用于旋轉(zhuǎn)變壓器的新型正弦波振蕩源技術(shù)研究

吳世輝，尹達一

(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083)

0引 言

在伺服系統(tǒng)中，對電動機轉(zhuǎn)子位置的實時精確檢測是實現(xiàn)控制的關(guān)鍵。在目前常用的位置傳感器中，旋轉(zhuǎn)變壓器由于其高穩(wěn)定度、抗沖擊振動、耐高溫潮濕等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。而在旋轉(zhuǎn)變壓器使用中，要保證其測量精度，激磁正弦波的性能至關(guān)重要，對正弦波的精度、穩(wěn)定度、負(fù)載能力、頻率范圍等都有一定要求，因此，針對不同旋轉(zhuǎn)變壓器設(shè)計出合適的正弦波激勵信號源具有十分重要的應(yīng)用意義。

目前，產(chǎn)生正弦信號的方法有很多:一是采用晶振或者振蕩電路加濾波等模擬方法實現(xiàn)，但該方法使用分立元件較多，電路設(shè)計較為復(fù)雜;二是基于直接數(shù)字合成(DDS)或者D/A的數(shù)字方法，雖然DDS轉(zhuǎn)換速度快、產(chǎn)生信號穩(wěn)定、頻率分辨率高，但其相位連續(xù)性仍不及模擬方法，且價格昂貴［2］，而D/A的相位連續(xù)性差，精度低;三是采用國外專用的振蕩器芯片，該方法產(chǎn)生的信號精度高，設(shè)計簡單。目前在大負(fù)載旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用場合中，可以使用國外專用芯片 DDC公司的 OSC15801或者 AD公司的OSC1758(已停產(chǎn))提供激磁信號，但其價格十分昂貴，進貨周期長，不利于地面測試及應(yīng)用。

為了解決上述弊端，本文提出采用易于購買、價格低廉的可編程振蕩器AD2S99，結(jié)合高精度運放LMH6702及電流驅(qū)動器HA5002，設(shè)計出了一種新型的可為大負(fù)載旋轉(zhuǎn)變壓器提供高精度激磁信號的正弦波振蕩源。該振蕩源可輸出高精度、大電流的正弦波信號，輸出信號的頻率和幅度調(diào)節(jié)方便，帶負(fù)載能力強。實際測試結(jié)果表明，在伺服系統(tǒng)中，采用該振蕩源激勵編碼系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)變壓器，可得到與OSC15801芯片同樣的編碼精度。因此其完全可代替OSC15801芯片應(yīng)用于大型伺服系統(tǒng)中，不僅大大降低系統(tǒng)成本，同時避免了因OSC15801等國外專用芯片進貨周期長帶來的不便。

1硬件電路設(shè)計

硬件電路采用振蕩器芯片AD2S99作為正弦波的發(fā)生源，高精度寬帶運放LMH6702用來調(diào)節(jié)信號幅度，輸出級采用電流緩沖芯片HA5002驅(qū)動負(fù)載。詳細(xì)介紹如下:

1．1 AD2S99

AD2S99是AD公司生產(chǎn)的高性能可編程正弦波振蕩器，主要用于為旋轉(zhuǎn)變壓器和各種交流變換器提供高品質(zhì)的正弦波激勵。AD2S99標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率有 2 kHz、5 kHz、10 kHz、20 kHz四種，可以通過引腳SEL1和SEL2的邏輯電平設(shè)置調(diào)節(jié)，另外，還可以結(jié)合引腳FBIAS與VDD之間連接電阻的大小調(diào)節(jié)得到相應(yīng)的中間頻率。AD2S99輸出正弦波均方根值為2 V，負(fù)載電流均方根最大為8 mA，頻率穩(wěn)定度和幅度穩(wěn)定度分別可達±5%和±3%，總諧波失真-25 dB。本文采用AD2S99作為產(chǎn)生正弦波的振蕩源，其外圍電路設(shè)計如圖1所示。通過跳線JP1～JP5以及調(diào)節(jié)電阻R3的阻值，可使AD2S99輸出2～20 kHz之間任一頻率的正弦波信號。為了滿足后級運放LMH6702的輸入電壓范圍，在AD2S99的輸出端先經(jīng)過電阻R1、R2分壓，再接入LMH6702的輸入端。另外，由于AD2S99輸出電流小(均方根8 mA)，無法滿足大負(fù)載驅(qū)動要求，所以電路輸出級還需加一個功率驅(qū)動器以增大驅(qū)動能力。

圖1 AD2S99外圍電路設(shè)計

1．2 LMH6702

由于AD2S99輸出正弦波的幅值固定，為了得到可調(diào)節(jié)幅度的正弦波以適應(yīng)不同系統(tǒng)，在AD2S99的輸出端連接一級運放LMH6702，通過改變運放增益調(diào)節(jié)正弦波幅度。LMH6702是一款超低失真、寬帶運算放大器，主要用于高速A/D的驅(qū)動或D/A的緩沖器，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 LMH6702性能參數(shù)

由表1可以看出，LMH6702的噪聲低，諧波抑制能力強。采用LMH6702調(diào)節(jié)正弦波幅度不會引入過多的噪聲和諧波失真。LMH6702外圍電路設(shè)計如圖2所示，調(diào)節(jié)電阻R5的大小即可改變輸出正弦波的幅值，R5取值范圍318 Ω～200 kΩ。

圖2 LMH6702和HA-5002外圍電路設(shè)計

1．3 HA-5002

HA-5002是美國Intersil公司生產(chǎn)的高壓擺率、大輸出電流驅(qū)動芯片，主要用于寬帶的大功率電流驅(qū)動。該芯片壓擺率1 300 V/μs，最大輸出電流±200 mA，3 dB帶寬110 MHz，諧波失真小于 -86 dB(VIN=1 V均方根，f=10 kHz)。采用HA-5002作為電路輸出級的電流驅(qū)動器，外圍電路設(shè)計簡單，只需做好電源的濾波退耦，就能達到功率驅(qū)動的目的，且不會影響正弦波的性能。HA-5002外圍電路設(shè)計如圖2所示。

2 Pspice仿真及分析

為了驗證電路設(shè)計的可行性，采用PSPICE對LMH6702和HA-5002兩級系統(tǒng)進行了仿真，包括輸出信號幅度、頻率特性、驅(qū)動負(fù)載能力等，仿真的原理圖與圖2一致，其中LMH6702的正輸入端接幅度2 V、頻率2～20 kHz可調(diào)的正弦波模擬源，具體分析如下:

2．1信號幅度及頻率特性仿真

采用瞬態(tài)仿真驗證電路輸出正弦波的最大頻率和最大幅度，仿真得出電路能輸出最大頻率20 kHz、幅度3．5 V的無失真正弦波，波形如圖3所示，圖4為其對應(yīng)的頻譜圖。

圖3 頻率20 kHz，幅度

圖4 頻譜圖

3．5 V時域波形(負(fù)載1 kΩ)

從圖中可以看出，當(dāng)輸出正弦波頻率20 kHz，幅度3．5 V時，波形無明顯失真，對波形進行傅里葉分析可得信號總諧波失真為-58．85 dB。AD2S99輸出波形諧波失真為-25 dB，因此采用LMH6702和HA-5002作為后級系統(tǒng)不會使信號諧波失真惡化。

采用交流仿真得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)如圖5(a)所示(LMH6702增益為1，系統(tǒng)負(fù)載1 kΩ)，系統(tǒng)3 dB帶寬為110 MHz。圖5(b)為0～50 kHz區(qū)間的放大圖，從圖中可以看出，在20 kHz以內(nèi)，隨著頻率增大，電壓增益非常平坦，沒有下降，因此系統(tǒng)能保證2～20 kHz之間的正弦波都能無失真通過。

圖5 系統(tǒng)頻率響應(yīng)

2．2驅(qū)動負(fù)載能力仿真

瞬態(tài)仿真與參數(shù)分析結(jié)合可得到系統(tǒng)輸出信號幅度隨負(fù)載變化情況，如圖7所示。其中圖6(a)為輸出波形頻率2 kHz，幅度2 V的帶負(fù)載情況，圖6(b)為頻率20 kHz，幅度3．5 V的帶負(fù)載情況。從圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載阻值不小于30 Ω時，輸出波形幅度下降小于0．1，當(dāng)負(fù)載阻值為20 Ω時，輸出波形幅度下降明顯，系統(tǒng)已無法帶載。

圖6 波形幅度隨負(fù)載變化情況

3實際測試結(jié)果

為了便于工程安裝使用，電路板設(shè)計小巧，尺寸僅為46．9 mm×24．2 mm，電路板實物圖如圖7所示。電路板接口引腳設(shè)置與OSC15801相同，因此可直接用其替代已有系統(tǒng)中的OSC15801芯片而不需要重新設(shè)計硬件電路。

圖7 電路板實物圖

下面詳細(xì)介紹測試結(jié)果。

(1)單板測試結(jié)果

電路板實際輸出波形如圖8所示，其中圖8(a)為頻率2 kHz、幅度 2．9 V、負(fù)載1 kΩ 時的時域波形，圖8(b)為其對應(yīng)的頻譜圖，從圖中可以看出，波形無明顯失真，且頻譜特性較好。

圖8 頻率2 kHz、幅度2．9 V波形

電路板各項參數(shù)的測試結(jié)果如表2所示，由表2可知，電路板能輸出最大電流為110 mA的正弦波，滿足大負(fù)載驅(qū)動的要求，且電路板的帶載能力與仿真結(jié)果一致。

表2 電路板各項參數(shù)測試結(jié)果

(2)與OSC15801芯片對比結(jié)果

為了進一步驗證AD2S99振蕩源激勵旋轉(zhuǎn)變壓器的性能，將此振蕩源頻率和幅值調(diào)到系統(tǒng)所需要的值(頻率2 kHz，均方根值2．05 V)，然后應(yīng)用于已有的旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)中(32對極，精度20角秒)，與OSC15801芯片進行對比。圖9和圖10分別為振蕩源和OSC15801芯片在系統(tǒng)中測得的波形。測試結(jié)果表明:控制電機轉(zhuǎn)動相同角度，分別用振蕩源和OSC15801芯片激勵旋轉(zhuǎn)變壓器，兩者得到的編碼值相同。試驗結(jié)果說明，此振蕩源滿足激勵大負(fù)載旋轉(zhuǎn)變壓器的要求，可用于替代OSC15801等國外專用芯片。

圖9 AD2S99振蕩源在系統(tǒng)中的實測波形

圖10 OSC15801在系統(tǒng)中的實測波形

4結(jié) 語

在大負(fù)載旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用場合中，目前主要使用國外專用芯片(如OSC15801)提供激磁信號，但這些專用芯片往往價格昂貴、進貨周期長，不利于工程應(yīng)用。本文基于價格低廉、易于購買的可編程振蕩器AD2S99，設(shè)計了一種新型的可為大負(fù)載旋轉(zhuǎn)變壓器提供高精度激磁信號的正弦波振蕩源，該振蕩源輸出信號的頻率和幅度調(diào)節(jié)方便，帶負(fù)載能力強。文中對振蕩源電路各模塊進行了詳細(xì)的闡述，并對電路進行了PSPICE仿真和實際測試。測試結(jié)果表明，該振蕩源可輸出最大電流110 mA的正弦波信號，且在實際編碼系統(tǒng)中，用該振蕩源激勵旋轉(zhuǎn)變壓器能得到與OSC15801芯片同樣的編碼精度。因此，此設(shè)計完全可代替OSC15801等國外專用芯片應(yīng)用于大型伺服控制系統(tǒng)中，不僅能夠大大降低系統(tǒng)成本，同時也避免了因?qū)Ｓ眯酒M貨周期長帶來的不便，具有非常強的實用性。

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