旋變信號的研究與仿真

2015-11-26 09:06:46董國榮馮揚帆

中國科技信息 2015年22期

關鍵詞：信號

董國榮馮揚帆王源

旋變信號的研究與仿真

董國榮馮揚帆王源

在某型飛機地面測試仿真系統中，需要模擬旋轉變壓器的輸出信號以達到測量電機旋轉角度的目的。本文就如何實現旋變信號的模擬仿真做出了研究與設計，通過一片MAX038精密高頻波形發生器來產生并調理為所需信號，再通過乘法器完成多個信號的乘積，在此過程中需同步外部信號，調整輸入信號頻率及幅值。模擬產生的旋變信號可根據需要靈活調整輸入信號，經實驗結果表明，仿真信號特性滿足設計要求。

旋轉變壓器（resolver/transformer）本質是一種電磁傳感器，也叫作同步分解器。由定子和轉子構成，一般用作電機的角位移和角速度的測量。旋變器可部署在工業電機控制、伺服器、機器人、混合動力和全電動汽車中的動力系統單元以及要求提供精確軸旋轉的其他許多應用中。

在某型飛機地面測試仿真系統中，需要產生一個旋變信號以模擬真實環境中的正余弦旋轉變壓器的正弦反饋輸出和余弦反饋輸出。在仿真旋變信號時，需要考慮到信號的幅值、頻率、相位關系等因素。

旋變信號的原理

當正弦信號激勵初級繞組時，在次級繞組上會產生一個感應信號。耦合至次級繞組的信號大小與相對于定子的轉子位置成函數關系，其衰減系數稱為旋變器轉換比。由于次級繞組機械錯位90°，兩路正弦輸出信號彼此間的相位相差90°。旋變器輸入和輸出電壓之間的關系如等式（1）和（2）所示。

Vsin = T×E0sin（ωt）×sin（θ）（1）

Vcos = T×E0sin（ωt）×cos（θ）（2）

其中，T是旋變轉換比，E0是激勵信號幅度，ω是激勵信號頻率，θ是軸角，由用戶作為輸入編輯。兩路輸出信號由軸角的正弦和余弦信號調制。旋變器有些重要的參數，在設計時應予以考慮。關鍵參數如表1所示。

旋變信號的仿真

電路設計原理

根據旋變器的信號特性，我們使用一片MAX038芯片來構成信號發生器的核心部件。通過一片MAX038芯片再加上少許的外圍電路部件就可以產生精密的高頻波形，該芯片能夠產生正弦波、方波和三角波三種類型的波形。并且輸出頻率和占空比均可以通過外圍電路，主要是用電容及電阻的選取搭配來進行調節。它的主要性能如下所示:

（1）工作頻率在0.1 ～20 MHz；

（2）能夠實現15%～85%可調占空比；

（3）能夠輸出正弦波，方波及三角波；

（4）供電電源為±5V；

（5）信號輸出幅度為2V（峰-峰值）；

（6）輸出緩沖器阻抗為0.1Ω。

為完成信號的仿真，共需模擬1組正弦信號，1組余弦信號。MAX038只能輸出一路正弦波信號，我們如何得到正余弦差分信號。通過芯片資料可以知道，SYNC可以用來同步其它振蕩器，相位檢波器的輸入端PDI可以接到一個外部振蕩器，相位檢波器的輸出端PDO可以接到頻率調整輸入端FADJ。通過將2片芯片串聯，在兩片芯片外圍電路相同時，兩路輸出同頻，如果在SYNC端加一個非門后再送到另一個芯片的PDI，則兩路輸出的相位差90°，即實現了一組正余弦信號輸出。根據芯片特點，給出正余弦波輸出的工作電路，如圖1所示。

上圖中OUT1輸出為正弦波，OUT2輸出為和OUT1相位相差90°的一個余弦波。在得到這兩個信號后，我們使用一個乘法器與輸入激勵信號相乘，然后在通過一個運放對信號幅值放大（MAX038輸出峰-峰值為2V），便可以得到公式（1）與（2）的Vsin與Vcos。電路原理圖如圖2所示。

信號同步

為了保持與外部激勵信號相同的相位，我們使用MAX038的另一個功能—鎖相環功能。鎖相環的應用是通過芯片內部的相位檢測器來實現，可以使芯片的輸出波形和外部的輸入信號保持同步。通過檢測芯片的PDI引腳的輸入信號與內部振蕩器信號之間的相位差，由芯片的PDO管腳來輸出一個電流范圍在0到500uA之間的矩形波。當這個矩形波的占空比為50%時，說明外部信號與芯片的相位差為90°，當相位差分別為0°和180°時，占空比分別為0%和100%。電路實現原理如圖3所示。