一种自整角机/旋转变压器的数字转换器转换方案

摘要

本发明公开了一种自整角机/旋转变压器的数字转换器转换方案，自整角机/旋转变压器的数字转换器输出的电压信号经隔离放大器隔离放大以后，由A/D转换器同时采样，A/D转换器完成模数转换后，微控制器读取A/D转换器输出的三路数字信号，并通过乘除、查表、求和等运算，输出数字角；本发明利用软件实现各种功能，电路简单、精度高、功耗低、可靠性高、成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对自整角机/旋转变压器轴角信号数字化处理，把自整角机/旋转变压器信号转换成计算机所需要的数字信号的方案。

背景技术

自整角机在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器，还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示，广泛用于航海、航空、航天系统的跟踪控制，也可用于数控机床和机器人等设备中。

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合，被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、电子、冶金、矿山、油田、水利、化工、轻工、建筑等领域的角度、位置检测系统中。也可用于坐标变换、三角运算和角度数据传输、作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。

自整角机/旋转变压器作为轴角测量元件，具有测量精度高、结构简单，同其它角度测量方案相比，自整角机/旋转变压器具有明显的优势；在控制领域中，为了适应计算机的信息处理和控制，需要将自整角机/旋转变压器输出的交流电压信号变成数字量。

美国的自整角机/旋转变压器-数字转换器SDC/RDC1740，采用BiMOS技术，使用了微型变压器、高速数字SIN/COS乘法器、误差放大器、相敏解调器、积分器、压控振荡器、可逆计数器，使得成本非常高，且算法较复杂。

在中国的自整角机/旋转变压器-数字转换器技术中：

有的采用基于高压BiMOS工艺的高压集成电路，如申请号为201010126443.7名称为“单芯片的自整角机/旋转变压器-数字转换方案”的中国专利中，由可修调固态控制变压器电路、交流误差放大电路、高通滤波电路、相敏解调电路、二阶积分电路、压控振荡电路、计数电路和电平转换电路组成，存在下述问题：电路结构过于复杂；使用多级放大器串联，每级放大器都存在零点漂移和温度漂移，串联后，漂移被逐渐放大；使用二阶RC高通滤波器，电容会造成相位偏移，自整角机/旋转变压器都同时输出多路信号，对各路信号同时处理时，各路电容参数很难达到一致，且没有对电容进行修调，电容误差较大，增大了角度的测量误差；该电路中没有隔离放大器，在长距离传输中，电路受到干扰，可能产生瞬间高压，容易损坏电路。

有的采用基于CMOS工艺的低压集成电路，如申请号为200810013440.3，名称为“高精度CMOS集成电路自整角机/旋转变压器-数字转换技术”的中国专利中，其电压只有±5V，输入信号的幅度较小，转换精度低，由于包含多个部分，电连结构较复杂，稳定性差，输出数据功能单一，固态控制变压器电路采用开关电容技术，具有开关噪声。

有的采用分体式结构，往往存在体积大、集成度低、可靠性差等缺陷，不能在实时跟踪系统等高精度要求的场合中应用，不利于角度测量及控制领域中的推广使用。

因此，需要迫切的解决上述问题，提供一种成本低、电路简单、精度较高、可靠性高的自整角机/旋转变压器数字转换方案。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对现有技术的不足，提供一种成本低、电路简单、精度高、可靠性高、算法简单的自整角机/旋转变压器的数字转换方案。

本发明解决上述问题采用的方案是：

自整角机/旋转变压器信号经过隔离放大器进行隔离放大。

对于自整角机信号

V_S1＝E₀sinωtsinθ

V_S2＝E₀sinωtsin(θ+120⁰)

V_S3＝E₀sinωtsin(θ+240⁰)

对于旋转变压器信号

V_S1-S3＝E₀sinωtsinθ

V_S2-S4＝E₀sinωtcosθ

参考电压信号均为

V_R＝Esinωt

其中：ω是激励信号的角频率，θ为自整角机/旋转变压器的轴角，E₀和E分别是信号电压和参考电压的最大值。

对于自整角机，若把S₃作为公共端，只需要S₁、S₂两端输出的电压信号：

$>V_{S1-S3}=E_0\sin \mathrm{\omega t}[\sin \theta -\sin (\theta +{240}^0)]=\sqrt{3}{E}_0\sin \omega t\sin (\theta +{30}^0)$>

$>V_{S2-S3}=E_0\sin \mathrm{\omega t}[\sin (\theta +{120}^0)-\sin (\theta +{240}^0)]=\sqrt{3}{E}_0\sin \omega t\cos \theta$>

V_S1-S3、V_S2-S3、V_R经过隔离放大器以后的电压为：

$>V_1=\sqrt{3}{K}_0{E}_0\sin \omega t\sin (\theta +{30}^0)$>

$>V_2=\sqrt{3}{K}_0{E}_0\sin \omega t\cos \theta$>

V₃＝KEsinωt

K₀、K为隔离放大器的放大倍数。

对于旋转变压器信号，V_S1-S3、V_S2-S4及V_R经过隔离放大器以后的电压为：

V₁＝K₀E₀sinωtsinθ

V₂＝K₀E₀sinωtcosθ

V₃＝KEsinωt

V₁、V₂及V₃送到A/D转换器，经过A/D转换器变换的数据送到微处理器，存放在微处理器内部的RAM存储区，由微处理器作进一步处理。

对于自整角机，微处理器进行运算V′₁＝2V₁-V₂＝3K₀E₀sinωtsinθ，由V′₁、V₂、V₃得到θ的正、余弦式并将系数化为1：

$>\frac{{\mathrm{KEV}}_1^{\text{'}}}{{3K}_0{E}_0{V}_3}=\sin \theta ,$>$>\frac{{\mathrm{KEV}}_2}{\sqrt{3}{K}_0{E}_0{V}_3}=\cos \theta$>

对于旋转变压器，由V₁、V₂、V₃得到θ的正、余弦式并将系数化为1，微处理器进行运算：

$>\frac{{\mathrm{KEV}}_1}{K_0{E}_0{V}_3}=\sin \theta ,$>$>\frac{{\mathrm{KEV}}_2}{K_0{E}_0{V}_3}=\cos \theta$>

查找正、余弦反三角函数表格，得出数字角φ，φ与θ很接近。

查表所得数字角误差为θ-φ，为了进一步减小误差，将θ的正、余弦式分别与φ的余、正弦式相乘相减得

sinθcosφ-sinφcosθ＝sin(θ-φ)

由于θ-φ值很小，sin(θ-φ)近似等于θ-φ，进而可求得角θ≈φ+sin(θ-φ)。

第一次查表以后，在以后计算角度时，假设上次所得角为θ₁，本次实际轴角为θ₂，把θ₁作为本次的φ，则所求角为θ₂≈φ+sin(θ₂-φ)。

制作正、余弦反三角函数的表格，编程时导入微处理器内。

可以用一个有三个输入端的隔离放大器，也可以用三个相同或不同型号的隔离放大器。

本发明的有益效果是：硬件设备少，传统电路中的许多硬件都被微处理器代替，利用软件实现各种功能，电路简单、可靠性高、更容易实现智能化、成本低、功耗低、转换精度高；没有使用电容，减少了误差；电路中使用隔离放大器，避免了外界高压对电路的破坏。

通过结合下述附图及对本发明实施例的说明，对其有进一步的了解。

附图说明

图1为本发明实施例的原理框图。

图2为本发明软件流程图。

图中：1.隔离放大器，2.A/D转换器，3.微处理器，4.模拟信号5.数字信号。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种自整角机/旋转变压器的数字转换器转换方案，自整角机/旋转变压器电压信号及参考电压信号经过隔离放大器进行隔离放大，输出的三个模拟信号由A/D转换器变换成数字信号，所得数字信号送到微处理器进行处理，得到轴角θ的正、余弦值，微控制器第一次处理A/D转换器变换的信号时，通过查表初步得出数字角φ，φ与θ很接近，再经过反查表得出sinφ，cosφ，并与sinθ，cosθ交叉相乘相减：

sinθcosφ-sinφcosθ＝sin(θ-φ)≈θ-φ

可得到精度较高的轴角：θ≈φ+sin(θ-φ)

第一次查表得到一个角度值以后，微控制器在以后对数据的处理中，把上次所得角度作为本次的φ，提高了计算速度。

隔离放大器采用型号iso124，A/D采用型号为AD7606-4，单片机采用STC12C5A60S2。

在自整角机/旋转变压器的数字转换器的信号电压输入端和参考电压输入端外加比例电阻，使其适用于自整角机/旋转变压器。对于自整角机信号，外加比例电阻的计算方案是：信号电压每增加1V，分别在信号电压输入端串连1.11kΩ电阻，参考电压每增加1V，在参考电压输入端串联2.2kΩ电阻。对于旋转变压器信号，外加比例电阻的计算方案是：信号电压每增加1V，分别在信号电压输入端串连2.22kΩ电阻，参考电压每增加1V，在参考电压输入端串联2.2kΩ电阻。

设自整角机/旋转变压器的线-线电压最大有效值为11.8V，参考电压最大有效值为26V，400HZ。

对于自整角机，把S₃端作为公共端，转换器输入电压和参考电压分别为：

$>V_{S1-S3}=11.8\sqrt{2}\sin \mathrm{\omega t}[\sin \theta -\sin (\theta +{240}^0)]=11.8\sqrt{6}\sin \omega t\sin (\theta +{30}^0)$>

$>V_{S1-S3}=11.8\sqrt{2}\sin \mathrm{\omega t}[\sin (\theta +{120}^0)-\sin (\theta +{240}^0)]=11.8\sqrt{6}\sin \omega t\cos \theta$>

$>V_R=26\sqrt{2}\sin \mathrm{\omega t}$>

设经过隔离放大器以后得：

$>V_1=11.8\sqrt{6}{K}_0\sin \omega t\sin (\theta +{30}^0)$>

$>V_2=11.8\sqrt{6}{K}_0\sin \omega t\cos \theta$>

$>V_3=26\sqrt{2}K\sin \mathrm{\omega t}$>

对于旋转变压器，转换器输入电压和参考电压经过隔离放大器以后得：

$>V_1=11.8\sqrt{2}{K}_0\sin \omega t\sin \theta$>

$>V_2=11.8\sqrt{2}{K}_0\sin \omega t\cos \theta$>

$>V_3=26\sqrt{2}K\sin \mathrm{\omega t}$>

V₁、V₂、V₃由A/D转换器变换成数字信号后送到单片机，单片机对数字信号进行处理。

对于自整角机

令$>V_1^{\text{'}}=2V_1-V_2=35.4\sqrt{2}{K}_0\sin \omega t\sin \theta$>

$>\frac{26K{V}_1^{\text{'}}}{35.4K_0{V}_3}\sin \theta$>

$>\frac{26K{V}_2}{11.8\sqrt{3}{K}_0{V}_3}=\cos \theta$>

对于旋转变压器

$>\frac{26K{V}_1}{11.8K_0{V}_3}=\sin \theta$>

$>\frac{26K{V}_2}{11.8K_0{V}_3}=\cos \theta$>

查表得出有一定误差的数字角φ，φ与θ很接近，反查表得出sinφ，cosφ，求出

sinθcosφ-sinφcosθ＝sin(θ-φ)≈θ-φ

θ≈sin(θ-φ)+φ

第一次查表后，在后面的计算中，把上次所得角度作为φ，θ≈sin(θ-φ)+φ。

本发明可由本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的前提下作出若干修改，但所作的修改仍是在本申请的权利要求的保护范围之内。