吳世輝，尹達(dá)一

(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083)

0引 言

在伺服系統(tǒng)中，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)精確檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵。在目前常用的位置傳感器中，旋轉(zhuǎn)變壓器由于其高穩(wěn)定度、抗沖擊振動(dòng)、耐高溫潮濕等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而在旋轉(zhuǎn)變壓器使用中，要保證其測(cè)量精度，激磁正弦波的性能至關(guān)重要，對(duì)正弦波的精度、穩(wěn)定度、負(fù)載能力、頻率范圍等都有一定要求，因此，針對(duì)不同旋轉(zhuǎn)變壓器設(shè)計(jì)出合適的正弦波激勵(lì)信號(hào)源具有十分重要的應(yīng)用意義。

目前，產(chǎn)生正弦信號(hào)的方法有很多:一是采用晶振或者振蕩電路加濾波等模擬方法實(shí)現(xiàn)，但該方法使用分立元件較多，電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜;二是基于直接數(shù)字合成(DDS)或者D/A的數(shù)字方法，雖然DDS轉(zhuǎn)換速度快、產(chǎn)生信號(hào)穩(wěn)定、頻率分辨率高，但其相位連續(xù)性仍不及模擬方法，且價(jià)格昂貴［2］，而D/A的相位連續(xù)性差，精度低;三是采用國(guó)外專用的振蕩器芯片，該方法產(chǎn)生的信號(hào)精度高，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。目前在大負(fù)載旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用場(chǎng)合中，可以使用國(guó)外專用芯片 DDC公司的 OSC15801或者 AD公司的OSC1758(已停產(chǎn))提供激磁信號(hào)，但其價(jià)格十分昂貴，進(jìn)貨周期長(zhǎng)，不利于地面測(cè)試及應(yīng)用。

為了解決上述弊端，本文提出采用易于購(gòu)買(mǎi)、價(jià)格低廉的可編程振蕩器AD2S99，結(jié)合高精度運(yùn)放LMH6702及電流驅(qū)動(dòng)器HA5002，設(shè)計(jì)出了一種新型的可為大負(fù)載旋轉(zhuǎn)變壓器提供高精度激磁信號(hào)的正弦波振蕩源。該振蕩源可輸出高精度、大電流的正弦波信號(hào)，輸出信號(hào)的頻率和幅度調(diào)節(jié)方便，帶負(fù)載能力強(qiáng)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，在伺服系統(tǒng)中，采用該振蕩源激勵(lì)編碼系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)變壓器，可得到與OSC15801芯片同樣的編碼精度。因此其完全可代替OSC15801芯片應(yīng)用于大型伺服系統(tǒng)中，不僅大大降低系統(tǒng)成本，同時(shí)避免了因OSC15801等國(guó)外專用芯片進(jìn)貨周期長(zhǎng)帶來(lái)的不便。

1硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路采用振蕩器芯片AD2S99作為正弦波的發(fā)生源，高精度寬帶運(yùn)放LMH6702用來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)幅度，輸出級(jí)采用電流緩沖芯片HA5002驅(qū)動(dòng)負(fù)載。詳細(xì)介紹如下:

1．1 AD2S99

AD2S99是AD公司生產(chǎn)的高性能可編程正弦波振蕩器，主要用于為旋轉(zhuǎn)變壓器和各種交流變換器提供高品質(zhì)的正弦波激勵(lì)。AD2S99標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率有 2 kHz、5 kHz、10 kHz、20 kHz四種，可以通過(guò)引腳SEL1和SEL2的邏輯電平設(shè)置調(diào)節(jié)，另外，還可以結(jié)合引腳FBIAS與VDD之間連接電阻的大小調(diào)節(jié)得到相應(yīng)的中間頻率。AD2S99輸出正弦波均方根值為2 V，負(fù)載電流均方根最大為8 mA，頻率穩(wěn)定度和幅度穩(wěn)定度分別可達(dá)±5%和±3%，總諧波失真-25 dB。本文采用AD2S99作為產(chǎn)生正弦波的振蕩源，其外圍電路設(shè)計(jì)如圖1所示。通過(guò)跳線JP1～JP5以及調(diào)節(jié)電阻R3的阻值，可使AD2S99輸出2～20 kHz之間任一頻率的正弦波信號(hào)。為了滿足后級(jí)運(yùn)放LMH6702的輸入電壓范圍，在AD2S99的輸出端先經(jīng)過(guò)電阻R1、R2分壓，再接入LMH6702的輸入端。另外，由于AD2S99輸出電流小(均方根8 mA)，無(wú)法滿足大負(fù)載驅(qū)動(dòng)要求，所以電路輸出級(jí)還需加一個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器以增大驅(qū)動(dòng)能力。

圖1 AD2S99外圍電路設(shè)計(jì)

1．2 LMH6702

由于AD2S99輸出正弦波的幅值固定，為了得到可調(diào)節(jié)幅度的正弦波以適應(yīng)不同系統(tǒng)，在AD2S99的輸出端連接一級(jí)運(yùn)放LMH6702，通過(guò)改變運(yùn)放增益調(diào)節(jié)正弦波幅度。LMH6702是一款超低失真、寬帶運(yùn)算放大器，主要用于高速A/D的驅(qū)動(dòng)或D/A的緩沖器，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 LMH6702性能參數(shù)

由表1可以看出，LMH6702的噪聲低，諧波抑制能力強(qiáng)。采用LMH6702調(diào)節(jié)正弦波幅度不會(huì)引入過(guò)多的噪聲和諧波失真。LMH6702外圍電路設(shè)計(jì)如圖2所示，調(diào)節(jié)電阻R5的大小即可改變輸出正弦波的幅值，R5取值范圍318 Ω～200 kΩ。

圖2 LMH6702和HA-5002外圍電路設(shè)計(jì)

1．3 HA-5002

HA-5002是美國(guó)Intersil公司生產(chǎn)的高壓擺率、大輸出電流驅(qū)動(dòng)芯片，主要用于寬帶的大功率電流驅(qū)動(dòng)。該芯片壓擺率1 300 V/μs，最大輸出電流±200 mA，3 dB帶寬110 MHz，諧波失真小于 -86 dB(VIN=1 V均方根，f=10 kHz)。采用HA-5002作為電路輸出級(jí)的電流驅(qū)動(dòng)器，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需做好電源的濾波退耦，就能達(dá)到功率驅(qū)動(dòng)的目的，且不會(huì)影響正弦波的性能。HA-5002外圍電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 Pspice仿真及分析

為了驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的可行性，采用PSPICE對(duì)LMH6702和HA-5002兩級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，包括輸出信號(hào)幅度、頻率特性、驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力等，仿真的原理圖與圖2一致，其中LMH6702的正輸入端接幅度2 V、頻率2～20 kHz可調(diào)的正弦波模擬源，具體分析如下:

2．1信號(hào)幅度及頻率特性仿真

采用瞬態(tài)仿真驗(yàn)證電路輸出正弦波的最大頻率和最大幅度，仿真得出電路能輸出最大頻率20 kHz、幅度3．5 V的無(wú)失真正弦波，波形如圖3所示，圖4為其對(duì)應(yīng)的頻譜圖。

圖3 頻率20 kHz，幅度

圖4 頻譜圖

3．5 V時(shí)域波形(負(fù)載1 kΩ)

從圖中可以看出，當(dāng)輸出正弦波頻率20 kHz，幅度3．5 V時(shí)，波形無(wú)明顯失真，對(duì)波形進(jìn)行傅里葉分析可得信號(hào)總諧波失真為-58．85 dB。AD2S99輸出波形諧波失真為-25 dB，因此采用LMH6702和HA-5002作為后級(jí)系統(tǒng)不會(huì)使信號(hào)諧波失真惡化。

采用交流仿真得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)如圖5(a)所示(LMH6702增益為1，系統(tǒng)負(fù)載1 kΩ)，系統(tǒng)3 dB帶寬為110 MHz。圖5(b)為0～50 kHz區(qū)間的放大圖，從圖中可以看出，在20 kHz以內(nèi)，隨著頻率增大，電壓增益非常平坦，沒(méi)有下降，因此系統(tǒng)能保證2～20 kHz之間的正弦波都能無(wú)失真通過(guò)。

圖5 系統(tǒng)頻率響應(yīng)

2．2驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力仿真

瞬態(tài)仿真與參數(shù)分析結(jié)合可得到系統(tǒng)輸出信號(hào)幅度隨負(fù)載變化情況，如圖7所示。其中圖6(a)為輸出波形頻率2 kHz，幅度2 V的帶負(fù)載情況，圖6(b)為頻率20 kHz，幅度3．5 V的帶負(fù)載情況。從圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載阻值不小于30 Ω時(shí)，輸出波形幅度下降小于0．1，當(dāng)負(fù)載阻值為20 Ω時(shí)，輸出波形幅度下降明顯，系統(tǒng)已無(wú)法帶載。

圖6 波形幅度隨負(fù)載變化情況

3實(shí)際測(cè)試結(jié)果

為了便于工程安裝使用，電路板設(shè)計(jì)小巧，尺寸僅為46．9 mm×24．2 mm，電路板實(shí)物圖如圖7所示。電路板接口引腳設(shè)置與OSC15801相同，因此可直接用其替代已有系統(tǒng)中的OSC15801芯片而不需要重新設(shè)計(jì)硬件電路。

圖7 電路板實(shí)物圖

下面詳細(xì)介紹測(cè)試結(jié)果。

(1)單板測(cè)試結(jié)果

電路板實(shí)際輸出波形如圖8所示，其中圖8(a)為頻率2 kHz、幅度 2．9 V、負(fù)載1 kΩ 時(shí)的時(shí)域波形，圖8(b)為其對(duì)應(yīng)的頻譜圖，從圖中可以看出，波形無(wú)明顯失真，且頻譜特性較好。

圖8 頻率2 kHz、幅度2．9 V波形

電路板各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果如表2所示，由表2可知，電路板能輸出最大電流為110 mA的正弦波，滿足大負(fù)載驅(qū)動(dòng)的要求，且電路板的帶載能力與仿真結(jié)果一致。

表2 電路板各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

(2)與OSC15801芯片對(duì)比結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證AD2S99振蕩源激勵(lì)旋轉(zhuǎn)變壓器的性能，將此振蕩源頻率和幅值調(diào)到系統(tǒng)所需要的值(頻率2 kHz，均方根值2．05 V)，然后應(yīng)用于已有的旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)中(32對(duì)極，精度20角秒)，與OSC15801芯片進(jìn)行對(duì)比。圖9和圖10分別為振蕩源和OSC15801芯片在系統(tǒng)中測(cè)得的波形。測(cè)試結(jié)果表明:控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度，分別用振蕩源和OSC15801芯片激勵(lì)旋轉(zhuǎn)變壓器，兩者得到的編碼值相同。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，此振蕩源滿足激勵(lì)大負(fù)載旋轉(zhuǎn)變壓器的要求，可用于替代OSC15801等國(guó)外專用芯片。

圖9 AD2S99振蕩源在系統(tǒng)中的實(shí)測(cè)波形

圖10 OSC15801在系統(tǒng)中的實(shí)測(cè)波形

4結(jié) 語(yǔ)

在大負(fù)載旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用場(chǎng)合中，目前主要使用國(guó)外專用芯片(如OSC15801)提供激磁信號(hào)，但這些專用芯片往往價(jià)格昂貴、進(jìn)貨周期長(zhǎng)，不利于工程應(yīng)用。本文基于價(jià)格低廉、易于購(gòu)買(mǎi)的可編程振蕩器AD2S99，設(shè)計(jì)了一種新型的可為大負(fù)載旋轉(zhuǎn)變壓器提供高精度激磁信號(hào)的正弦波振蕩源，該振蕩源輸出信號(hào)的頻率和幅度調(diào)節(jié)方便，帶負(fù)載能力強(qiáng)。文中對(duì)振蕩源電路各模塊進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)電路進(jìn)行了PSPICE仿真和實(shí)際測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該振蕩源可輸出最大電流110 mA的正弦波信號(hào)，且在實(shí)際編碼系統(tǒng)中，用該振蕩源激勵(lì)旋轉(zhuǎn)變壓器能得到與OSC15801芯片同樣的編碼精度。因此，此設(shè)計(jì)完全可代替OSC15801等國(guó)外專用芯片應(yīng)用于大型伺服控制系統(tǒng)中，不僅能夠大大降低系統(tǒng)成本，同時(shí)也避免了因?qū)Ｓ眯酒M(jìn)貨周期長(zhǎng)帶來(lái)的不便，具有非常強(qiáng)的實(shí)用性。

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