一种基于FPGA的抗辐射编码器容错系统技术方案

一种基于FPGA的抗辐射编码器容错系统，包括：旋转变压器、光电编码器码盘、光电编码器工作硬件电路、光电编码器备份硬件电路、切换电路和FPGA，旋转变压器为故障诊断和电路切换提供基准，光电编码器码盘为系统正常工作时测量角度信息所用码盘，切换电路用于在工作硬件电路失效时切换至备份硬件电路，FPGA判断工作硬件电路是否正常工作和控制切换过程，FPGA包括幅值调整模块、相位补偿模块和自适应滤波模块，根据模块的输出计算FPGA整合数据，输出经FPGA处理的光电编码器角度信息。本发明专利技术可为辐射环境下电机控制系统提供角度信号，提高编码器系统在核辐射环境下的长时服役可靠性，具有体积小、功耗低、分辨率高等优点。分辨率高等优点。分辨率高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的抗辐射编码器容错系统


[0001]本专利技术属于核工业
，具体涉及一种基于FPGA的抗辐射编码器容错系统，利用旋转变压器和FPGA优异的抗辐射特性，在核辐射环境下对电机输出轴的角位移进行精确测量。

技术介绍

[0002]随着核电站的逐年部署及其相关涉核产业的快速发展，核电的安全性开始备受关注，核应急救援设备与方法成为研究的热点，对核应急处理机器人的需求日益增长。
[0003]编码器是一种将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，目前已广泛应用于伺服系统的角度测量中，对伺服系统的控制起到关键性的作用。目前，编码器中的旋转变压器因为其优异的抗辐射性能经常使用在核辐射环境中。但旋转变压器的分辨率较低，无法适用于核辐射环境下的焊接、无损检测等高精度作业场合。光电编码器作为编码器家族中重要的一员，因其高分辨率和高精度在工业中使用较多，但光电编码器由于电子元器件较多，其在核辐射环境中运行最关键的是如何克服电子元器件的辐射损伤效应。电子元器件在核辐射环境中极易受到辐射总剂量效应的影响，致使电子元器件无法正常工作，进而造成整个编码器系统瘫痪，最终影响整个伺服系统。
[0004]编码器系统所输出角度信息的精度很大程度上由其硬件电路产生的光栅信号质量决定。辐射环境下光栅信号的质量主要受以下因素干扰：信号直流电平、幅值不等、相位不正交、谐波分量和噪声。其中信号直流电平可通过硬件电路进行信号调理消除，但正余弦信号幅值不等、相位不正交、谐波分量和噪声干扰很难通过硬件处理达到高精度要求。因此，为了保证输出角度信息的准确性，要尽量减小这三种不利因素影响。
[0005]针对已有的电子元器件辐射总剂量效应的抗辐射加固方式主要分为三类。一类为针对半导体材料进行抗辐射加固，利用工艺改变氧化物杂质、氧化层缺陷和氧化层结构等方法减少辐射影响。第二类为针对集成电路的电路层级和版图层级综合抗辐射加固设计，由于氧化层中积累辐射诱生的陷阱电荷，导致阈值电压漂移并出现边缘漏电流，通过修改电路和器件版图结构来切断潜在的漏电流通道。以上两类需要大量资源投入研究，成本极大。通常采用第三类改变电路系统结构来提高抗辐射性能，一般的方法为采用冗余电路来备份易被损坏元器件单元。但由于编码器对于实时性和连续性要求较高，常规的冗余电路无法满足要求。另外，常规冗余电路由于其原理限制，制造出的电路总体体积过大，无法满足小体积的场合。
[0006]因此需要一种实时性和连续性高，并且体积小的高分辨率编码器冗余系统。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是：提供在核辐射环境下工作的编码器冗余系统，相较于一般的编码器，具有实时性好、寿命长、结构简单、体积小、功耗低且具有较高分辨率的优势。
[0008]本专利技术设计了一种基于FPGA的抗辐射编码器容错系统，包括：旋转变压器、光电编码器码盘、光电编码器工作硬件电路、光电编码器备份硬件电路、切换电路和FPGA，所述旋转变压器为故障诊断和电路切换提供基准，所述光电编码器码盘为系统正常工作时测量角度信息所用码盘，所述旋转变压器与所述光电编码器码盘共同安装于同一待测旋转轴上并随待测轴一起转动，将轴转动的角度信息转变成电信号分别传出，所述切换电路用于在光电编码器工作硬件电路失效时切换至光电编码器备份硬件电路，所述FPGA判断光电编码器工作硬件电路是否正常工作和控制切换过程，所述旋转变压器测得的角度信息输出至FPGA，同时经过光电编码器工作硬件电路细分后的光栅信号也输出给FPGA，所述FPGA包括幅值调整模块、相位补偿模块和自适应滤波模块，根据所述幅值调整模块、所述相位补偿模块和所述自适应滤波模块的输出计算FPGA整合数据，输出经FPGA处理的光电编码器角度信息。
[0009]进一步地，所述光电编码器工作硬件电路由光电感应模块、差分放大模块、粗码四细分模块、精码模块构成，所述光电感应模块的输入来自于光电编码器码盘模块，将含有角度信息的光信号转换成电信号，经过差分放大模块产生信噪比较大的电信号，分别输入给粗码四细分模块和精码模块，所述粗码四细分模块和所述精码模块将含有角度信息的电信号进行细分处理，并分别将其输出至FPGA中进行叠加处理，得到分辨率较高的角度信息；所述光电编码器备份硬件电路采用不上电的冷备份，具体电路与光电编码器工作硬件电路相同。
[0010]进一步地，所述切换电路采用多路复用器，在FPGA的控制下进行切换控制，当光电编码器工作硬件电路模块失效时，通过切换电路切换至光电编码器备份硬件电路模块。
[0011]进一步地，其中所述幅值调整模块用于正余弦信号幅值不等的处理，所述FPGA分别对光电编码器正余弦幅值进行采样，当二者大小相等时，将此刻幅值输出并存储，覆盖前一次存储值，否则，将存储的前一次正余弦幅值赋给当前值输出，并且保留前一次存储的正余弦幅值，循环这一过程，消除正余弦信号幅值不等带来的影响。
[0012]进一步地，其中所述相位补偿模块用于处理相位不正交，对输入所述FPGA中不满足相位正交的正余弦光栅信号进行相位补偿；所述FPGA对光电编码器正余弦信号进行采样，当同一时刻二者采样值相等且大于0时，记录此刻采样值，并通过此采样值计算光电编码器余弦信号当前时刻的相位Ф0，以此作为后续两信号同周期内第一个交点处余弦相位的参考值，后续FPGA每次检测到同一时刻正余弦信号采样值相等且大于0时，通过此刻采样值计算出余弦相位Ф
i
，判断Ф
i
与Ф0是否相等，若相等则无需补偿；否则计算|Ф0‑
Ф
i
|，得到的值即为此周期的相位补偿，并通过该值计算出此周期余弦信号采样值的补偿值，修正此周期的余弦信号采样值，完成相位补偿。
[0013]进一步地，其中所述自适应滤波模块用于消除谐波分量和噪声处理，接收所述相位补偿模块的输出作为精码，将旋转变压器输出计算出的值作为整合数据的初始权值，与输入FPGA的粗码进行叠加，计算光电编码器角度输出；将所述旋转变压器输出的角度信息和所述光电编码器角度输出做差并计算误差，以所述误差的大小为标准不断调整步长；以调整后的步长更新整合数据的权值，再以更新后的权值计算光电编码器角度输出，使得光电编码器角度输出逐渐接近所述旋转变压器输出，从而输出最终经FPGA处理的光电编码器角度信息。
[0014]进一步地，其中所述经FPGA处理的光电编码器角度信息与所述旋转变压器输出的角度信息近似时，表明所述光电编码器正常工作，输出所述经FPGA处理的光电编码器角度信息；所述经FPGA处理的光电编码器角度信息与所述旋转变压器输出的角度信息相差过大，则表明光电编码器工作硬件电路在辐射环境中失效，FPGA将所述旋转变压器输出角度信息储存，同时控制切换电路工作，使得所述光电编码器工作硬件电路掉电不工作，使光电编码备份硬件电路上电工作。
[0015]本专利技术中，编码器系统解决了目前辐射环境中常用的旋转变压器分辨率低的问题，使得该编码器冗余系统可用于更加精细的场合，且不同于常用的三模冗余体积大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的抗辐射编码器容错系统，包括：旋转变压器、光电编码器码盘、光电编码器工作硬件电路、光电编码器备份硬件电路、切换电路和FPGA，所述旋转变压器为故障诊断和电路切换提供基准，所述光电编码器码盘为系统正常工作时测量角度信息所用码盘，所述旋转变压器与所述光电编码器码盘共同安装于同一待测旋转轴上并随待测轴一起转动，将轴转动的角度信息转变成电信号分别传出，所述切换电路用于在光电编码器工作硬件电路失效时切换至光电编码器备份硬件电路，所述FPGA判断光电编码器工作硬件电路是否正常工作和控制切换过程，所述旋转变压器测得的角度信息输出至FPGA，同时经过光电编码器工作硬件电路细分后的光栅信号也输出给FPGA，所述FPGA包括幅值调整模块、相位补偿模块和自适应滤波模块，根据所述幅值调整模块、所述相位补偿模块和所述自适应滤波模块的输出计算FPGA整合数据，输出经FPGA处理的光电编码器角度信息。2.如权利要求1所述的系统，其中，所述光电编码器工作硬件电路由光电感应模块、差分放大模块、粗码四细分模块、精码模块构成，所述光电感应模块的输入来自于光电编码器码盘模块，将含有角度信息的光信号转换成电信号，经过差分放大模块产生信噪比较大的电信号，分别输入给粗码四细分模块和精码模块，所述粗码四细分模块和所述精码模块将含有角度信息的电信号进行细分处理，并分别将其输出至FPGA中进行叠加处理，得到分辨率较高的角度信息；所述光电编码器备份硬件电路采用不上电的冷备份，具体电路与光电编码器工作硬件电路相同。3.如权利要求1所述的系统，其中，所述切换电路采用多路复用器，在FPGA的控制下进行切换控制，当光电编码器工作硬件电路模块失效时，通过切换电路切换至光电编码器备份硬件电路模块。4.如权利要求1所述的系统，其中所述幅值调整模块用于正余弦信号幅值不等的处理，所述FPGA分别对光电编码器正余弦幅值进行采样，当二者大小相等时，将此刻幅值输出并存储，覆盖前一次存储值，否则将存储的前一次正余弦幅值赋给当前值输出，并且保留前一次存储的正余弦幅...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜潮，董威，王中华，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：