董國(guó)榮 馮揚(yáng)帆 王 源

旋變信號(hào)的研究與仿真

董國(guó)榮 馮揚(yáng)帆 王 源

在某型飛機(jī)地面測(cè)試仿真系統(tǒng)中，需要模擬旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)以達(dá)到測(cè)量電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的目的。本文就如何實(shí)現(xiàn)旋變信號(hào)的模擬仿真做出了研究與設(shè)計(jì)，通過(guò)一片MAX038精密高頻波形發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生并調(diào)理為所需信號(hào)，再通過(guò)乘法器完成多個(gè)信號(hào)的乘積，在此過(guò)程中需同步外部信號(hào)，調(diào)整輸入信號(hào)頻率及幅值。模擬產(chǎn)生的旋變信號(hào)可根據(jù)需要靈活調(diào)整輸入信號(hào)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿真信號(hào)特性滿足設(shè)計(jì)要求。

旋轉(zhuǎn)變壓器（resolver/transformer）本質(zhì)是一種電磁傳感器，也叫作同步分解器。由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，一般用作電機(jī)的角位移和角速度的測(cè)量。旋變器可部署在工業(yè)電機(jī)控制、伺服器、機(jī)器人、混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車中的動(dòng)力系統(tǒng)單元以及要求提供精確軸旋轉(zhuǎn)的其他許多應(yīng)用中。

在某型飛機(jī)地面測(cè)試仿真系統(tǒng)中，需要產(chǎn)生一個(gè)旋變信號(hào)以模擬真實(shí)環(huán)境中的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦反饋輸出和余弦反饋輸出。在仿真旋變信號(hào)時(shí)，需要考慮到信號(hào)的幅值、頻率、相位關(guān)系等因素。

旋變信號(hào)的原理

當(dāng)正弦信號(hào)激勵(lì)初級(jí)繞組時(shí)，在次級(jí)繞組上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)信號(hào)。耦合至次級(jí)繞組的信號(hào)大小與相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)子位置成函數(shù)關(guān)系，其衰減系數(shù)稱為旋變器轉(zhuǎn)換比。由于次級(jí)繞組機(jī)械錯(cuò)位90°，兩路正弦輸出信號(hào)彼此間的相位相差90°。旋變器輸入和輸出電壓之間的關(guān)系如等式（1）和（2）所示。

Vsin = T×E0sin（ωt）×sin（θ） （1）

Vcos = T×E0sin（ωt）×cos（θ） （2）

其中，T是旋變轉(zhuǎn)換比，E0是激勵(lì)信號(hào)幅度，ω是激勵(lì)信號(hào)頻率，θ是軸角，由用戶作為輸入編輯。兩路輸出信號(hào)由軸角的正弦和余弦信號(hào)調(diào)制。旋變器有些重要的參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

旋變信號(hào)的仿真

電路設(shè)計(jì)原理

根據(jù)旋變器的信號(hào)特性，我們使用一片MAX038芯片來(lái)構(gòu)成信號(hào)發(fā)生器的核心部件。通過(guò)一片MAX038芯片再加上少許的外圍電路部件就可以產(chǎn)生精密的高頻波形，該芯片能夠產(chǎn)生正弦波、方波和三角波三種類型的波形。并且輸出頻率和占空比均可以通過(guò)外圍電路，主要是用電容及電阻的選取搭配來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。它的主要性能如下所示:

（1）工作頻率在0.1 ～20 MHz；

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)15%～85%可調(diào)占空比；

（3）能夠輸出正弦波，方波及三角波；

（4）供電電源為±5V；

（5）信號(hào)輸出幅度為2V（峰-峰值）；

（6）輸出緩沖器阻抗為0.1Ω。

為完成信號(hào)的仿真，共需模擬1組正弦信號(hào)，1組余弦信號(hào)。MAX038只能輸出一路正弦波信號(hào)，我們?nèi)绾蔚玫秸嘞也罘中盘?hào)。通過(guò)芯片資料可以知道，SYNC可以用來(lái)同步其它振蕩器，相位檢波器的輸入端PDI可以接到一個(gè)外部振蕩器，相位檢波器的輸出端PDO可以接到頻率調(diào)整輸入端FADJ。通過(guò)將2片芯片串聯(lián)，在兩片芯片外圍電路相同時(shí)，兩路輸出同頻，如果在SYNC端加一個(gè)非門后再送到另一個(gè)芯片的PDI，則兩路輸出的相位差90°，即實(shí)現(xiàn)了一組正余弦信號(hào)輸出。根據(jù)芯片特點(diǎn)，給出正余弦波輸出的工作電路，如圖1所示。

上圖中OUT1輸出為正弦波，OUT2輸出為和OUT1相位相差90°的一個(gè)余弦波。在得到這兩個(gè)信號(hào)后，我們使用一個(gè)乘法器與輸入激勵(lì)信號(hào)相乘，然后在通過(guò)一個(gè)運(yùn)放對(duì)信號(hào)幅值放大（MAX038輸出峰-峰值為2V），便可以得到 公式（1）與（2）的Vsin與Vcos。電路原理圖如圖2所示。

信號(hào)同步

為了保持與外部激勵(lì)信號(hào)相同的相位，我們使用MAX038的另一個(gè)功能—鎖相環(huán)功能。鎖相環(huán)的應(yīng)用是通過(guò)芯片內(nèi)部的相位檢測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以使芯片的輸出波形和外部的輸入信號(hào)保持同步。通過(guò)檢測(cè)芯片的PDI引腳的輸入信號(hào)與內(nèi)部振蕩器信號(hào)之間的相位差，由芯片的PDO管腳來(lái)輸出一個(gè)電流范圍在0到500uA之間的矩形波。當(dāng)這個(gè)矩形波的占空比為50%時(shí)，說(shuō)明外部信號(hào)與芯片的相位差為90°，當(dāng)相位差分別為0°和180°時(shí)，占空比分別為0%和100%。電路實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

表1 旋變器關(guān)鍵參數(shù)

圖1 正余弦波發(fā)生電路原理圖

圖2 旋變信號(hào)輸出電路原理圖

圖3 鎖相環(huán)電路

實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

我們所需的最終信號(hào)都為差分信號(hào)，文中的設(shè)計(jì)都是針對(duì)單端信號(hào)，將單端信號(hào)反相后就可以得到另一組差分信號(hào)，兩組正余弦差分信號(hào)分與激勵(lì)差分信號(hào)相乘，得到仿真所需的旋變差分正余弦信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)源如圖4所示。

MAX038產(chǎn)生的正余弦波與激勵(lì)信號(hào)源乘積后得到模擬旋變信號(hào)波形如圖5所示。

圖4 激勵(lì)信號(hào)源

圖5 模擬旋變信號(hào)波形圖

結(jié)論

本文研究了旋變信號(hào)的產(chǎn)生原理，通過(guò)MAX038芯片來(lái)產(chǎn)生正余弦信號(hào)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、反相、乘積后即得到模擬的旋變信號(hào)。研究結(jié)果表明，仿真出的波形信號(hào)符合模擬旋變信號(hào)的特征，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具備了設(shè)計(jì)功能。

董國(guó)榮 馮揚(yáng)帆 王 源

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

董國(guó)榮，男，碩士研究生，中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，主要研究方向?yàn)殡姎庀到y(tǒng)集成，測(cè)試。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001