基于絕對零位式圓感應(yīng)同步器的角度測量系統(tǒng)

湯文軍 婁敏 張林 林興顏 王智勇

摘 要：傳統(tǒng)的圓感應(yīng)同步器在使用過程中必須另配旋轉(zhuǎn)變壓器進行組合才能具備絕對零位，這對于整個系統(tǒng)的質(zhì)量、體積、安裝均會帶來不利的影響。本文介紹一種本身就具備絕對零位的圓感應(yīng)同步器，并詳細介紹了基于此類型圓感應(yīng)同步器的角度測量系統(tǒng)的實現(xiàn)方案以及硬件電路設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：絕對零位；感應(yīng)同步器；定子；轉(zhuǎn)子

The angle msasuring system based on absolute zero position

Rotary Inductosyn

Tang Wen Jun, Lou Min, Zhang lin, Lin Xingyan, Wang Zhi Yong,

(JiuJiang Precision Measuring Technology Research institute, Jiang Xi ,Jiu Jiang 332000)

Abstract：Traditional Rotary Inductosyn requires a extra sensor element to accomplish a absolute zero position when it is used, it is not convenient to the quality, volume, installation of the system. This paper introduces a special Rotary Inductosyn, which has a special absolute zero position itself, and the method to accomplish angle msasuring system , the design of circuit.

Key Words: Absolute zero position; Rotary Inductosyn; Rotor; Staor

引言

圓感應(yīng)同步器是一種角位移傳感器，它具有耐惡劣環(huán)境、測量精度高、壽命長、成本低、安裝方便、運行速度快、穩(wěn)定可靠等一些列優(yōu)點，因而其應(yīng)用領(lǐng)域遍及航天、航空、機械制造、精密儀器、計量等部門[1]。傳統(tǒng)的感應(yīng)同步器測角系統(tǒng)多采用單通道感應(yīng)同步器作為角度傳感器來實現(xiàn)，稱為增量式測角系統(tǒng)。這種測角系統(tǒng)在要求測量絕對角度的時候?qū)⑹バЯΓ^對角度測量系統(tǒng)是今后角度測量的趨勢。一種解決方案是采用“旋轉(zhuǎn)變壓器+感應(yīng)同步器”，通過將旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的粗碼和感應(yīng)同步器產(chǎn)生的精碼進行粗精結(jié)合產(chǎn)生絕對角度。但是旋轉(zhuǎn)變壓碼器與感應(yīng)同步器屬于兩個部件，它們兩者之間要求很高的裝配精度，如同心度、同軸度，這在使用過程中往往帶來諸多不便。鑒于此，采用絕對零位式式圓感應(yīng)同步器作為角度傳感器的測角系統(tǒng)可以很好地解決上面的問題。由于其粗精線圈都在一個繞組內(nèi)同心刻畫，體積小，精度高，相對于“旋轉(zhuǎn)變壓器+感應(yīng)同步器”解決方案，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性[2]。

1 實現(xiàn)方案

絕對零位式圓感應(yīng)同步器分為定子和轉(zhuǎn)子兩個部件，其中定子固定在臺體上，轉(zhuǎn)子安置在旋轉(zhuǎn)軸上，通過定子和轉(zhuǎn)子的相對運動引起電磁場的變化來進行角度的測量。

絕對零位式圓感應(yīng)同步器分為粗極、精極兩個通道，其中可通過粗極通道將當(dāng)前的整度數(shù)值解算出，通過精極通道將當(dāng)前度的小數(shù)值解算出，隨后再將粗極、精極兩個通道解算出的角度值進行融合，得到當(dāng)前正確的角度值。具體應(yīng)用方案如下：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)上章實現(xiàn)方案，列出測角系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)原理框圖如下所示：

由圖2可見，測角系統(tǒng)內(nèi)的硬件電路共分6個單元：

（1）激磁信號單元

本項目采用單相轉(zhuǎn)子激磁，定子兩相感應(yīng)的鑒幅方式工作，對激磁電路的要求比較高。激磁電路的目的是產(chǎn)生一個相位和幅值都很穩(wěn)定，頻率符合要求，并且具有一定功率驅(qū)動能力的正弦波。項目選用ICL8038發(fā)出正弦波，此正弦波經(jīng)過UA741后進行分壓，分壓后的信號由OPA548對其進行功率放大，以驅(qū)動同步器轉(zhuǎn)子進行工作。

（2）放大濾波單元

由于感應(yīng)同步器定子直接輸出電壓幅值很低為毫伏級，因此需將該毫伏級信號通過放大濾波單元進行處理后再輸入到軸角轉(zhuǎn)換單元，以便其解算得到更準(zhǔn)確的角度值信號。在此選用儀用放大器AD620對定子直接輸出的微弱信號進行一級放大，隨后利用OP07構(gòu)建帶通濾波器來濾除信號中附帶的干擾信號。

（3）軸角轉(zhuǎn)換單元

軸角轉(zhuǎn)換單元將同步器粗、精通道輸出的經(jīng)放大、濾波后的A、B兩相正弦信號轉(zhuǎn)為與當(dāng)前機械角度值相對應(yīng)的數(shù)字信號，該數(shù)字信號被送入控制處理單元進行操作。本項目中選用AD2S80作為軸角轉(zhuǎn)換芯片來對模擬信號進行解算，將得到的數(shù)字量輸出到CPLD中進行處理。

（4）控制電路單元

控制處理單元將軸角轉(zhuǎn)換單元輸出的代表粗、精通道角度值的數(shù)字量進行融合、解碼，得到正確的角度值?？刂铺幚韱卧暮诵男酒x用CPLD的Max II系列的EPM1270GT144I5， Max II系列器件是Altera低成本Max 系列的第二代產(chǎn)品，其內(nèi)部的邏輯資源以及接口完全能滿足本項目的需求。

（5）顯示電路單元

顯示電路單元將角度值通過數(shù)碼管進行直觀顯示，以便于操作者檢測測角系統(tǒng)工作特性，其主要的顯示控制芯片為MAX7219。MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動器,它可連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示。

（6）通信電路單元

通信電路單元將角度值通過通信接口芯片MAX3488ESA以422格式的數(shù)據(jù)進行輸出，以將角度值作為反饋部分供控制器使用。MAX3488是一款高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)TL信號以不高于250Kbps的傳輸速率轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)422輸出接口。

3 結(jié)論

本文介紹了基于絕對零位式圓感應(yīng)同步器角度測量系統(tǒng)的實現(xiàn)方案及硬件電路設(shè)計，系統(tǒng)采用絕對零位式圓感應(yīng)同步器作為角度傳感器，以AD2S80作為角度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，CPLD作為數(shù)字信號處理器進行粗、精通道角度信息的粗精結(jié)合和譯碼，完成絕對角度的輸出，角度值除可通過數(shù)碼管進行顯示外還可通過RS422串口進行數(shù)據(jù)輸出。相對于傳統(tǒng)的采用旋轉(zhuǎn)變壓器與增量式圓感應(yīng)同步器進行組合實現(xiàn)絕對式測角系統(tǒng)的方案，基于絕對零位式圓感應(yīng)同步器的角度測量系統(tǒng)具有安裝簡易、體積小、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢。

參考文獻

[1]陸永平.感應(yīng)同步器及其系統(tǒng).北京：國防工業(yè)出版社,1982

[2]李鐵峰，李文華，馬彩文等.一種高精度圓感應(yīng)同步器數(shù)顯表的設(shè)計.儀表技術(shù)與傳感器，2003(6)：42—44