一種高精度數字—自整角機轉換器的研究

盧艷++朱宇

摘 要：文中研究的數字-自整角機轉換器是將并行輸入的14位TTL信號轉換為三相交流自整角機模擬信號，同時具有5 VA的功率驅動能力。通過選擇精密電阻網絡以及合理的FPGA軟件算法控制，可以使得該數字-自整角機轉換器的轉換精度達到3 LSB，即為4'。同時為了保證該數字-自整角機轉換器在輸出5 VA功率時安全可靠，特地在功率運算放大器的輸出級設計了過流保護和防反相電動勢的反沖保護。

關鍵詞：數字-自整角機；過流保護；反沖保護；功率驅動

中圖分類號：TN79 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

自整角機是一種角度傳感器，該傳感器利用電磁感應原理將旋轉的角度值轉換為三相交流信號。數字—自整角機（DSC）轉換器是將并行的TTL二進制數碼轉換為自整角機輸出的三相交流信號。DSC被廣泛應用在航空、航天、兵器及自動控制的伺服系統和軸角控制系統中，具有轉換精度高、跟蹤速度快、可靠性好、適應能力強等優點[1]。

1 自整角機原理介紹

自整角機主要由定子和轉子組成，定子繞組上輸入參考信號，當轉子轉過角度時，其轉子上的三相繞組會輸出三相交流信號VS1、VS2、VS3，且滿足式（1）。

（1）

從公式（1）可以看出，自整角機的三相輸出正弦波信號的幅值與自整角機的旋轉角度相關，其工作頻率和相位理論與輸入參考信號同頻同相[2]。

2 數字—自整角機轉換器原理設計

本文設計的數字-自整角機轉換器要求輸入信號有輸入參考信號和并行二進制輸入，要求輸出為三相子整機信號，且輸出功率為5 VA，其原理設計框圖如圖1所示[3]。

圖1 數字—自整角機轉換器的原理設計框圖

輸入參考信號通過參考信號放大電路轉換為與參考信號同相的輸出信號和與參考信號反相的輸出信號；該同相輸出信號和反相輸出信號輸入到象限選擇電路；輸入的并行TTL二進制數碼是帶有角度信息的二進制碼，該二進制碼通過加權處理就可對應輸入的角度，并行TTL二進制輸入到FPGA軟件控制電路；FPGA軟件控制電路的輸出首先控制同相輸出信號和反相輸出信號的象限選擇電路，保證象限選擇電路輸出正弦信號和余弦信號；該正弦信號和余弦信號輸入到DAC正余弦乘法器，同時受FPGA軟件控制電路控制DAC正余弦乘法器，輸出帶有輸入角度信息的正余弦信號，該正余弦信號輸出功率達不到設計要求，后級需要接功率驅動電路，輸出滿足功率要求的正余弦信號，且在功率運算放大電路中設計了過流保護和防反相電動勢的反沖保護；該正余弦信號通過SCOTT變換輸出三相自整角機信號，且輸出功率滿足設計要求。

3 數字—自整角機轉換器電路設計

3.1 參考信號放大電路

參考信號放大電路主要是對輸入參考信號Vref幅值的放大，要求輸出相位相反的差動信號，圖1所示為參考信號放大電路的原理圖。一般參考信號幅值都會很大，如115 V、56 V、26 V等，而數字—自整角機轉換器內部的供電一般都是±15 V，因此需要將參考信號Vref進行衰減。參考信號Vref通過輸入電阻網絡的衰減后，需要滿足參考信號放大電路的輸入差模信號要求，同時為了保護衰減后輸入參考信號由于電壓太高對放大電路的損傷，在參考信號Vref衰減后需要增加保護電路。參考信號放大電路輸出差動同相輸入信號Va和反相輸入信號Vb，且同相輸入信號Va與參考信號Vref同相，反相輸入信號Vb與參考信號Vref反相。參考信號放大電路原理圖如圖2所示。

3.2 象限選擇電路

象限選擇電路主要通過兩個控制信號T1和T2完成對同相輸入信號Va和反相輸入信號Vb的四個象限的選擇輸出模式。本論文的象限選擇電路如圖3所示。選擇開關電路，當使能信號和為低電平時，D2和D3輸出到S2和S3， 當使能信號OE1和OE4為低電平時，D1和D4輸出到S1和S4。該象限選擇電路的邏輯關系如表1所列。

通過表1可以看出，通過象限選擇電路兩個控制信號T1和T2可以選擇4個對應的象限，實現象限選擇功能。兩個控制信號T1和T2由后級FPGA軟件控制電路提供。

3.3 DAC正余弦乘法器

DAC正余弦乘法器輸入信號為象限選擇電路的輸出Vsin和Vcos，通過FPGA軟件控制實現對Vsin和Vcos輸出幅值的可編程化。DAC正余弦乘法器的原理圖如圖4所示。Vsin通過FPGA軟件控制量Din1控制幅值增益因子A，將該幅值增益因子A與Vsin信號相乘，其輸出電壓變為A×Vsin，其中A的大小與FPGA軟件控制量Din1相關；Vcos通過FPGA軟件控制量Din2控制幅值增益因子B，將該幅值增益因子B與Vcos信號相乘，使其輸出電壓變為B×Vcos，其中B的大小與FPGA軟件控制量Din2相關。

3.4 FPGA軟件控制電路

FPGA軟件控制電路主要實現對象限選擇電路的控制和對DAC正余弦乘法器的幅值增益控制。FPGA軟件控制電路的核心是通過選擇合適的算法[4， 5]，在正余弦信號都存在時，選用盡可能低有效位的DAC正余弦乘法器，從而實現輸出高精度的要求。當正余弦信號都存在時，由于正余弦信號的最小值和最大值并非是單調的，因此在FPGA軟件控制實現對DAC正余弦乘法器的幅值增益控制時就可以將正余弦信號二者相比較，選擇二者間最小的一個值為參考基準，如在-45度到45度之間選擇正弦信號為基準信號，在45度到135度之間選擇余弦信號為基準信號。這樣就可以大大降低對DAC正余弦乘法器有效位的要求。FPGA軟件控制電路的原理框圖如圖5所示，輸入并行14位二進制碼，輸出T1和T2控制象限選擇電路，輸出Din1和Din2控制DAC正余弦乘法器的幅值增益因子A和B。

3.5 功率驅動電路

在FPGA軟件控制電路的控制下，通過象限選擇電路以及DAC正余弦乘法器的幅值增益控制，實現帶有角度信號的A×Vsin正弦信號輸出和B×Vcos余弦信號輸出。為了滿足該正余弦信號輸出5 VA功率，專門設計功率驅動電路，圖6所示為正弦信號輸出的功率驅動電路原理圖，輸入A×Vsin正弦信號，輸出Vsin1，輸出功率為5 VA。在滿足功率輸出的同時，設計了過流保護和防反相電動勢的反沖保護。在圖6中，電阻R9和R10，二極管D6和D7組成了過流保護電路，二極管D8、D9組成了防反相電動勢的反沖保護。B×Vcos余弦信號輸出的功率驅動電路與A×Vsin正弦信號輸出的相同，輸入B×Vcos余弦信號，輸出Vcos1，輸出功率為5 VA。此外，為了保證在整個工作溫度范圍內輸出電壓的高精度，在放大倍數的電阻設計中選擇使用精密電阻網絡，圖6中的R4與R5應選擇溫度系數為5 ppm/℃的高精密電阻。

3.6 SCOTT變換器

功率驅動電路輸出的正余弦信號Vsin1和Vcos1是相互正交的兩個信號，為了滿足自整角機的三相輸出，還需加入SCOTT變換器，SCOTT變換器有電子式和變壓器式，由于SCOTT變換器的輸入為5 VA的正余弦信號Vsin1和Vcos1，輸出功率較大，而電子式SCOTT變換器轉換效率太低，因此我們選擇變壓器式的SCOTT變換器，其原理圖如圖7所示。

4 結 語

本文通過從數字—自整角機轉換器的原理設計到電路設計，實現將并行輸入的14位TTL信號轉換為三相交流自整角機模擬信號，輸入的參考信號最高電壓可以達到115 V，輸出的自整角機信號最高電壓可以達到90 V，同時具有5 VA的功率驅動能力，通過該數字—自整角機轉換器的設計可以根據用戶的不同要求來拓展系列產品。還可通過合適的FPGA軟件控制來有效提高輸出信號的轉換精度。目前該系列產品的轉換精度可達3 LSB，即為4'，目前市場上對應最高的轉換精度為8'[6]。同時為保證驅動三相電機的可靠工作，特地在功率驅動電路的輸出級設計了過流保護和防反相電動勢的反沖保護。該數字—自整角機轉換器具有轉換精度高、跟蹤速度快、可靠性好、適應能力強等優點，被廣泛應用在航空、航天、兵器及自動控制的伺服系統和軸角控制系統中，市場前景廣闊，經濟效益可觀。

參考文獻

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