一种角位仪的研究设计

杨宝龙，张颖辉，李海燕



一种角位仪的研究设计

杨宝龙，张颖辉，李海燕

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

文章提出了一种用于模拟旋转变压器输出角度和位置信号的简便仪器的设计方法。介绍了以DSP为控制核心的设计原理以及具体的实现方式，重点介绍了硬件设计及应用对象，简要介绍了其调试、测试过程。通过实验说明了本仪器设计合理，性能指标能满足要求。

角位 DSP 乘法器

0 引言

旋转变压器是一种单相激励双相输出的无刷旋转变压器，某种意义上讲是一种提供轴角（转速、位置方向）信息的信号电机，广泛应用于航空，航天，航海，冶炼等各种控制领域，具有较宽的工作温度、湿度范围，较强的抗干扰性，抗冲击能力。它包括激磁绕组与输出绕组两部分。激磁绕组上施加外部的高频信号，输出绕组输出的电压则是调制后的高频模拟信号，因此输出绕组电压幅值与转子转角之间可以建立正余弦函数的某一比例关系。

旋变与旋转变压器／数字转换模块配套，为其提供电机角度、位置模拟量信息，后者将其变换为数字量输入到单片机或DSP等控制核心。因此可以看出整个测量系统是分布式的，旋变与电机一体套轴，转换模块与数字控制核心不可能与旋变完全一体，而是自成一体，通过导线与旋变连接[2]。

目前国内旋变大小一般在φ70～700 mm之间，甚至1100 mm，规格、型号繁多。有的体积大、重量重，安装到位后很难再次拆装。而且在电机不能运行或者旋变故障以及实验室无旋变的情况下，根本无法对转换模块乃至数字控制核提供信号进行调试。因此非常有必要设计一种仪器模拟旋变信号，为控制核心提供要求的角度/位置信号。

本文详细阐述了用于模拟旋变输出电机转子初始位置、转速以及正反转方向的简易调试仪器的研究设计。

与国外同类角位仪（如，价格为20万人民币）相比，性能基本一致，成本降低百倍，体积大大缩小，而且便于携带，轻巧易用，操作简便。

1 总体设计

1.1 设计依据及方案

角位仪的设计依据根据旋转变压器的工作原理可以得出。旋转变压器定、转子分别采用了两套完全相同，空间位置相差90°的绕组，如图1。定子的两组绕组分别叫激磁绕组和交轴绕组，转子的两组绕组分别为正弦绕组和余弦绕组。当激磁输入正弦交流电时，变压器的二次侧得到正弦交流电，电机中产生直轴脉振磁通。这样，由直轴脉振磁通在激磁绕组中产生的感应电势由于激磁电压恒定且采用了正弦绕组，直轴磁场在空间呈正弦分布[2]。设转子正弦输出绕组的轴线和交轴之间的夹角为转子转角，当激磁电压恒定时，其输出电压将与转子转角呈正弦函数关系。同理可得，余弦输出绕组的电压与转子转角为余弦函数关系。

根据以上分析，可以得出角位仪的总体设计方案，利用激磁产生载波信号，利用控制核心DSP产生调制波，通过相应电路合成，最后生成需要的正交交流波形发出。

1.2 电源及激磁

因激磁需要+15 V及-15 V电源，同时所需功耗不大，同时考虑到便携性，没必要使用个头很大的电源模块，因此采用TPS65130芯片式电源即可产生所需电源，如图2所示，利用激磁专用电源MDAC15S20产生频率为400 Hz（可提供400～2.6 KHz）有效值为6.8 V的正弦载波信号，如图3所示，激磁幅值可通过电阻R1R2R3R4进行扩大或缩小的微调。

图2 电源电路图

1.3 控制及合成电路

该仪器控制核心为DSP，通过软件编程，利用2路或者4路DA输出转速信号的调制波[1]，为正弦包络线，利用芯片AD734将载波与调制波合成，输出旋转变压器／数字转换模块所需要的反馈波， 如图4所示。为满足要求，增加拨档开关设置正反转信号，设计瞬动按键改变转速，每按一下增加/减少10转。从显示屏观察当前必要数据。

1.4 调试及试验

图3 激磁电路图

图4 合成电路图

以中电43所的HRDC14594转换器作为负载进行调试[3]，利用示波器观测波形及幅值。后端外接显示器，编制相应软件，实时显示位置信息包括转速、正反转、初始位置信息等。如图5所示为示波器观测仪器输出反馈波形。

从显示器可以直观看出，初始上电后跟踪软件显示当前转速为50转/分，按下瞬动按键，变为60转/分，拨档开关拨至反方向，按下瞬动按键，变为50转/分，再次按下瞬动按键，变为40转/分，连续按下直至显示-200转/分。上述误差显示均在±0.05转/分。

调试中问题:

1) 输出幅值过小，不能满足要求。解决方法：调整标度电阻，减小比例；调整软件控制输出DA 幅值;

2) AD734发热，解决方法：电源电压降低；负载串入电阻，减小功耗。

2 结论

本文详细的介绍了用于模拟旋变调试转换模块输出速度、位置信号的角位仪的研究设计。全部功能均经过实验验证。其适用性、实用性以及稳定性、可靠性以及兼容性均满足需求，即可用于单速变压器也可用于双速变压器，具有很强的实用推广价值。

[1] 张崙. 2位嵌入式系统硬件设计与调试[M]. 北京：机械工业出版社, 2005．

[2] 黄卫权，赵欣．多极旋转变压器轴角一数字转换系统精度测试方法[J]．应用科技，2002.

[3] 彭建飞，赵克．旋变／数字转换模块在轴角检测中的应用[J]．微计算机信息, 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

国家科技支撑计划项目（2012BAG03B01）

杨宝龙(1977-)，男，高级工程师。研究方向：嵌入式控制系统。