偿及参数辨识资料.pdf》资料免费2014-09-21 22:14:011角度传感器原理角度传感器原理,又需要的朋友可以下来看看。2016-11-27 23:31:5326巨磁电阻(GMR)角度传感器巨磁电阻(GMR)角度传感器，感兴趣的小伙伴们可以瞧一瞧。2016-10-12 16:18:0511利用加速度传感器测量物体的倾斜角度利用gsensor计算倾斜角度的计算方法。2016-06-20 15:00:1615位移与速度测量传感器介绍位移与速度测量传感器的基本原理和应用2016-06-04 09:51:504称重传感器的工作原理及故障检测称重传感器的工作原理及故障检测，对称重传感器基本原理有了更深入的了解，便于你的开发设计2016-05-28 13:52:338精密小角度传感器及其应用在小角度的时候该怎么怎么选择传感器型号呢？下面这个文档就是关于这方面的一些资料。2016-04-08 14:54:271采用加速度传感器的角度测量仪系统硬件电路设计在现代控制系统中，角度测量装置是非常关键的需要高精度的部件，其测量精度直接影响着整个系统的性能和精度。目前已有的利用的加速度传感器实现高精度角度测量的研究，主要侧重于单轴的角度测量。本文将重点讨论利用双轴加速传感器ADXL202实现高精度角度测量的硬件方法。2014-12-11 11:32:595651基于AM402的电流量输出电容式角度传感器的研究设计了一种新型的电容式角度传感器，并利用电容式信号转换集成电路CAV424和电压一电流转换接口电路AM402，将电容传感器信号转化为4—20mA标准的工业电流输出。该系统能够有效地降低干扰和测量误差，在0—90°的范围内实现对角度的精确测量，得到线性度良好的直流电流量输出。2014-07-28 10:20:042428基于MLX90316的磁性角度传感器的设计方案为实现恶劣环境下角度值的测量，分析了各类角度传感器的优缺点，本文介绍了一款基于MLX90316的非接触式、低成本、高分辨率，高抗干扰的磁性角度传感器的设计方案。2013-12-03 09:51:359301角度传感器工作原理及应用简介角度位移传感器是利用角度变化来定位物体位置的电子元件。适用于汽车，工程机械，宇宙装置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统以及注塑机，木工机械，印刷机，电子尺，机器人，工2012-12-06 17:28:115988基于单片机的角度测量仪的设计角度测量仪利用光电编码器读取角度值，采用AT89S51 单片机实现角度值数码显示、角度值偏差范围的发光二极管指示功能(有三个指示灯，分别指示：偏高、偏低、适中)。不论在操作的复2012-05-10 10:10:175605角度位移传感器原理及其应用实例本文介绍角度位移传感器原理及其应用实例。并简要介绍了直线位移传感器原理及故障处理办法2012-03-09 15:24:136978角度传感器_什么是角度传感器角度传感器是用来检测角度的。角度传感器能感受被测角度并转换成可用输出信号的传感器。本文讲述了什么是角度传感器。2012-01-03 13:04:427693基于线阵CCD的角度测量方法在四轮定位等系统中常需要非接触的精确角度测量,以确定两个被测对象的轴心是否在一个平面上,进而测量物体的偏移角度。为此,提出了利用线阵CCD 进行精确角度测量的原理和实现方法2011-11-07 14:56:1371路由基本原理及路由协议本文研究的是路由基本原理及路由协议2011-11-03 18:40:02120综合录井仪基本原理及资料应用综合录井仪基本原理简介综合录井仪从工作流程可分为一次仪表(传感器)、二次仪表及接口、联机采集、监控计算机三部分。2011-06-01 16:33:3720角度传感器应用问题分析角度传感器 ，是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改2011-05-31 17:27:48114差动电容传感器原理及应用差动电容传感器越来越广泛地应用于诸如压力、 加速度、直线位移、转角等物理量的测量，其电路结构 依测量要求不同而不同．但其基本原理都是和用比斜 信号处理法以传感器电容容量的变化来反映被测量的 变化．电容变化可 是线性或非线性的。利用比倒信号 处理2011-03-04 15:52:42501角度传感器应用资料角度传感器，顾名思义，是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到 RCX 上时，轴每转过 1/16 圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传2011-01-23 17:31:48320基于角度传感器的玻璃材料折射率的测定基于角度传感器的玻璃2011-01-10 23:35:5037显示器EDID 基本原理显示器EDID 基本原理2010-07-15 16:05:4466应变式传感器的基本原理电阻式传感器的基本原理将被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。其类型很多，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩2010-06-05 14:32:033623相位调制传感器相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折2010-01-26 18:26:28824电压比较器基本原理及设计应用电压比较器基本原理及设计应用 本文主要介绍电压比较器基本概念、工作原理及典型工作电路，并介绍一些常用的电压比较器。电压比较器(以2009-12-31 10:14:203296分布式光纤传感器中检偏镜对轴角度分析白光干涉分布式光纤传感器中检偏镜的对轴角度会影响干涉信号的强度，当待测量强度很弱时，为了增大待测量对应的干涉信号强度，需要确定检偏镜的最优对轴角度。从宽谱光2009-12-14 15:57:1612电阻式传感器原理及相关知识详细介绍电阻式传感器原理及相关知识详细介绍电阻式传感器种类繁多，应用广泛，其基本原理就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化2009-12-01 13:51:51871传感器工作原理及系统和测量方法工作原理传感器工作原理及系统和测量方法 利用衍射光栅和位敏探测器的光学应变传感器的应变测量原理。衍射光栅粘附在试样的表面，2009-11-23 14:34:541083微调电位器和旋转角度传感器微调电位器和旋转角度传感器2009-11-18 11:32:5440声发射检测的基本原理声发射检测的基本原理声发射检测的原理如图1.1所示，从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器2009-11-15 12:20:262275传感器测量原理传感器测量原理:1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路传感器定义:传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装2009-11-14 10:09:2429传感器选用的基本原则传感器选用的基本原则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量 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