吳建剛，楊紅霞，馬俊安，劉勝魁

（四川航天電子設(shè)備研究所，四川成都 610100）

隨著精確制導技術(shù)不斷發(fā)展，導引頭技術(shù)越來越受到重視[1]。雷達伺服系統(tǒng)是反艦導彈導引頭的重要組成部分，它對于發(fā)現(xiàn)目標、跟蹤目標以及精確測量目標位置都起著重要作用，它的精度直接影響到反艦導彈的制導精度[2-3]。伺服系統(tǒng)的定位精度主要取決于角度傳感器的精度，常見的角位置檢測傳感器有光電編碼器、磁編碼器以及旋轉(zhuǎn)變壓器。相比于其他兩種類型的傳感器，旋轉(zhuǎn)變壓器具有耐污染、抗震動、抗電磁干擾、壽命長，在惡劣環(huán)境下可靠工作的優(yōu)點［4-6］。

由于旋轉(zhuǎn)變壓器直接輸出的是模擬電壓信號，需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換及解碼變?yōu)閿?shù)字信號才能被處理器使用，所以，對于采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為測角元件的伺服系統(tǒng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換解碼電路和旋轉(zhuǎn)變壓器共同決定系統(tǒng)的定位精度。旋變解碼又稱為軸角解碼，主要有兩種方法[7-8]：一種是結(jié)合硬件調(diào)理電路，利用處理器運行軸角轉(zhuǎn)換計算軸角；另外一種是直接使用軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片（RDC）。RDC 芯片精度較高、外圍電路簡單，廣泛應用于現(xiàn)代雷達伺服測角系統(tǒng)。目前，應用于雷達導引頭伺服系統(tǒng)的旋變解碼電路普遍基于集成的RDC 芯片（AD2S1210），而該芯片驅(qū)動能力很小，微安級的驅(qū)動電流無法直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器工作，所以，對于RDC 芯片（AD2S1210）解碼電路，后端的驅(qū)動電路設(shè)計非常關(guān)鍵。劉偉奇等設(shè)計了基于AD2S83、AD2S99、OP279 和甲乙類放大電路組合的激磁放大電路，電路非常復雜［9］；范濤等設(shè)計了高密度主控板，但側(cè)重于軟件解碼設(shè)計，并未給出高密度RDC 設(shè)計電路[10]；郭晨霞等研究了低成本激磁電路，但主要采用分立器件來搭建[11]；魏旭來選用AD823ARZ 和TCA0372 構(gòu)成射隨緩沖，其驅(qū)動電流可達1 A，但電路設(shè)計復雜[12]；文獻[13-20]研究較多的解碼驅(qū)動電路主要為分立器件組成的多級推勉放大電路，其電路復雜、規(guī)模較大，均不利于二維伺服系統(tǒng)的工程應用；文獻[21-23]采用集成運放驅(qū)動電路，但僅針對單軸設(shè)計；魏雅設(shè)計了雙軸解碼驅(qū)動電路，但仍采用分立器件搭建[24]。因此，該文設(shè)計開發(fā)了一款適用于小型雷達導引頭二維伺服系統(tǒng)的集成化共激磁放大電路。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器測角原理

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系或線性關(guān)系。

工程上應用較多的是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其等效原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示，左側(cè)初級勵磁繞組輸入勵磁電壓，右側(cè)次級感應繞組反饋輸出兩相正交的電壓，大小與轉(zhuǎn)角成正余弦關(guān)系，故可以通過反饋正余弦電壓信號計算出其轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器等效原理結(jié)構(gòu)圖

其電壓換算關(guān)系為：

式中，Um為最大激磁電壓幅值；ω為激磁頻率；K為變比；φ為轉(zhuǎn)角；

由于旋轉(zhuǎn)變壓器（以下簡稱旋變）直接輸出的是模擬電壓信號，所以，需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換及解碼變?yōu)閿?shù)字信號供處理器使用，信號轉(zhuǎn)換原理框圖如圖2所示。

圖2 信號轉(zhuǎn)換原理框圖

2 電路設(shè)計

2.1 RDC解碼芯片

AD 公司的AD2S1210 是一款高精度的集成RDC芯片，能夠為旋變提供所需的激磁信號。內(nèi)部有一個伺服跟蹤環(huán)路，負責跟蹤輸入的正、余弦信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字的位置。該芯片廣泛應用于直流和交流伺服電機控制領(lǐng)域。AD2S1210 的主要參數(shù)見表1。

表1 AD2S1210主要參數(shù)

2.2 AD2S1210接口電路

AD2S1210 是模數(shù)混合芯片，芯片工作時需要模擬AVDD+5 V、數(shù)字DVDD+5 V 以及邏輯數(shù)字+3.3 V三路電源供電。AD2S1210 芯片模擬端用于產(chǎn)生驅(qū)動旋變工作的激磁信號，同時接收旋變返回的正余弦信號，數(shù)字端與處理芯片F(xiàn)PGA 互連，F(xiàn)PGA 對其專用管腳進行配置操作，設(shè)置芯片的工作模式和激磁電壓頻率等，并接收其輸出的角度解碼數(shù)據(jù)。AD2S1210 具有串行和并行兩種通訊方式，為了減少外圍走線，該文采用SPI 串行方式。電路設(shè)計按照模數(shù)混合的電路設(shè)計原則進行設(shè)計，模數(shù)走線采用分開設(shè)計，模擬地線與數(shù)字地線通過磁珠單點相連。AD2S1210 接口電路原理框圖如圖3 所示。

圖3 AD2S1210接口電路原理框圖

2.3 激磁放大電路

雖然AD2S1210 產(chǎn)生激磁信號和處理正余弦信號非常方便，但該芯片驅(qū)動能力很小，微安級的驅(qū)動電流無法直接驅(qū)動旋變工作，所以，后端的激磁驅(qū)動電路設(shè)計非常關(guān)鍵，既影響信號的質(zhì)量，又制約整個旋變解碼電路的集成化程度。常見的驅(qū)動電路多為分立器件組成的多級推勉驅(qū)動電路，電路復雜，可靠性低，已經(jīng)無法適應微小型二維伺服系統(tǒng)的使用需求。

該文設(shè)計開發(fā)了一款基于雙路軌到軌功率運放FX2546（主要參數(shù)見表2）的激磁放大電路，實現(xiàn)了激磁放大電路的集成化。為了盡可能地精簡外圍電路，減小電源種類，設(shè)計時采用單電源供電。為了有效利用運放的最優(yōu)線性段，實現(xiàn)信號全范圍放大，設(shè)計時將激勵信號參考電平偏置到供電電壓的一半附近。激磁放大電路的原理圖如圖4 所示，AD2S1210 輸出的激磁差分EXC 信號分別經(jīng)過R3和R17連接運放負端，運放正端通過分壓電阻將電壓配置為一半的供電電壓，經(jīng)放大后的激磁差分EXC_OUT 信號便可驅(qū)動旋變工作。工程應用時，還可根據(jù)需要靈活配置激磁信號電壓的放大倍數(shù)，以適應不同電壓的旋變使用。

圖4 激磁放大電路原理圖

表2 FX2546主要參數(shù)

2.4 共激磁解碼電路

導引頭小型化低成本是未來發(fā)展的趨勢，如何充分利用已有資源，優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)電路的微小型化設(shè)計是工程應用需要重點解決的難題。該文設(shè)計的共激磁解碼電路可采用一路激磁放大電路同時驅(qū)動方位和俯仰兩維旋變，與分立器件組成的多級推勉驅(qū)動電路相比，元器件數(shù)量和電路PCB 面積分別縮小一倍以上，為導引頭伺服電路的微小型化設(shè)計提供了工程化途徑。

共激磁解碼電路的原理框圖如圖5 所示，方位AD2S1210 輸出的激磁信號經(jīng)激磁放大電路放大后同時驅(qū)動方位和俯仰兩個旋變工作，旋變輸出的正余弦信號分別輸入各自的AD2S1210 解碼芯片。由FPGA 對解碼芯片進行配置，并通過SPI 串口接收解碼后的角度數(shù)據(jù)。為保證共激磁設(shè)計時兩維激磁信號相位的一致性，由FPGA 進行時序控制確保兩維解碼芯片同步復位，采用同源晶振經(jīng)時鐘驅(qū)動芯片后供兩維解碼芯片使用。

圖5 共激磁解碼電路原理圖

3 試驗測試

3.1 測試系統(tǒng)

對設(shè)計完成的產(chǎn)品進行了實物測試，搭建的測試系統(tǒng)（如圖6）由上位機、集成控制驅(qū)動器（包括控制電路、角度解碼電路和電機驅(qū)動電路）以及執(zhí)行機構(gòu)組成[25]。所選旋變型號及主要參數(shù)如表3 所示。

圖6 測試系統(tǒng)

表3 J45XF20旋變主要參數(shù)

3.2 波形測試

該文設(shè)計的共激磁旋變解碼電路使用的是方位維AD2S1210 輸出的激磁差分信號，經(jīng)激磁放大后同時驅(qū)動方位維和俯仰維兩路旋變，然后將旋變輸出的正余弦信號輸入各路AD2S1210 進行解碼。對于俯仰維測角而言，如果兩維AD2S1210 分別產(chǎn)生的激磁信號相位一致性較差，則會影響俯仰維旋變角度解碼的正確性。所以，需要對方位維和俯仰維AD2S1210分別產(chǎn)生的激磁信號相位進行測試，測試結(jié)果如圖7所示，方位維和俯仰維激磁波形基本重合，相位差在10°以內(nèi)，符合AD2S1210 手冊44°以內(nèi)的相位差要求，激磁信號輸出波形符合設(shè)計預期。

圖7 方位維和俯仰維AD2S1210產(chǎn)生的激磁信號波形

3.3 系統(tǒng)測試

旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路屬于模數(shù)混合電路，電路設(shè)計裕度是否夠用，通?？赏ㄟ^溫度循環(huán)測試進行考核。在常溫系統(tǒng)測試的基礎(chǔ)上，將被測產(chǎn)品放入高低溫循環(huán)試驗箱中，按要求完成了溫循試驗（-40～+60 ℃）。在常溫、低溫和高溫測試過程中，系統(tǒng)各流程正常工作，預置角度流程數(shù)據(jù)截圖分別見圖8-10，在角度預置過程中角度輸出連續(xù)平滑無畸點，預置到位后，角度平穩(wěn)無波動。

圖8 常溫預置角度數(shù)據(jù)截圖

圖9 低溫預置角度數(shù)據(jù)截圖

圖10 高溫預置角度數(shù)據(jù)截圖

測試數(shù)據(jù)表明，設(shè)計完成的共激磁旋變解碼電路及伺服系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，適用于導引頭伺服系統(tǒng)工作環(huán)境。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計開發(fā)的二維伺服系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路，集成化程度高，適應了彈載雷達導引頭小型化低成本的發(fā)展需求。文中介紹了集成化激磁電路和適用于二維伺服系統(tǒng)的共激磁放大電路設(shè)計。通過溫循試驗，驗證了該電路的可靠性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了集成化和小型化二維伺服系統(tǒng)旋變解碼電路的工程化設(shè)計。