盧艷++朱宇

摘 要：文中研究的數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器是將并行輸入的14位TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為三相交流自整角機(jī)模擬信號(hào)，同時(shí)具有5 VA的功率驅(qū)動(dòng)能力。通過選擇精密電阻網(wǎng)絡(luò)以及合理的FPGA軟件算法控制，可以使得該數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度達(dá)到3 LSB，即為4'。同時(shí)為了保證該數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器在輸出5 VA功率時(shí)安全可靠，特地在功率運(yùn)算放大器的輸出級(jí)設(shè)計(jì)了過流保護(hù)和防反相電動(dòng)勢(shì)的反沖保護(hù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字-自整角機(jī)；過流保護(hù)；反沖保護(hù)；功率驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TN79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

自整角機(jī)是一種角度傳感器，該傳感器利用電磁感應(yīng)原理將旋轉(zhuǎn)的角度值轉(zhuǎn)換為三相交流信號(hào)。數(shù)字—自整角機(jī)（DSC）轉(zhuǎn)換器是將并行的TTL二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)換為自整角機(jī)輸出的三相交流信號(hào)。DSC被廣泛應(yīng)用在航空、航天、兵器及自動(dòng)控制的伺服系統(tǒng)和軸角控制系統(tǒng)中，具有轉(zhuǎn)換精度高、跟蹤速度快、可靠性好、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 自整角機(jī)原理介紹

自整角機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組上輸入?yún)⒖夹盘?hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度時(shí)，其轉(zhuǎn)子上的三相繞組會(huì)輸出三相交流信號(hào)VS1、VS2、VS3，且滿足式（1）。

（1）

從公式（1）可以看出，自整角機(jī)的三相輸出正弦波信號(hào)的幅值與自整角機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)，其工作頻率和相位理論與輸入?yún)⒖夹盘?hào)同頻同相[2]。

2 數(shù)字—自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器原理設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器要求輸入信號(hào)有輸入?yún)⒖夹盘?hào)和并行二進(jìn)制輸入，要求輸出為三相子整機(jī)信號(hào)，且輸出功率為5 VA，其原理設(shè)計(jì)框圖如圖1所示[3]。

圖1 數(shù)字—自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器的原理設(shè)計(jì)框圖

輸入?yún)⒖夹盘?hào)通過參考信號(hào)放大電路轉(zhuǎn)換為與參考信號(hào)同相的輸出信號(hào)和與參考信號(hào)反相的輸出信號(hào)；該同相輸出信號(hào)和反相輸出信號(hào)輸入到象限選擇電路；輸入的并行TTL二進(jìn)制數(shù)碼是帶有角度信息的二進(jìn)制碼，該二進(jìn)制碼通過加權(quán)處理就可對(duì)應(yīng)輸入的角度，并行TTL二進(jìn)制輸入到FPGA軟件控制電路；FPGA軟件控制電路的輸出首先控制同相輸出信號(hào)和反相輸出信號(hào)的象限選擇電路，保證象限選擇電路輸出正弦信號(hào)和余弦信號(hào)；該正弦信號(hào)和余弦信號(hào)輸入到DAC正余弦乘法器，同時(shí)受FPGA軟件控制電路控制DAC正余弦乘法器，輸出帶有輸入角度信息的正余弦信號(hào)，該正余弦信號(hào)輸出功率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，后級(jí)需要接功率驅(qū)動(dòng)電路，輸出滿足功率要求的正余弦信號(hào)，且在功率運(yùn)算放大電路中設(shè)計(jì)了過流保護(hù)和防反相電動(dòng)勢(shì)的反沖保護(hù)；該正余弦信號(hào)通過SCOTT變換輸出三相自整角機(jī)信號(hào)，且輸出功率滿足設(shè)計(jì)要求。

3 數(shù)字—自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

3.1 參考信號(hào)放大電路

參考信號(hào)放大電路主要是對(duì)輸入?yún)⒖夹盘?hào)Vref幅值的放大，要求輸出相位相反的差動(dòng)信號(hào)，圖1所示為參考信號(hào)放大電路的原理圖。一般參考信號(hào)幅值都會(huì)很大，如115 V、56 V、26 V等，而數(shù)字—自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的供電一般都是±15 V，因此需要將參考信號(hào)Vref進(jìn)行衰減。參考信號(hào)Vref通過輸入電阻網(wǎng)絡(luò)的衰減后，需要滿足參考信號(hào)放大電路的輸入差模信號(hào)要求，同時(shí)為了保護(hù)衰減后輸入?yún)⒖夹盘?hào)由于電壓太高對(duì)放大電路的損傷，在參考信號(hào)Vref衰減后需要增加保護(hù)電路。參考信號(hào)放大電路輸出差動(dòng)同相輸入信號(hào)Va和反相輸入信號(hào)Vb，且同相輸入信號(hào)Va與參考信號(hào)Vref同相，反相輸入信號(hào)Vb與參考信號(hào)Vref反相。參考信號(hào)放大電路原理圖如圖2所示。

3.2 象限選擇電路

象限選擇電路主要通過兩個(gè)控制信號(hào)T1和T2完成對(duì)同相輸入信號(hào)Va和反相輸入信號(hào)Vb的四個(gè)象限的選擇輸出模式。本論文的象限選擇電路如圖3所示。選擇開關(guān)電路，當(dāng)使能信號(hào)和為低電平時(shí)，D2和D3輸出到S2和S3， 當(dāng)使能信號(hào)OE1和OE4為低電平時(shí)，D1和D4輸出到S1和S4。該象限選擇電路的邏輯關(guān)系如表1所列。

通過表1可以看出，通過象限選擇電路兩個(gè)控制信號(hào)T1和T2可以選擇4個(gè)對(duì)應(yīng)的象限，實(shí)現(xiàn)象限選擇功能。兩個(gè)控制信號(hào)T1和T2由后級(jí)FPGA軟件控制電路提供。

3.3 DAC正余弦乘法器

DAC正余弦乘法器輸入信號(hào)為象限選擇電路的輸出Vsin和Vcos，通過FPGA軟件控制實(shí)現(xiàn)對(duì)Vsin和Vcos輸出幅值的可編程化。DAC正余弦乘法器的原理圖如圖4所示。Vsin通過FPGA軟件控制量Din1控制幅值增益因子A，將該幅值增益因子A與Vsin信號(hào)相乘，其輸出電壓變?yōu)锳×Vsin，其中A的大小與FPGA軟件控制量Din1相關(guān)；Vcos通過FPGA軟件控制量Din2控制幅值增益因子B，將該幅值增益因子B與Vcos信號(hào)相乘，使其輸出電壓變?yōu)锽×Vcos，其中B的大小與FPGA軟件控制量Din2相關(guān)。

3.4 FPGA軟件控制電路

FPGA軟件控制電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)象限選擇電路的控制和對(duì)DAC正余弦乘法器的幅值增益控制。FPGA軟件控制電路的核心是通過選擇合適的算法[4， 5]，在正余弦信號(hào)都存在時(shí)，選用盡可能低有效位的DAC正余弦乘法器，從而實(shí)現(xiàn)輸出高精度的要求。當(dāng)正余弦信號(hào)都存在時(shí)，由于正余弦信號(hào)的最小值和最大值并非是單調(diào)的，因此在FPGA軟件控制實(shí)現(xiàn)對(duì)DAC正余弦乘法器的幅值增益控制時(shí)就可以將正余弦信號(hào)二者相比較，選擇二者間最小的一個(gè)值為參考基準(zhǔn)，如在-45度到45度之間選擇正弦信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，在45度到135度之間選擇余弦信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)。這樣就可以大大降低對(duì)DAC正余弦乘法器有效位的要求。FPGA軟件控制電路的原理框圖如圖5所示，輸入并行14位二進(jìn)制碼，輸出T1和T2控制象限選擇電路，輸出Din1和Din2控制DAC正余弦乘法器的幅值增益因子A和B。

3.5 功率驅(qū)動(dòng)電路

在FPGA軟件控制電路的控制下，通過象限選擇電路以及DAC正余弦乘法器的幅值增益控制，實(shí)現(xiàn)帶有角度信號(hào)的A×Vsin正弦信號(hào)輸出和B×Vcos余弦信號(hào)輸出。為了滿足該正余弦信號(hào)輸出5 VA功率，專門設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)電路，圖6所示為正弦信號(hào)輸出的功率驅(qū)動(dòng)電路原理圖，輸入A×Vsin正弦信號(hào)，輸出Vsin1，輸出功率為5 VA。在滿足功率輸出的同時(shí)，設(shè)計(jì)了過流保護(hù)和防反相電動(dòng)勢(shì)的反沖保護(hù)。在圖6中，電阻R9和R10，二極管D6和D7組成了過流保護(hù)電路，二極管D8、D9組成了防反相電動(dòng)勢(shì)的反沖保護(hù)。B×Vcos余弦信號(hào)輸出的功率驅(qū)動(dòng)電路與A×Vsin正弦信號(hào)輸出的相同，輸入B×Vcos余弦信號(hào)，輸出Vcos1，輸出功率為5 VA。此外，為了保證在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)輸出電壓的高精度，在放大倍數(shù)的電阻設(shè)計(jì)中選擇使用精密電阻網(wǎng)絡(luò)，圖6中的R4與R5應(yīng)選擇溫度系數(shù)為5 ppm/℃的高精密電阻。

3.6 SCOTT變換器

功率驅(qū)動(dòng)電路輸出的正余弦信號(hào)Vsin1和Vcos1是相互正交的兩個(gè)信號(hào)，為了滿足自整角機(jī)的三相輸出，還需加入SCOTT變換器，SCOTT變換器有電子式和變壓器式，由于SCOTT變換器的輸入為5 VA的正余弦信號(hào)Vsin1和Vcos1，輸出功率較大，而電子式SCOTT變換器轉(zhuǎn)換效率太低，因此我們選擇變壓器式的SCOTT變換器，其原理圖如圖7所示。

4 結(jié) 語

本文通過從數(shù)字—自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器的原理設(shè)計(jì)到電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)將并行輸入的14位TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為三相交流自整角機(jī)模擬信號(hào)，輸入的參考信號(hào)最高電壓可以達(dá)到115 V，輸出的自整角機(jī)信號(hào)最高電壓可以達(dá)到90 V，同時(shí)具有5 VA的功率驅(qū)動(dòng)能力，通過該數(shù)字—自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)可以根據(jù)用戶的不同要求來拓展系列產(chǎn)品。還可通過合適的FPGA軟件控制來有效提高輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換精度。目前該系列產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換精度可達(dá)3 LSB，即為4'，目前市場上對(duì)應(yīng)最高的轉(zhuǎn)換精度為8'[6]。同時(shí)為保證驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)的可靠工作，特地在功率驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)設(shè)計(jì)了過流保護(hù)和防反相電動(dòng)勢(shì)的反沖保護(hù)。該數(shù)字—自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換精度高、跟蹤速度快、可靠性好、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空、航天、兵器及自動(dòng)控制的伺服系統(tǒng)和軸角控制系統(tǒng)中，市場前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

參考文獻(xiàn)

[1]徐大林，黃慶安.數(shù)字式自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器變換技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 微電機(jī)，2006，39（3）：81-85.

[2]于相斌，段鳳陽，李旭.自整角機(jī)軸角測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（1）：76-78.

[3]徐大林，顧良圭，黃新吉.小型化高精度DRC/DSC模塊開發(fā)研究[J].信息化研究，1999（7）：21-23.

[4] R Verret， S Thompson. Custom FPGA-Based Tests with COTS Hardware and Graphical Programming [J]. AUTOTESTCON， 2010 IEEE， 2010 ： 1-5.

[5]陳青，于勁松，劉浩，等.基于FPGA的自整角機(jī)信號(hào)模擬與測(cè)試[J].工業(yè)計(jì)量，2012，22（5）：1-3.

[6]連云港杰瑞電子有限公司產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)—軸角分冊(cè)[Z].2009.