張建斌

(國營七八五廠第一研究所，山西 太原 030024)

高精度位置傳感器用于運動伺服控制系統中，作為角度位置的傳感和測量用。目前隨動系統經常使用的高精度位置傳感器有兩種:粗精組合的旋轉變壓器和光電編碼器［1］。光電編碼器數據處理電路簡單，檢測精度高，輸出信號平滑，但它的抗干擾性差，不宜應用在條件惡劣的場合中;相比較而言，粗精組合的旋轉變壓器，結構簡單，堅固耐用，抗干擾性強，能夠應用在各種條件惡劣的場合中，而且它的精度已經足夠應用的要求，但是粗精組合的旋轉變壓器需要齒輪傳動實現變比，齒輪傳動結構的誤差也影響了它的精度。我們研制的磁阻式多級旋轉變壓器則不需要齒輪傳動機構，從而減少了隨動系統的測量誤差。

1 磁阻式多級旋轉變壓器的性能

1)輸出分辯率為14 位。

2)具有零位標定功能。

3)±15 V 電源供電。

4)為RS422 輸出，比特率為57600bps，應答模式。

5)溫度范圍寬，可靠性高。

6)具有較強的抗沖擊能力，適用于各種惡劣環(huán)境。

2 磁阻式多級旋轉變壓器的特點

磁阻式多級旋轉變壓器是一種新型結構高精度位置傳感器。它具有以下特點:

1)無接觸結構，可靠性高:由于無電刷、接觸結構，可以在惡劣的環(huán)境條件下工作，如機械振動強，高轉速，高加速度和廣泛的溫度范圍(－55 ℃～120 ℃)。

2)高精度:因為采用了多級串聯分布繞組，有均勻磁場的作用及電路串聯補償的功能，對溫度和機械應力不甚敏感。而且極對數越高，精度也就越高。而普通的多級旋轉變壓器需要齒輪傳動機構實現變比，齒輪傳動機構的誤差也影響了多級旋轉變壓器的精度。

3)小型化:磁阻式多級旋轉變壓器的一個轉子齒代表一對極，而普通的多級旋轉變壓器的一個轉子齒代表一個極，而且在每一槽內還要安置繞組，因此，同樣的機座，磁阻式多級旋轉變壓器能實現極對數大大超過了多級旋轉變壓器，反之，若極對數相同，磁阻式多級旋轉變壓器的體積可以比多級旋轉變壓器小得多。

4)結構簡單，成本低:由于轉子僅為帶齒的鐵心，無繞組，便于加工，又沒有電刷，所以零部件少。而且磁阻式多級旋轉變壓器為實現多級而需要的線圈比普通的多級旋變要少。因此，磁阻式多級旋轉變壓器的加工費用和材料成本低于一般的多級旋變，體積和重量也小得多。

3 磁阻式多級旋轉變壓器的組成和工作原理

磁阻式多級旋轉變壓器由磁阻式旋轉變壓器、匯流環(huán)、電源轉換電路、軸角－數字轉換電路［3］、接口電路等五部分組成。其系統組成原理框圖如圖1。

圖1 磁阻式多級旋轉變壓器的組成原理框圖

1)磁阻式旋轉變壓器

磁阻式旋轉變壓器用作角度測量傳感器，能夠將角度位置轉變?yōu)檎嘞译妷盒盘枴?/p>

圖2 磁阻式旋轉變壓器的原理圖

磁阻式旋轉變壓器的工作原理是它的激磁繞組和輸出信號繞組均固定在定子上，僅通過轉子凸極效應產生具有正弦軌跡的氣隙磁導，從而在信號繞組上感應出正、余弦信號［2］。

2)匯流環(huán)

磁阻式旋轉變壓器的轉子轉動時，實現正常的數據傳輸。

3)電源轉換電路

電源轉換電路包括DC/DC 變換電路和DC/AC 逆變電路。

DC/DC 變換電路是將輸入的15 V DC 轉換為軸角-數字轉換電路所需的5 V、3.3 V 電壓。

DC/AC 逆變電路是將輸入的±15 V DC 轉換為磁阻式旋轉變壓器所需的5 V/1 kHz 正弦交流電壓。

4)軸角-數字轉換電路

根據磁阻式旋轉變壓器輸出的模擬電壓的特征，自行設計所有轉換電路及軟件，其設計思路如下:

圖3 軸角檢測原理圖

磁阻式多級旋轉變壓器的角度測量部分由磁阻式旋轉變壓器、軸角－數字轉換電路構成。

磁阻式多級旋轉變壓器激磁電壓為～5 V/1 kHz 正弦波，即E=EmSinωt。

當磁阻式多級旋轉變壓器轉過角度為ε 時，輸出正弦繞組電壓和余弦繞組電壓如下:

式中，K 為變比系數，εCS為粗示轉角，εJS為精示轉角。

精示與粗示速比:i。

兩組精、粗兩相電壓經軸角－ 數字轉換電路后，送入DSP 進行數學處理，求取位置精、粗角度εCS、εJS。最后，根據減速器精示與粗示速比i 求出實際的角度ε。

5)接口電路

接口電路由TTL－RS422 轉換電路和RS422 輸出瞬態(tài)抑制電路組成。

TTL－RS422 轉換電路負責完成TTL 電平到RS422 差分電平的轉換。

RS422 輸出瞬態(tài)抑制電路負責完成RS422 總線上的瞬態(tài)干擾電平的抑制。

4 結論

磁阻式多級旋轉變壓器結構簡單，可靠性高，成本低，適用于各種惡劣的環(huán)境條件。

［1］姜燕平.旋轉變壓器原理及其應用［J］.電氣時代，2005(10) ：98－100.

［2］宋雷雷，王永興.磁阻式旋轉變壓器信號繞組阻抗匹配分析［J］.微電機，2011(2) ：9－12.

［3］羅德榮，周成，黃科元，等.基于AD2S1200 的旋變接口電路設計及信號處理［J］.電力電子技術，2008，42(8) ：68－70.