高精度位置傳感器的設(shè)計(jì)

張建斌

(國營七八五廠第一研究所，山西 太原 030024)

高精度位置傳感器用于運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的傳感和測量用。目前隨動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常使用的高精度位置傳感器有兩種:粗精組合的旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器［1］。光電編碼器數(shù)據(jù)處理電路簡單，檢測精度高，輸出信號(hào)平滑，但它的抗干擾性差，不宜應(yīng)用在條件惡劣的場合中;相比較而言，粗精組合的旋轉(zhuǎn)變壓器，結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，抗干擾性強(qiáng)，能夠應(yīng)用在各種條件惡劣的場合中，而且它的精度已經(jīng)足夠應(yīng)用的要求，但是粗精組合的旋轉(zhuǎn)變壓器需要齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)變比，齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的誤差也影響了它的精度。我們研制的磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器則不需要齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而減少了隨動(dòng)系統(tǒng)的測量誤差。

1 磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的性能

1)輸出分辯率為14 位。

2)具有零位標(biāo)定功能。

3)±15 V 電源供電。

4)為RS422 輸出，比特率為57600bps，應(yīng)答模式。

5)溫度范圍寬，可靠性高。

6)具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，適用于各種惡劣環(huán)境。

2 磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的特點(diǎn)

磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器是一種新型結(jié)構(gòu)高精度位置傳感器。它具有以下特點(diǎn):

1)無接觸結(jié)構(gòu)，可靠性高:由于無電刷、接觸結(jié)構(gòu)，可以在惡劣的環(huán)境條件下工作，如機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)，高轉(zhuǎn)速，高加速度和廣泛的溫度范圍(－55 ℃～120 ℃)。

2)高精度:因?yàn)椴捎昧硕嗉?jí)串聯(lián)分布繞組，有均勻磁場的作用及電路串聯(lián)補(bǔ)償?shù)墓δ埽瑢?duì)溫度和機(jī)械應(yīng)力不甚敏感。而且極對(duì)數(shù)越高，精度也就越高。而普通的多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器需要齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變比，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差也影響了多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的精度。

3)小型化:磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的一個(gè)轉(zhuǎn)子齒代表一對(duì)極，而普通的多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的一個(gè)轉(zhuǎn)子齒代表一個(gè)極，而且在每一槽內(nèi)還要安置繞組，因此，同樣的機(jī)座，磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器能實(shí)現(xiàn)極對(duì)數(shù)大大超過了多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器，反之，若極對(duì)數(shù)相同，磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的體積可以比多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器小得多。

4)結(jié)構(gòu)簡單，成本低:由于轉(zhuǎn)子僅為帶齒的鐵心，無繞組，便于加工，又沒有電刷，所以零部件少。而且磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器為實(shí)現(xiàn)多級(jí)而需要的線圈比普通的多級(jí)旋變要少。因此，磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的加工費(fèi)用和材料成本低于一般的多級(jí)旋變，體積和重量也小得多。

3 磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的組成和工作原理

磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器由磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器、匯流環(huán)、電源轉(zhuǎn)換電路、軸角－數(shù)字轉(zhuǎn)換電路［3］、接口電路等五部分組成。其系統(tǒng)組成原理框圖如圖1。

圖1 磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的組成原理框圖

1)磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器用作角度測量傳感器，能夠?qū)⒔嵌任恢棉D(zhuǎn)變?yōu)檎嘞译妷盒盘?hào)。

圖2 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的原理圖

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理是它的激磁繞組和輸出信號(hào)繞組均固定在定子上，僅通過轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)產(chǎn)生具有正弦軌跡的氣隙磁導(dǎo)，從而在信號(hào)繞組上感應(yīng)出正、余弦信號(hào)［2］。

2)匯流環(huán)

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)傳輸。

3)電源轉(zhuǎn)換電路

電源轉(zhuǎn)換電路包括DC/DC 變換電路和DC/AC 逆變電路。

DC/DC 變換電路是將輸入的15 V DC 轉(zhuǎn)換為軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路所需的5 V、3.3 V 電壓。

DC/AC 逆變電路是將輸入的±15 V DC 轉(zhuǎn)換為磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器所需的5 V/1 kHz 正弦交流電壓。

4)軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬電壓的特征，自行設(shè)計(jì)所有轉(zhuǎn)換電路及軟件，其設(shè)計(jì)思路如下:

圖3 軸角檢測原理圖

磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的角度測量部分由磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器、軸角－數(shù)字轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。

磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器激磁電壓為～5 V/1 kHz 正弦波，即E=EmSinωt。

當(dāng)磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)過角度為ε 時(shí)，輸出正弦繞組電壓和余弦繞組電壓如下:

式中，K 為變比系數(shù)，εCS為粗示轉(zhuǎn)角，εJS為精示轉(zhuǎn)角。

精示與粗示速比:i。

兩組精、粗兩相電壓經(jīng)軸角－ 數(shù)字轉(zhuǎn)換電路后，送入DSP 進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，求取位置精、粗角度εCS、εJS。最后，根據(jù)減速器精示與粗示速比i 求出實(shí)際的角度ε。

5)接口電路

接口電路由TTL－RS422 轉(zhuǎn)換電路和RS422 輸出瞬態(tài)抑制電路組成。

TTL－RS422 轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)完成TTL 電平到RS422 差分電平的轉(zhuǎn)換。

RS422 輸出瞬態(tài)抑制電路負(fù)責(zé)完成RS422 總線上的瞬態(tài)干擾電平的抑制。

4 結(jié)論

磁阻式多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低，適用于各種惡劣的環(huán)境條件。

［1］姜燕平.旋轉(zhuǎn)變壓器原理及其應(yīng)用［J］.電氣時(shí)代，2005(10) ：98－100.

［2］宋雷雷，王永興.磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)繞組阻抗匹配分析［J］.微電機(jī)，2011(2) ：9－12.

［3］羅德榮，周成，黃科元，等.基于AD2S1200 的旋變接口電路設(shè)計(jì)及信號(hào)處理［J］.電力電子技術(shù)，2008，42(8) ：68－70.