旋變信號的研究與仿真

董國榮 馮揚帆 王 源

旋變信號的研究與仿真

董國榮 馮揚帆 王 源

在某型飛機地面測試仿真系統(tǒng)中，需要模擬旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號以達到測量電機旋轉(zhuǎn)角度的目的。本文就如何實現(xiàn)旋變信號的模擬仿真做出了研究與設(shè)計，通過一片MAX038精密高頻波形發(fā)生器來產(chǎn)生并調(diào)理為所需信號，再通過乘法器完成多個信號的乘積，在此過程中需同步外部信號，調(diào)整輸入信號頻率及幅值。模擬產(chǎn)生的旋變信號可根據(jù)需要靈活調(diào)整輸入信號，經(jīng)實驗結(jié)果表明，仿真信號特性滿足設(shè)計要求。

旋轉(zhuǎn)變壓器（resolver/transformer）本質(zhì)是一種電磁傳感器，也叫作同步分解器。由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，一般用作電機的角位移和角速度的測量。旋變器可部署在工業(yè)電機控制、伺服器、機器人、混合動力和全電動汽車中的動力系統(tǒng)單元以及要求提供精確軸旋轉(zhuǎn)的其他許多應(yīng)用中。

在某型飛機地面測試仿真系統(tǒng)中，需要產(chǎn)生一個旋變信號以模擬真實環(huán)境中的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦反饋輸出和余弦反饋輸出。在仿真旋變信號時，需要考慮到信號的幅值、頻率、相位關(guān)系等因素。

旋變信號的原理

當(dāng)正弦信號激勵初級繞組時，在次級繞組上會產(chǎn)生一個感應(yīng)信號。耦合至次級繞組的信號大小與相對于定子的轉(zhuǎn)子位置成函數(shù)關(guān)系，其衰減系數(shù)稱為旋變器轉(zhuǎn)換比。由于次級繞組機械錯位90°，兩路正弦輸出信號彼此間的相位相差90°。旋變器輸入和輸出電壓之間的關(guān)系如等式（1）和（2）所示。

Vsin = T×E0sin（ωt）×sin（θ） （1）

Vcos = T×E0sin（ωt）×cos（θ） （2）

其中，T是旋變轉(zhuǎn)換比，E0是激勵信號幅度，ω是激勵信號頻率，θ是軸角，由用戶作為輸入編輯。兩路輸出信號由軸角的正弦和余弦信號調(diào)制。旋變器有些重要的參數(shù)，在設(shè)計時應(yīng)予以考慮。關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

旋變信號的仿真

電路設(shè)計原理

根據(jù)旋變器的信號特性，我們使用一片MAX038芯片來構(gòu)成信號發(fā)生器的核心部件。通過一片MAX038芯片再加上少許的外圍電路部件就可以產(chǎn)生精密的高頻波形，該芯片能夠產(chǎn)生正弦波、方波和三角波三種類型的波形。并且輸出頻率和占空比均可以通過外圍電路，主要是用電容及電阻的選取搭配來進行調(diào)節(jié)。它的主要性能如下所示:

（1）工作頻率在0.1 ～20 MHz；

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)15%～85%可調(diào)占空比；

（3）能夠輸出正弦波，方波及三角波；

（4）供電電源為±5V；

（5）信號輸出幅度為2V（峰-峰值）；

（6）輸出緩沖器阻抗為0.1Ω。

為完成信號的仿真，共需模擬1組正弦信號，1組余弦信號。MAX038只能輸出一路正弦波信號，我們?nèi)绾蔚玫秸嘞也罘中盘?。通過芯片資料可以知道，SYNC可以用來同步其它振蕩器，相位檢波器的輸入端PDI可以接到一個外部振蕩器，相位檢波器的輸出端PDO可以接到頻率調(diào)整輸入端FADJ。通過將2片芯片串聯(lián)，在兩片芯片外圍電路相同時，兩路輸出同頻，如果在SYNC端加一個非門后再送到另一個芯片的PDI，則兩路輸出的相位差90°，即實現(xiàn)了一組正余弦信號輸出。根據(jù)芯片特點，給出正余弦波輸出的工作電路，如圖1所示。

上圖中OUT1輸出為正弦波，OUT2輸出為和OUT1相位相差90°的一個余弦波。在得到這兩個信號后，我們使用一個乘法器與輸入激勵信號相乘，然后在通過一個運放對信號幅值放大（MAX038輸出峰-峰值為2V），便可以得到 公式（1）與（2）的Vsin與Vcos。電路原理圖如圖2所示。

信號同步

為了保持與外部激勵信號相同的相位，我們使用MAX038的另一個功能—鎖相環(huán)功能。鎖相環(huán)的應(yīng)用是通過芯片內(nèi)部的相位檢測器來實現(xiàn)，可以使芯片的輸出波形和外部的輸入信號保持同步。通過檢測芯片的PDI引腳的輸入信號與內(nèi)部振蕩器信號之間的相位差，由芯片的PDO管腳來輸出一個電流范圍在0到500uA之間的矩形波。當(dāng)這個矩形波的占空比為50%時，說明外部信號與芯片的相位差為90°，當(dāng)相位差分別為0°和180°時，占空比分別為0%和100%。電路實現(xiàn)原理如圖3所示。

表1 旋變器關(guān)鍵參數(shù)

圖1 正余弦波發(fā)生電路原理圖

圖2 旋變信號輸出電路原理圖

圖3 鎖相環(huán)電路

實驗仿真結(jié)果

我們所需的最終信號都為差分信號，文中的設(shè)計都是針對單端信號，將單端信號反相后就可以得到另一組差分信號，兩組正余弦差分信號分與激勵差分信號相乘，得到仿真所需的旋變差分正余弦信號。激勵信號源如圖4所示。

MAX038產(chǎn)生的正余弦波與激勵信號源乘積后得到模擬旋變信號波形如圖5所示。

圖4 激勵信號源

圖5 模擬旋變信號波形圖

結(jié)論

本文研究了旋變信號的產(chǎn)生原理，通過MAX038芯片來產(chǎn)生正余弦信號，再對信號進行放大、反相、乘積后即得到模擬的旋變信號。研究結(jié)果表明，仿真出的波形信號符合模擬旋變信號的特征，達到了設(shè)計要求，具備了設(shè)計功能。

董國榮 馮揚帆 王 源

中國飛行試驗研究院

董國榮，男，碩士研究生，中國飛行試驗研究院，主要研究方向為電氣系統(tǒng)集成，測試。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001