一種角位儀的研究設計

楊寶龍，張穎輝，李海燕

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一種角位儀的研究設計

楊寶龍，張穎輝，李海燕

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

文章提出了一種用于模擬旋轉變壓器輸出角度和位置信號的簡便儀器的設計方法。介紹了以DSP為控制核心的設計原理以及具體的實現方式，重點介紹了硬件設計及應用對象，簡要介紹了其調試、測試過程。通過實驗說明了本儀器設計合理，性能指標能滿足要求。

角位 DSP 乘法器

0 引言

旋轉變壓器是一種單相激勵雙相輸出的無刷旋轉變壓器，某種意義上講是一種提供軸角（轉速、位置方向）信息的信號電機，廣泛應用于航空，航天，航海，冶煉等各種控制領域，具有較寬的工作溫度、濕度范圍，較強的抗干擾性，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，輸出繞組輸出的電壓則是調制后的高頻模擬信號，因此輸出繞組電壓幅值與轉子轉角之間可以建立正余弦函數的某一比例關系。

旋變與旋轉變壓器／數字轉換模塊配套，為其提供電機角度、位置模擬量信息，后者將其變換為數字量輸入到單片機或DSP等控制核心。因此可以看出整個測量系統是分布式的，旋變與電機一體套軸，轉換模塊與數字控制核心不可能與旋變完全一體，而是自成一體，通過導線與旋變連接[2]。

目前國內旋變大小一般在φ70～700 mm之間，甚至1100 mm，規格、型號繁多。有的體積大、重量重，安裝到位后很難再次拆裝。而且在電機不能運行或者旋變故障以及實驗室無旋變的情況下，根本無法對轉換模塊乃至數字控制核提供信號進行調試。因此非常有必要設計一種儀器模擬旋變信號，為控制核心提供要求的角度/位置信號。

本文詳細闡述了用于模擬旋變輸出電機轉子初始位置、轉速以及正反轉方向的簡易調試儀器的研究設計。

與國外同類角位儀（如，價格為20萬人民幣）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，操作簡便。

1 總體設計

1.1 設計依據及方案

角位儀的設計依據根據旋轉變壓器的工作原理可以得出。旋轉變壓器定、轉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，轉子的兩組繞組分別為正弦繞組和余弦繞組。當激磁輸入正弦交流電時，變壓器的二次側得到正弦交流電，電機中產生直軸脈振磁通。這樣，由直軸脈振磁通在激磁繞組中產生的感應電勢由于激磁電壓恒定且采用了正弦繞組，直軸磁場在空間呈正弦分布[2]。設轉子正弦輸出繞組的軸線和交軸之間的夾角為轉子轉角，當激磁電壓恒定時，其輸出電壓將與轉子轉角呈正弦函數關系。同理可得，余弦輸出繞組的電壓與轉子轉角為余弦函數關系。

根據以上分析，可以得出角位儀的總體設計方案，利用激磁產生載波信號，利用控制核心DSP產生調制波，通過相應電路合成，最后生成需要的正交交流波形發出。

1.2 電源及激磁

因激磁需要+15 V及-15 V電源，同時所需功耗不大，同時考慮到便攜性，沒必要使用個頭很大的電源模塊，因此采用TPS65130芯片式電源即可產生所需電源，如圖2所示，利用激磁專用電源MDAC15S20產生頻率為400 Hz（可提供400～2.6 KHz）有效值為6.8 V的正弦載波信號，如圖3所示，激磁幅值可通過電阻R1R2R3R4進行擴大或縮小的微調。

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，通過軟件編程，利用2路或者4路DA輸出轉速信號的調制波[1]，為正弦包絡線，利用芯片AD734將載波與調制波合成，輸出旋轉變壓器／數字轉換模塊所需要的反饋波， 如圖4所示。為滿足要求，增加撥檔開關設置正反轉信號，設計瞬動按鍵改變轉速，每按一下增加/減少10轉。從顯示屏觀察當前必要數據。

1.4 調試及試驗

圖3 激磁電路圖

圖4 合成電路圖

以中電43所的HRDC14594轉換器作為負載進行調試[3]，利用示波器觀測波形及幅值。后端外接顯示器，編制相應軟件，實時顯示位置信息包括轉速、正反轉、初始位置信息等。如圖5所示為示波器觀測儀器輸出反饋波形。

從顯示器可以直觀看出，初始上電后跟蹤軟件顯示當前轉速為50轉/分，按下瞬動按鍵，變為60轉/分，撥檔開關撥至反方向，按下瞬動按鍵，變為50轉/分，再次按下瞬動按鍵，變為40轉/分，連續按下直至顯示-200轉/分。上述誤差顯示均在±0.05轉/分。

調試中問題:

1) 輸出幅值過小，不能滿足要求。解決方法：調整標度電阻，減小比例；調整軟件控制輸出DA 幅值;

2) AD734發熱，解決方法：電源電壓降低；負載串入電阻，減小功耗。

2 結論

本文詳細的介紹了用于模擬旋變調試轉換模塊輸出速度、位置信號的角位儀的研究設計。全部功能均經過實驗驗證。其適用性、實用性以及穩定性、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，具有很強的實用推廣價值。

[1] 張崙. 2位嵌入式系統硬件設計與調試[M]. 北京：機械工業出版社, 2005．

[2] 黃衛權，趙欣．多極旋轉變壓器軸角一數字轉換系統精度測試方法[J]．應用科技，2002.

[3] 彭建飛，趙克．旋變／數字轉換模塊在軸角檢測中的應用[J]．微計算機信息, 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

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）

楊寶龍(1977-)，男，高級工程師。研究方向：嵌入式控制系統。