- 基于RD-19230的自整角機(jī)接口電路設(shè)計(jì)
- 利用電磁感應(yīng)原理轉(zhuǎn)化電信號(hào)
- 設(shè)計(jì)有效的外圍接口電路
- 電路通過(guò)對(duì)稱的電阻結(jié)構(gòu)
自整角機(jī)是一種感應(yīng)式的微電機(jī)，它利用電磁感應(yīng)原理將機(jī)械轉(zhuǎn)角或直線位移精確地轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。它是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的同步元件，利用兩臺(tái)或多臺(tái)自整角機(jī)在電路上的聯(lián)系，可以使相隔一定距離、機(jī)械上互不連接的兩根或多根轉(zhuǎn)軸保持同步旋轉(zhuǎn)或產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)角變化。
自整角機(jī)按其使用要求不同，可分為控制式自整角機(jī)和力矩式自整角機(jī)，按結(jié)構(gòu)形式不同可分為接觸式和無(wú)接觸式兩大類。由于自整角機(jī)良好的抗震動(dòng)、沖擊和可在油污等惡劣環(huán)境下工作的特點(diǎn)，在現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域的各部門(mén)中，它被廣泛應(yīng)用于隨動(dòng)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制等方面。現(xiàn)代流行的自整角機(jī)數(shù)字化技術(shù)主要有單RC相移法，雙RC相移法，實(shí)時(shí)三角函數(shù)發(fā)生器方案，利用AD和uP的解決方案，跟蹤型解決方案等。由于跟蹤型解決方案具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，抗干擾能力好的特點(diǎn)，現(xiàn)在大部分轉(zhuǎn)化方案都采用此方案。
本文基于應(yīng)用者的角度介紹了自整角機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，通過(guò)分析跟蹤型轉(zhuǎn)換RD-19230的功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單有效的外圍接口電路。
1 自整角機(jī)原理
自整角機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中傳遞轉(zhuǎn)角位置信息的微電機(jī)，在自整角機(jī)和伺服機(jī)構(gòu)組成的隨動(dòng)系統(tǒng)中，與發(fā)送軸或主動(dòng)軸耦合的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)，與接受軸或被動(dòng)軸耦合的的自整角機(jī)稱為接收機(jī)。
控制式自整角接收機(jī)輸出的是與兩軸轉(zhuǎn)角差成一定關(guān)系的電壓，該電壓控制交流伺服電動(dòng)機(jī)去帶動(dòng)被動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，故能帶動(dòng)較大負(fù)載。由于接收機(jī)工作在變壓器狀態(tài)，故通常稱為自整角變壓器。力矩式接收機(jī)直接輸出力矩并帶動(dòng)負(fù)載，但帶載能力差，只能帶動(dòng)指針、刻度盤(pán)等輕負(fù)載，常用于角度傳輸精度要求不很高的指示系統(tǒng)中。圖1為自整角機(jī)原理圖。
如圖1所示，自整角機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子和轉(zhuǎn)子問(wèn)有很小的空氣隙，自整角機(jī)的激磁磁場(chǎng)，是一個(gè)磁場(chǎng)軸線在空間固定于激磁繞組軸線上，磁通密度分布曲線的幅值隨時(shí)間交變的脈振磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組偏離中線位置時(shí)，轉(zhuǎn)子激磁繞組所產(chǎn)生的脈振磁通必定和定子各相繞組相匝鏈，因而在定子各相繞組中感應(yīng)出電勢(shì)。
本文就是將三路自整角機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)處理后，得到RD-19230轉(zhuǎn)換所需的兩路正交信號(hào)，從而轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字信號(hào)。
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2 RD-19230接口電路設(shè)計(jì)
2．1 RD-19230功能特性
RD-19230是一種混合信號(hào)CMOS的IC，它包含了模擬輸入數(shù)字輸出部分，精確的模擬電路系統(tǒng)與數(shù)字邏輯結(jié)合在一起形成了一種完整的高性能跟蹤型模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字變換器。它提供了各種可編程的特性，如分辨率，帶寬，速度輸出換算等。其主要工作特性和參數(shù)如下：1)+5 V單電源供電：2)高達(dá)1．3角分的轉(zhuǎn)換精度；3)可編程分辨率，帶寬和跟蹤速度；4)擁有內(nèi)部綜合基準(zhǔn)源；5)可替代轉(zhuǎn)速計(jì)的速度輸出；6)并行數(shù)據(jù)輸出，輸出可編程鎖存；7)可編程LVDT模式；8)正常工作在-40～+85℃的溫度范圍。
RD-19230芯片轉(zhuǎn)化處理的信號(hào)為兩路正交的含有角度信息的模擬信號(hào)，需要±5 V電源供電，內(nèi)部包含一個(gè)電荷泵來(lái)為外部提供-5 V電源，其內(nèi)部通過(guò)執(zhí)行以下三角恒等式，調(diào)節(jié)數(shù)字輸出角度與模擬輸入角度的差值，跟蹤模擬輸入角度直至差值為零，則此時(shí)數(shù)字輸出角度等于模擬輸入角度。
其中，θ為模擬信號(hào)輸入角度，φ為數(shù)字輸出角度。
RD-19230內(nèi)部有分辨率及跟蹤速率控制位，數(shù)據(jù)鎖存控制位，帶寬調(diào)節(jié)位，速度電壓輸出調(diào)節(jié)位，工作狀態(tài)為，機(jī)內(nèi)錯(cuò)誤測(cè)試端等多種可編程控制位及狀態(tài)信息位，極大地方便了轉(zhuǎn)化的過(guò)程控制。由于其低成本、尺寸小、精度高和多用途的性能，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)控制、機(jī)床控制、機(jī)器人和過(guò)程控制等，是現(xiàn)代高性能工業(yè)控制系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。
2．2 接口電路設(shè)計(jì)
由于RD-19230芯片內(nèi)部處理信號(hào)為兩路正交信號(hào)，通常情況下可由旋轉(zhuǎn)變壓器直接提供，其正常工作情況下對(duì)兩路輸入信號(hào)電壓要求為2Vrms±15％，而自整角機(jī)輸出信號(hào)為三線壓值不定的信號(hào)，從而設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單方便的轉(zhuǎn)換電路是有必要的。
由于自整角機(jī)中定子繞組為星型連接，彼此在空間上呈120°，并且輸出三路定子繞組電壓D1、D2、D3是相對(duì)于中心點(diǎn)而言，無(wú)法對(duì)其單獨(dú)處理。由公式(5)可知，其任意兩線間電壓為：
由以上公式可知，線線電壓之間在空間上相差120°，相對(duì)定子繞組輸出電壓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了30°，電壓放大了倍。
三路線線電壓在空間上的矢量圖如圖2所示。由圖2可知，三路線線電壓中任意兩路之差與第三路呈正交關(guān)系，若能提取出這樣的兩路正交信號(hào)，就能很好地解決芯片的輸入問(wèn)題。對(duì)此作出如下推導(dǎo)：
由上式可知，兩路正交信號(hào)可以通過(guò)對(duì)三路定子繞組信號(hào)進(jìn)行加法和減法運(yùn)算得到。從而相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)電路圖如圖3所示。
其中：
由加法和減法的運(yùn)算電路可知，式中
，通過(guò)電阻的阻值設(shè)定，可以得到所需的信號(hào)幅值。SIN和COS兩路信號(hào)就是所需的兩路正交信號(hào)。如將電路稍作修改，亦可應(yīng)用于旋變信號(hào)的處理。由于RD-19230芯片信號(hào)輸入端內(nèi)部存在運(yùn)算放大器，從而簡(jiǎn)化了電路，使電路應(yīng)用更加方便。
3 測(cè)試結(jié)果
根據(jù)轉(zhuǎn)換要求，設(shè)置RD-19230外圍參數(shù)，測(cè)試將其內(nèi)部采樣頻率設(shè)為67 kHz，選擇最大跟蹤速率，100 Hz帶寬的16位變換組件，10rps的跟蹤速率以及4 V的速度輸出電壓，具體設(shè)置參考芯片手冊(cè)。
測(cè)試信號(hào)選擇可編程旋轉(zhuǎn)變壓器／自整角機(jī)標(biāo)準(zhǔn)5300發(fā)送器發(fā)送，將勵(lì)磁信號(hào)電壓設(shè)為26Vrms，信號(hào)線線電壓為11．8Vrms，選擇自整角機(jī)檔。
根據(jù)輸入線線電壓11．8Vrms及芯片轉(zhuǎn)換電壓2Vrms，通過(guò)公式(11)、(12)配置接口電路中電阻R0、RF1、Rf2的阻值。
通過(guò)數(shù)字示波器觀察電路勵(lì)磁信號(hào)，自整角機(jī)輸出信號(hào)及接口電路變換輸出信號(hào)，結(jié)果波形如圖4～圖8所示。
根據(jù)圖中所示，在確定的角度下，自整角機(jī)三路線線信號(hào)在電壓上呈120°正弦關(guān)系，接口電路轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)為兩路電壓正交信號(hào)，根據(jù)角度不同，兩路信號(hào)電壓峰值不同，單路最大時(shí)電壓為2Vrms。測(cè)試結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求。
4 結(jié)論
由電阻網(wǎng)絡(luò)組成的自整角機(jī)到RD-19230轉(zhuǎn)換芯片的接口電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)與芯片內(nèi)部的運(yùn)算放大器結(jié)合而成，使電路的穩(wěn)定性好，而通過(guò)兩路的正交信號(hào)跟蹤處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，解決了單路噪聲引起的過(guò)大誤差，提高了轉(zhuǎn)換的精度，電路通過(guò)對(duì)稱的電阻結(jié)構(gòu)，能有效地將不同幅值的信號(hào)處理到芯片要求范圍。通過(guò)測(cè)試，接口電路處理方法簡(jiǎn)單，可靠性好，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，能夠完全滿足高速自整角機(jī)控制系統(tǒng)的要求。
