一種角位儀的研究設(shè)計

楊寶龍，張穎輝，李海燕

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一種角位儀的研究設(shè)計

楊寶龍，張穎輝，李海燕

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

文章提出了一種用于模擬旋轉(zhuǎn)變壓器輸出角度和位置信號的簡便儀器的設(shè)計方法。介紹了以DSP為控制核心的設(shè)計原理以及具體的實現(xiàn)方式，重點介紹了硬件設(shè)計及應(yīng)用對象，簡要介紹了其調(diào)試、測試過程。通過實驗說明了本儀器設(shè)計合理，性能指標(biāo)能滿足要求。

角位 DSP 乘法器

0 引言

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種單相激勵雙相輸出的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，某種意義上講是一種提供軸角（轉(zhuǎn)速、位置方向）信息的信號電機，廣泛應(yīng)用于航空，航天，航海，冶煉等各種控制領(lǐng)域，具有較寬的工作溫度、濕度范圍，較強的抗干擾性，抗沖擊能力。它包括激磁繞組與輸出繞組兩部分。激磁繞組上施加外部的高頻信號，輸出繞組輸出的電壓則是調(diào)制后的高頻模擬信號，因此輸出繞組電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間可以建立正余弦函數(shù)的某一比例關(guān)系。

旋變與旋轉(zhuǎn)變壓器／數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊配套，為其提供電機角度、位置模擬量信息，后者將其變換為數(shù)字量輸入到單片機或DSP等控制核心。因此可以看出整個測量系統(tǒng)是分布式的，旋變與電機一體套軸，轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)字控制核心不可能與旋變完全一體，而是自成一體，通過導(dǎo)線與旋變連接[2]。

目前國內(nèi)旋變大小一般在φ70～700 mm之間，甚至1100 mm，規(guī)格、型號繁多。有的體積大、重量重，安裝到位后很難再次拆裝。而且在電機不能運行或者旋變故障以及實驗室無旋變的情況下，根本無法對轉(zhuǎn)換模塊乃至數(shù)字控制核提供信號進行調(diào)試。因此非常有必要設(shè)計一種儀器模擬旋變信號，為控制核心提供要求的角度/位置信號。

本文詳細闡述了用于模擬旋變輸出電機轉(zhuǎn)子初始位置、轉(zhuǎn)速以及正反轉(zhuǎn)方向的簡易調(diào)試儀器的研究設(shè)計。

與國外同類角位儀（如，價格為20萬人民幣）相比，性能基本一致，成本降低百倍，體積大大縮小，而且便于攜帶，輕巧易用，操作簡便。

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計依據(jù)及方案

角位儀的設(shè)計依據(jù)根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理可以得出。旋轉(zhuǎn)變壓器定、轉(zhuǎn)子分別采用了兩套完全相同，空間位置相差90°的繞組，如圖1。定子的兩組繞組分別叫激磁繞組和交軸繞組，轉(zhuǎn)子的兩組繞組分別為正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)激磁輸入正弦交流電時，變壓器的二次側(cè)得到正弦交流電，電機中產(chǎn)生直軸脈振磁通。這樣，由直軸脈振磁通在激磁繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢由于激磁電壓恒定且采用了正弦繞組，直軸磁場在空間呈正弦分布[2]。設(shè)轉(zhuǎn)子正弦輸出繞組的軸線和交軸之間的夾角為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，當(dāng)激磁電壓恒定時，其輸出電壓將與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈正弦函數(shù)關(guān)系。同理可得，余弦輸出繞組的電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為余弦函數(shù)關(guān)系。

根據(jù)以上分析，可以得出角位儀的總體設(shè)計方案，利用激磁產(chǎn)生載波信號，利用控制核心DSP產(chǎn)生調(diào)制波，通過相應(yīng)電路合成，最后生成需要的正交交流波形發(fā)出。

1.2 電源及激磁

因激磁需要+15 V及-15 V電源，同時所需功耗不大，同時考慮到便攜性，沒必要使用個頭很大的電源模塊，因此采用TPS65130芯片式電源即可產(chǎn)生所需電源，如圖2所示，利用激磁專用電源MDAC15S20產(chǎn)生頻率為400 Hz（可提供400～2.6 KHz）有效值為6.8 V的正弦載波信號，如圖3所示，激磁幅值可通過電阻R1R2R3R4進行擴大或縮小的微調(diào)。

圖2 電源電路圖

1.3 控制及合成電路

該儀器控制核心為DSP，通過軟件編程，利用2路或者4路DA輸出轉(zhuǎn)速信號的調(diào)制波[1]，為正弦包絡(luò)線，利用芯片AD734將載波與調(diào)制波合成，輸出旋轉(zhuǎn)變壓器／數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊所需要的反饋波， 如圖4所示。為滿足要求，增加撥檔開關(guān)設(shè)置正反轉(zhuǎn)信號，設(shè)計瞬動按鍵改變轉(zhuǎn)速，每按一下增加/減少10轉(zhuǎn)。從顯示屏觀察當(dāng)前必要數(shù)據(jù)。

1.4 調(diào)試及試驗

圖3 激磁電路圖

圖4 合成電路圖

以中電43所的HRDC14594轉(zhuǎn)換器作為負載進行調(diào)試[3]，利用示波器觀測波形及幅值。后端外接顯示器，編制相應(yīng)軟件，實時顯示位置信息包括轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)、初始位置信息等。如圖5所示為示波器觀測儀器輸出反饋波形。

從顯示器可以直觀看出，初始上電后跟蹤軟件顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速為50轉(zhuǎn)/分，按下瞬動按鍵，變?yōu)?0轉(zhuǎn)/分，撥檔開關(guān)撥至反方向，按下瞬動按鍵，變?yōu)?0轉(zhuǎn)/分，再次按下瞬動按鍵，變?yōu)?0轉(zhuǎn)/分，連續(xù)按下直至顯示-200轉(zhuǎn)/分。上述誤差顯示均在±0.05轉(zhuǎn)/分。

調(diào)試中問題:

1) 輸出幅值過小，不能滿足要求。解決方法：調(diào)整標(biāo)度電阻，減小比例；調(diào)整軟件控制輸出DA 幅值;

2) AD734發(fā)熱，解決方法：電源電壓降低；負載串入電阻，減小功耗。

2 結(jié)論

本文詳細的介紹了用于模擬旋變調(diào)試轉(zhuǎn)換模塊輸出速度、位置信號的角位儀的研究設(shè)計。全部功能均經(jīng)過實驗驗證。其適用性、實用性以及穩(wěn)定性、可靠性以及兼容性均滿足需求，即可用于單速變壓器也可用于雙速變壓器，具有很強的實用推廣價值。

[1] 張崙. 2位嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計與調(diào)試[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2005．

[2] 黃衛(wèi)權(quán)，趙欣．多極旋轉(zhuǎn)變壓器軸角一數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)精度測試方法[J]．應(yīng)用科技，2002.

[3] 彭建飛，趙克．旋變／數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊在軸角檢測中的應(yīng)用[J]．微計算機信息, 2011.

Research and Design of an Angle/Position Instrument

Yang Baolong，Zhang Yinghui， Li Haiyan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064，China )

TM933

A

1003-4862（2014）09-0043-03

2014-07-15

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）

楊寶龍(1977-)，男，高級工程師。研究方向：嵌入式控制系統(tǒng)。