基于旋轉變壓器的核電站蒸發器傳熱管渦流檢測機械手位置檢測研究

秦華容　吳海林　張軍

【摘 要】本文介紹一種用于核電站蒸發器傳熱管渦流檢測定位機械手上直流有刷電機轉子位置檢測的方法，該方法采用旋轉變壓器11-BHW-40HS/F447來檢測定位機械手關節位置。重點介紹了旋轉變壓器數字轉換器AD2S1210及其相關參數的選擇，并設計了AD2S1210與旋轉變壓器11-BHW-40HS/F447之間的接口電路，將旋轉變壓器輸出的模擬量信號轉換為數字位置信號送給控制系統，最終實現了定位機械手的位置檢測。實驗結果表明，系統設計合理，旋轉變壓器和AD2S1210組成的數字位置檢測電路正確可行。

【關鍵詞】旋轉變壓器；AD2S1210；接口電路；模擬/數字信號處理器

0 引言

在核電站蒸發器傳熱管渦流檢測定位機械手系統中，需要實時地檢測電機轉子位置及轉速，以實現轉矩、速度的閉環控制。通常的檢測方法是使用光電編碼器，而常用的正交光電編碼器啟動時需要一段時間進行轉軸定位，而且抗沖擊震動性差，容易損壞，因此，在環境比較惡劣[1]、需要快速響應的高速運行且對抗震要求較高的場合，例如，蒸發器傳熱管渦流檢測系統中，往往使用旋轉變壓器。

旋轉變壓器的輸出是含位置信息的模擬信號，需要將其轉換為數字信號才可輸入到運動控制卡單元。本文采用AD2S1210旋轉變壓器數字轉換器將模擬量信號轉換成16位數字位置信號，同時運動控制單元采用美國GALIL公司的DMC-2143卡，可滿足系統對轉子位置與速度信號實時快速檢測和處理的要求。實驗表明該方案確實可行，并且具有較高的控制精度。

1 旋轉變壓器的原理

旋轉變壓器是一種特殊的旋轉電機，有定子和轉子兩部分，并且兩者相互獨立，一次極和二次極線圈都繞在定子上，轉子由兩組相差90°線圈組成，采用無刷設計[2]，如圖1所示：

圖2是旋轉變壓器電氣示意圖：

旋轉變壓器的輸入輸出電壓之間的具體函數關系如下所示：

設轉子轉動角度為？茲，初級線圈電壓（即勵磁電壓）。

ES1-S3=KEsin2πftcosθ

ES2-S4=KEsin2πftsinθ

式中：f—勵磁頻率；

E—信號幅度。

那么輸出電壓：

ER1-R2=Ksin2πft

式中：K—傳輸比；

？茲—轉子偏離原點的角度。

公式中f為信號頻率，即勵磁信號頻率，信號幅度為E，包絡信號為和，解碼器就是通過檢測這兩組輸出信號獲取旋變位置信息的。勵磁頻率越高，旋變解碼精度也就越高，而勵磁電壓幅度則對解碼沒有明顯的影響，只需達到一定的電壓數值即可[3]。該渦流傳熱管機械定位手系統中選用Litton公司的11-BHW-40HS/F447作為旋轉變壓器來檢測機械手的位置，其參數如下：ROTOR：1 PHASE，1.88 VOLTS；STATOR：2 PHASE，2.63 VOLTS，頻率為2250HZ。

2 基于旋轉變壓器的渦流傳熱管定位機械手檢測系統

渦流傳熱管機械手定位檢測系統主要由兩關節定位機械手、控制系統、監視系統、控制PC機、渦流采集工作站、渦流分析工作站和氣源系統等組成。檢測系統連接示意圖如圖3所示：

控制PC機中控制軟件發指令給控制系統，控制系統驅動機械定位手運動，當運動到控制軟件中指定的蒸發器傳熱管位置后，輸送渦流探頭至傳熱管中（機械定位手作為載體，攜帶探頭運動）。渦流探頭反饋回來的檢測信號送給渦流儀，處理之后最終送到渦流采集、分析工作站，從而完成一次渦流自動檢查。攝像頭系統主要用來監視定位機械手的運動狀態，并將視頻圖像顯示在監視器中，提供給操作人員觀看。

PC機中發軌跡指令給GALILA控制卡，控制卡轉換后發指令給驅動器，從而驅動關節電機運動。同時機械定位手中旋轉編碼器用來檢測兩個關節的位置信息，檢測到的關節位置信息為模擬量信號，送到基于AD2S1210的解碼板解碼成數字量信號后，送給GALIL控制卡，從而形成閉環控制，實現精確定位，控制系統原理框圖如圖4所示。

3 基于AD2S1210的解碼板接口電路設計及機械手定位精度測試

3.1 AD2S1210解碼芯片特點

AD2S1210解碼芯片是一款10位至16位分辨率旋變數字轉換器，集成片上可編程正弦波振蕩器，為旋轉變壓器提供正弦波激勵。轉換器的正弦和余弦輸入端允許輸入3.15±27%、頻率為2KHZ至20KHZ范圍內的信號。Type II伺服環路用于跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉換為輸入角度所對應的數字量，最大跟蹤速率為3125rps。AD2S1210解碼芯片內部功能圖如圖5所示。

3.2 AD2S1210芯片和旋轉變壓器接口電路設計

為了給旋轉變壓器的勵磁繞組提供滿足要求的高品質正弦波勵磁信號，同時使所接收到的旋轉變壓器正/余弦信號能夠滿足芯片對輸入信號幅值與相位的要求，需要加入額外的信號處理電路。AD2S1210和旋轉變壓器接口電路設計如圖6所示。

AD2S1210的激勵輸出通常在和/輸出端提供3.6正弦信號，這將產生一個7.2差分信號。11-BHW-40HS/F447旋轉變壓器轉換比為，如果將增益為1的緩沖器配合AD2S1210使用，則旋變輸出正、余信號的幅度約為差分，而AD2S1210轉換器允許的正弦和余弦輸入電壓應具的幅度，顯然不滿足轉換器的電壓輸入要求，因此旋轉變壓器和轉換器之間的緩沖器電路大約應提供的增益。如圖6中所示，選用AD8040放大器作為緩沖電路，其增益由電阻和（或者和）來設定。本機械手定位檢測系統中，根據前面介紹的旋轉變壓器參數，選取，計算可知緩沖電路的增益為，則11-BHW-40HS/F447旋轉變壓器輸出的正、余信號的幅度約為差分，滿足AD2S1210轉換器允許的正弦和余弦輸入電壓幅度要求。

電容C4與電阻R56并聯，C5與電阻R58并聯形成一個低通濾波器，用來濾除EXC和EXC 輸出上可能存在的任何噪聲。應謹慎選擇此濾波器的截止頻率，確保濾波器所引起的載波相移不超過AD2S1210的鎖相范圍。

11-BHW-40HS/F447旋轉變壓器經過AD2S1210芯片解碼后，輸出的信號經過緩沖（通過芯片74HC573實現）和光電隔離等信號處理之后，即可輸出16位數字量信號送給控制系統，實現機械手電機關節位置的檢測。

3.3 機械手定位精度測試

基于上面介紹的接口電路，本系統中設計了基于AD2S1210的旋轉變壓器信號解碼板，按如下圖7所示，任意選取一行（如46行），在該行上任意選取10列，對本系統中的兩關節機械定位手定位精度進行了測試，測試示意圖如下圖7所示。

相鄰兩管子的管間距=27.43mm；半個管徑=9.65mm。

在控制系統中，對機械手做完兩點標定后，將探頭門對準R46C29（任意選?。?，在ROW（行不變）和COL（列遞增）方向做標記；移動到R46C30并對探頭門做出相應標記；依次在該行上取10列管子逐次做出相應標記；完成后測出相應數據得出ROW和COL方向的測量數據，并按下面的公式計算出機械手在移動過程中在ROW和COL方向的走位偏差，測試結果如表1所示，其中相鄰兩管子的管間距和管徑為傳熱管的結構尺寸（測量可得）。

ROW偏差量=相鄰兩管子的管間距（27.43mm）-1/2R（半個管徑9.65mm）-Rx。

COL偏差量=Cx-相鄰兩管子之間的間距（27.43mm）。

4 結論

本文作者在自主研發的渦流傳熱管機械手定位檢測系統的基礎上，設計并制作了基于AD2S1210芯片的旋轉變壓器數字轉換器，對機械手兩個電機關節位置進行實時檢測并解碼，實驗證明該解碼方法穩定可靠，且解碼精度比較準確，完全滿足核電站蒸汽發生器渦流傳熱管檢測定位精度要求。

【參考文獻】

[1]金進強，等.旋轉變壓器信號接口電路的設計與實現[J].電腦開發及應用，2007，20（5）：54-55.

[2]敖榮慶，等.伺服系統[M].北京：航空工業出版社，2006.

[3]秦繼榮，等.現代直流伺服控制技術及其系統設計[M].北京：機械工業出版社，1993.

[責任編輯：王楠]