楊寶龍，張穎輝，李海燕

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一種角位儀的研究設(shè)計(jì)

楊寶龍，張穎輝，李海燕

（武漢船用電力推進(jìn)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(hào)的簡(jiǎn)便儀器的設(shè)計(jì)方法。介紹了以DSP為控制核心的設(shè)計(jì)原理以及具體的實(shí)現(xiàn)方式，重點(diǎn)介紹了硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)象，簡(jiǎn)要介紹了其調(diào)試、測(cè)試過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了本儀器設(shè)計(jì)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(lì)雙相輸出的無(wú)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(hào)電機(jī)，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(qiáng)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(hào)，輸出繞組輸出的電壓則是調(diào)制后的高頻模擬信號(hào)，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(jī)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(jī)或DSP等控制核心。因此可以看出整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)是分布式的，旋變與電機(jī)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(guò)導(dǎo)線與旋變連接[2]。

目前國(guó)內(nèi)旋變大小一般在φ70～700 mm之間，甚至1100 mm，規(guī)格、型號(hào)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(jī)不能運(yùn)行或者旋變故障以及實(shí)驗(yàn)室無(wú)旋變的情況下，根本無(wú)法對(duì)轉(zhuǎn)換模塊乃至數(shù)字控制核提供信號(hào)進(jìn)行調(diào)試。因此非常有必要設(shè)計(jì)一種儀器模擬旋變信號(hào)，為控制核心提供要求的角度/位置信號(hào)。

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

與國(guó)外同類角位儀（如，價(jià)格為20萬(wàn)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(jiǎn)便。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)及方案

角位儀的設(shè)計(jì)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(shí)，變壓器的二次側(cè)得到正弦交流電，電機(jī)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(shì)由于激磁電壓恒定且采用了正弦繞組，直軸磁場(chǎng)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(shí)，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(jì)方案，利用激磁產(chǎn)生載波信號(hào)，利用控制核心DSP產(chǎn)生調(diào)制波，通過(guò)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(shí)所需功耗不大，同時(shí)考慮到便攜性，沒(méi)必要使用個(gè)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(hào)，如圖3所示，激磁幅值可通過(guò)電阻R1R2R3R4進(jìn)行擴(kuò)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(guò)軟件編程，利用2路或者4路DA輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)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(kāi)關(guān)設(shè)置正反轉(zhuǎn)信號(hào)，設(shè)計(jì)瞬動(dòng)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(yàn)

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(fù)載進(jìn)行調(diào)試[3]，利用示波器觀測(cè)波形及幅值。后端外接顯示器，編制相應(yīng)軟件，實(shí)時(shí)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(cè)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(dòng)按鍵，變?yōu)?0轉(zhuǎn)/分，撥檔開(kāi)關(guān)撥至反方向，按下瞬動(dòng)按鍵，變?yōu)?0轉(zhuǎn)/分，再次按下瞬動(dòng)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(wèn)題:

1) 輸出幅值過(guò)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(fù)載串入電阻，減小功耗。

2 結(jié)論

本文詳細(xì)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(hào)的角位儀的研究設(shè)計(jì)。全部功能均經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其適用性、實(shí)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(qiáng)的實(shí)用推廣價(jià)值。

[1] 張崙. 2位嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試[M]. 北京：機(jī)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(cè)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(cè)中的應(yīng)用[J]．微計(jì)算機(jī)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(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAG03B01）

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