基于絕對零位式圓感應同步器的角度測量系統

湯文軍 婁敏 張林 林興顏 王智勇

摘 要：傳統的圓感應同步器在使用過程中必須另配旋轉變壓器進行組合才能具備絕對零位，這對于整個系統的質量、體積、安裝均會帶來不利的影響。本文介紹一種本身就具備絕對零位的圓感應同步器，并詳細介紹了基于此類型圓感應同步器的角度測量系統的實現方案以及硬件電路設計方法。

關鍵詞：絕對零位；感應同步器；定子；轉子

The angle msasuring system based on absolute zero position

Rotary Inductosyn

Tang Wen Jun, Lou Min, Zhang lin, Lin Xingyan, Wang Zhi Yong,

(JiuJiang Precision Measuring Technology Research institute, Jiang Xi ,Jiu Jiang 332000)

Abstract：Traditional Rotary Inductosyn requires a extra sensor element to accomplish a absolute zero position when it is used, it is not convenient to the quality, volume, installation of the system. This paper introduces a special Rotary Inductosyn, which has a special absolute zero position itself, and the method to accomplish angle msasuring system , the design of circuit.

Key Words: Absolute zero position; Rotary Inductosyn; Rotor; Staor

引言

圓感應同步器是一種角位移傳感器，它具有耐惡劣環境、測量精度高、壽命長、成本低、安裝方便、運行速度快、穩定可靠等一些列優點，因而其應用領域遍及航天、航空、機械制造、精密儀器、計量等部門[1]。傳統的感應同步器測角系統多采用單通道感應同步器作為角度傳感器來實現，稱為增量式測角系統。這種測角系統在要求測量絕對角度的時候將失去效力，而絕對角度測量系統是今后角度測量的趨勢。一種解決方案是采用“旋轉變壓器+感應同步器”，通過將旋轉變壓器產生的粗碼和感應同步器產生的精碼進行粗精結合產生絕對角度。但是旋轉變壓碼器與感應同步器屬于兩個部件，它們兩者之間要求很高的裝配精度，如同心度、同軸度，這在使用過程中往往帶來諸多不便。鑒于此，采用絕對零位式式圓感應同步器作為角度傳感器的測角系統可以很好地解決上面的問題。由于其粗精線圈都在一個繞組內同心刻畫，體積小，精度高，相對于“旋轉變壓器+感應同步器”解決方案，具有更高的穩定性和可靠性[2]。

1 實現方案

絕對零位式圓感應同步器分為定子和轉子兩個部件，其中定子固定在臺體上，轉子安置在旋轉軸上，通過定子和轉子的相對運動引起電磁場的變化來進行角度的測量。

絕對零位式圓感應同步器分為粗極、精極兩個通道，其中可通過粗極通道將當前的整度數值解算出，通過精極通道將當前度的小數值解算出，隨后再將粗極、精極兩個通道解算出的角度值進行融合，得到當前正確的角度值。具體應用方案如下：

2 系統硬件設計

根據上章實現方案，列出測角系統的電氣系統原理框圖如下所示：

由圖2可見，測角系統內的硬件電路共分6個單元：

（1）激磁信號單元

本項目采用單相轉子激磁，定子兩相感應的鑒幅方式工作，對激磁電路的要求比較高。激磁電路的目的是產生一個相位和幅值都很穩定，頻率符合要求，并且具有一定功率驅動能力的正弦波。項目選用ICL8038發出正弦波，此正弦波經過UA741后進行分壓，分壓后的信號由OPA548對其進行功率放大，以驅動同步器轉子進行工作。

（2）放大濾波單元

由于感應同步器定子直接輸出電壓幅值很低為毫伏級，因此需將該毫伏級信號通過放大濾波單元進行處理后再輸入到軸角轉換單元，以便其解算得到更準確的角度值信號。在此選用儀用放大器AD620對定子直接輸出的微弱信號進行一級放大，隨后利用OP07構建帶通濾波器來濾除信號中附帶的干擾信號。

（3）軸角轉換單元

軸角轉換單元將同步器粗、精通道輸出的經放大、濾波后的A、B兩相正弦信號轉為與當前機械角度值相對應的數字信號，該數字信號被送入控制處理單元進行操作。本項目中選用AD2S80作為軸角轉換芯片來對模擬信號進行解算，將得到的數字量輸出到CPLD中進行處理。

（4）控制電路單元

控制處理單元將軸角轉換單元輸出的代表粗、精通道角度值的數字量進行融合、解碼，得到正確的角度值。控制處理單元的核心芯片選用CPLD的Max II系列的EPM1270GT144I5， Max II系列器件是Altera低成本Max 系列的第二代產品，其內部的邏輯資源以及接口完全能滿足本項目的需求。

（5）顯示電路單元

顯示電路單元將角度值通過數碼管進行直觀顯示，以便于操作者檢測測角系統工作特性，其主要的顯示控制芯片為MAX7219。MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器,它可連接微處理器與8位數字的7段數字LED顯示。

（6）通信電路單元

通信電路單元將角度值通過通信接口芯片MAX3488ESA以422格式的數據進行輸出，以將角度值作為反饋部分供控制器使用。MAX3488是一款高速數據轉換器，能夠將TTL信號以不高于250Kbps的傳輸速率轉換為標準422輸出接口。

3 結論

本文介紹了基于絕對零位式圓感應同步器角度測量系統的實現方案及硬件電路設計，系統采用絕對零位式圓感應同步器作為角度傳感器，以AD2S80作為角度模數轉換器，CPLD作為數字信號處理器進行粗、精通道角度信息的粗精結合和譯碼，完成絕對角度的輸出，角度值除可通過數碼管進行顯示外還可通過RS422串口進行數據輸出。相對于傳統的采用旋轉變壓器與增量式圓感應同步器進行組合實現絕對式測角系統的方案，基于絕對零位式圓感應同步器的角度測量系統具有安裝簡易、體積小、穩定性高等優勢。

參考文獻

[1]陸永平.感應同步器及其系統.北京：國防工業出版社,1982

[2]李鐵峰，李文華，馬彩文等.一種高精度圓感應同步器數顯表的設計.儀表技術與傳感器，2003(6)：42—44