婁敏 李強(qiáng)

九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332000

一、引言

目前，角位移測(cè)量是基本的幾何計(jì)量，它大量存在于以制造業(yè)為代表的生產(chǎn)與科學(xué)實(shí)踐中，國(guó)內(nèi)高可靠性的角度測(cè)量場(chǎng)合主要應(yīng)用的是旋轉(zhuǎn)變壓器。相對(duì)于旋轉(zhuǎn)變壓器，圓感應(yīng)同步器的基體材質(zhì)也為金屬，能承受強(qiáng)烈的振動(dòng)沖擊，且圓感應(yīng)同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器的電磁感應(yīng)原理一致，均是利用兩個(gè)繞組的互感信號(hào)隨相互位置的變化關(guān)系進(jìn)行解算[1]。

圓感應(yīng)同步器較旋轉(zhuǎn)變壓器最大的優(yōu)點(diǎn)是精度高（可達(dá)±3″以內(nèi)），而缺點(diǎn)是輸出信號(hào)非常微弱（＜10mV），在應(yīng)用中易受周圍的電磁場(chǎng)干擾。當(dāng)前的解決辦法是就近圓感應(yīng)同步器放置一信號(hào)放大器，此信號(hào)放大器可將定子感應(yīng)出的SIN、COS信號(hào)進(jìn)行放大至3V，以提高其抗干擾性，同時(shí)便于后續(xù)解碼電路進(jìn)行解算。

這種外置信號(hào)放大器以增強(qiáng)圓感應(yīng)同步器感應(yīng)信號(hào)的模式存在如下幾個(gè)弊端：

（1）因增加信號(hào)放大器導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量、體積都增大；

（2）由于同步器與信號(hào)放大器之間存在距離，這將使得周圍電磁場(chǎng)仍有可能對(duì)放大前的同步器微弱信號(hào)進(jìn)行干擾。

綜上所述，圓感應(yīng)同步器微弱信號(hào)易受干擾的問(wèn)題是制約其得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素，基于此，本文提出一種集成了信號(hào)放大器的圓感應(yīng)同步器，此模式實(shí)現(xiàn)的圓感應(yīng)同步器可輸出大的感應(yīng)信號(hào)，具備強(qiáng)抗干擾能力，同時(shí)其集成信號(hào)放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能縮減整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量、體積，具有非常重要的意義[2]。

二、總體方案

圓感應(yīng)同步器分為定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部件，其中定子安裝在固定臺(tái)體上，轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)軸上，對(duì)轉(zhuǎn)子施加交流激勵(lì)信號(hào)，定子將感應(yīng)出同頻率的交流感應(yīng)信號(hào)，此交流信號(hào)分為2路，分別為差分的SIN+、SIN-以及COS+、COS-，此兩路差分信號(hào)與機(jī)械轉(zhuǎn)角位置成一定比例關(guān)系，對(duì)其解碼即得到當(dāng)前轉(zhuǎn)軸相對(duì)臺(tái)體的轉(zhuǎn)角值[2]，常規(guī)圓感應(yīng)同步器輸出信號(hào)非常微弱，因而需要外置信號(hào)放大器將圓感應(yīng)同步器輸出的微弱信號(hào)后輸入到解碼器進(jìn)行解算（見圖1）。而這種外置信號(hào)放大器以增強(qiáng)圓感應(yīng)同步器感應(yīng)信號(hào)的模式會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量、體積，同時(shí)也較容易受到外界電磁場(chǎng)的干擾[3]。為解決上述問(wèn)題，本文提出一種方案，即在常規(guī)圓感應(yīng)同步器的定子基體內(nèi)挖出一塊凹槽，將信號(hào)放大器電路做小，集成在定子基體內(nèi)，這樣定子感應(yīng)出的信號(hào)在其內(nèi)部就進(jìn)行了調(diào)理、放大，輸出大幅度的感應(yīng)信號(hào)，從而可直接與后續(xù)的解碼器相連，在減少系統(tǒng)質(zhì)量、體積的同時(shí)也大幅增強(qiáng)了其可靠性。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所提出的集成了信號(hào)放大器的圓感應(yīng)同步器（見圖2），包括安裝在固定體上的定子基板和安裝在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子基板，定子基板和轉(zhuǎn)子基板均為金屬材料，在定子基板的頂部固定有定子絕緣層，絕緣層上固定有環(huán)狀的金屬繞組，在轉(zhuǎn)子基板的底部固定有與定子金屬繞組相對(duì)放置的轉(zhuǎn)子金屬繞組，轉(zhuǎn)子金屬繞組與轉(zhuǎn)子基板之間有絕緣層，定子金屬繞組和轉(zhuǎn)子金屬繞組均與轉(zhuǎn)軸垂直；

在定子基板的下表面挖一凹槽，凹槽內(nèi)放置信號(hào)放大板，信號(hào)放大板的輸入端與定子感應(yīng)輸出信號(hào)以線束1來(lái)相連，輸出端包含經(jīng)放大后的定子感應(yīng)信號(hào)以及信號(hào)放大板的供電電源，輸出端由線束2引出到定子基板的接線柱上，此模式實(shí)現(xiàn)的圓感應(yīng)同步器可輸出大的感應(yīng)信號(hào)，具備強(qiáng)抗干擾能力，同時(shí)其集成放大板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能縮減整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量、體積。

四、電氣設(shè)計(jì)

信號(hào)放大板的輸入端為感應(yīng)同步器定子感應(yīng)輸出信號(hào)SIN+、SIN-、COS+、COS-，輸出端為經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)SIN、COS，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

信號(hào)放大板電路分為2個(gè)功能環(huán)節(jié)，分別為一級(jí)放大環(huán)節(jié)、二級(jí)濾波環(huán)節(jié)。

定子感應(yīng)出的2對(duì)差分信號(hào)（SIN+、SIN-、COS+、COS-）經(jīng)一級(jí)放大后輸入到濾波器中進(jìn)行濾波，濾波后的放大信號(hào)能輸入到后續(xù)電路中進(jìn)行解碼，其中一級(jí)放大電路可采用AD620芯片進(jìn)行放大[4]，反饋電阻為100Ω，放大倍數(shù)約500倍，電路圖如圖4所示。

經(jīng)一級(jí)放大后的信號(hào)需經(jīng)過(guò)濾波器進(jìn)行調(diào)理，由于雜波干擾信號(hào)多為高頻，在此將濾波器設(shè)計(jì)為低通，其簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5運(yùn)放的同相輸入端電壓為：

根據(jù)電路進(jìn)行分析得到VP與VA的關(guān)系：

又可得到：

最后推算出如下公式：

在此將上限頻率設(shè)定為f=12kHz，電容取10nF，計(jì)算電阻R1=R2=1.3kΩ，R3=Rf=5.2kΩ。

五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在此通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證集成了信號(hào)放大器的圓感應(yīng)同步器放大后的信號(hào)及系統(tǒng)精度。

測(cè)試過(guò)程中所用的硬件設(shè)備如下：7″圓感應(yīng)同步器（定子集成了信號(hào)放大器）、高精密光學(xué)分度頭、同步器解碼電路（可角度數(shù)碼顯示）、數(shù)字萬(wàn)用表。

將同步器轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)軸上，定子固定在分度頭臺(tái)體上，當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子相對(duì)定子旋轉(zhuǎn)時(shí)，同步器定子感應(yīng)出信號(hào)，并經(jīng)過(guò)內(nèi)部的信號(hào)放大器進(jìn)行放大后輸出大幅度的SIN、COS信號(hào)，此信號(hào)可輸入到后續(xù)的解碼電路中解算出角度值進(jìn)行數(shù)碼顯示。

表1 SIN/COS幅值及精度誤差測(cè)試表

本文在360°內(nèi)間隔性得取了幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果見表1。通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，嵌入了信號(hào)放大器的圓感應(yīng)同步器SIN、COS信號(hào)幅度得到了大幅增強(qiáng)，且其綜合測(cè)角精度達(dá)到±2.7″，能滿足感應(yīng)同步器高精度測(cè)角的要求。

六、結(jié)論

本文提出一種感應(yīng)輸出信號(hào)大、抗干擾能力強(qiáng)的圓感應(yīng)同步器，通過(guò)在定子基板的下表面挖一凹槽，凹槽內(nèi)放置信號(hào)放大板，信號(hào)放大板的輸入端與定子感應(yīng)輸出信號(hào)相連，輸出端包含經(jīng)放大后的定子感應(yīng)信號(hào)以及信號(hào)放大板的供電電源，輸出端由線束引出到定子基板的接線柱上，此模式實(shí)現(xiàn)的圓感應(yīng)同步器可輸出大的感應(yīng)信號(hào)，具備強(qiáng)抗干擾能力，同時(shí)其集成放大板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能縮減整個(gè)系統(tǒng)的體積，具有非常重要的意義。