旋轉(zhuǎn)變壓器在數(shù)字伺服舵機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱沛洪，張昆峰

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471009)

0 引 言

在舵機(jī)系統(tǒng)中，對舵面角位移的實時準(zhǔn)確檢測是實現(xiàn)控制的關(guān)鍵，目前舵機(jī)普遍采用帶接觸電刷的電位器作為角位移傳感器，但電位器在惡劣環(huán)境下容易出現(xiàn)輸出抖動等不良現(xiàn)象，影響到產(chǎn)品可靠性，因此，可以考慮采用旋轉(zhuǎn)變壓器替代電位器。旋轉(zhuǎn)變壓器作為角位移傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、抗沖擊振動和溫度濕度變化能力強(qiáng)的優(yōu)點，適用于惡劣的工作環(huán)境［1］。但是旋轉(zhuǎn)變壓器是一種模擬機(jī)電元件，其輸出為兩路與角位移呈某一函數(shù)關(guān)系的模擬信號，因此，為適應(yīng)數(shù)字舵機(jī)系統(tǒng)的需要，需要對輸出的模擬信號進(jìn)行解碼處理并將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的包含角位移信息的數(shù)字量，才能與控制芯片接口［2］。美國AD公司、日本多模川公司研制的旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)均可以將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號解碼并獲取數(shù)字位置信息，但是對于需要測量多個角位移的舵機(jī)系統(tǒng)而言，可能需要多個RDC，成本高，同時造成舵機(jī)的控制電路體積增大，不利于系統(tǒng)的小型化和集成化。

1 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器

當(dāng)勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，正余弦型旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈正弦、余弦關(guān)系［3］。旋轉(zhuǎn)變壓器的原理圖如圖1所示，它由定子和轉(zhuǎn)子組成。圖中D1－D2和D3－D4為旋轉(zhuǎn)變壓器的初級勵磁繞組，一般安裝于轉(zhuǎn)子上;Z1－Z2和Z3－Z4為旋轉(zhuǎn)變壓器的次級輸出繞組，一般安裝于定子上。D1－D2與D3－D4和Z1－Z2與Z3－Z4電氣角度均互差90°。為消除交軸磁通的影響，提高精度，一般將初級繞組的D3－D4短接。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器

設(shè)ω為激勵電壓的角頻率，U為激勵電壓的最大幅值，初級繞組和次級繞組的變比為K。當(dāng)初級激勵繞組D1－D2繞組外加交流激勵電壓ED1－D2=Usinωt，設(shè)激磁信號與次級繞組輸出信號的相位差為α，處于空間某一位置的轉(zhuǎn)子與定子夾角為θ，則次級兩正交輸出繞組中便感應(yīng)出感應(yīng)電勢EZ1－Z2、EZ3－Z4，EZ1－Z2=KUsin(ωt+α)sin θ，EZ3－Z4=KUsin(ωt+α)cos θ。圖2為激勵頻率為400 Hz時的EZ1－Z2、EZ3－Z4和激勵信號ED1－D2?？梢钥吹?，旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號EZ1－Z2、EZ3－Z4的頻率和激勵信號ED1－D2的頻率一樣，而EZ1－Z2、EZ3－Z4的包絡(luò)信號即為sinθ、cosθ［4］。

圖2 激勵頻率為400 Hz時旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵信號和輸出信號

旋轉(zhuǎn)變壓器解碼就是通過檢測EZ1－Z2、EZ3－Z4這兩組輸出信號的幅度獲取旋轉(zhuǎn)變壓器的位置信息的。圖3為旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路的所普遍采用的解碼方案。該方案不僅可以解算角位移，還可以解算角速度。

圖3 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文實現(xiàn)了一個基于單極正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字舵機(jī)系統(tǒng)，采用國內(nèi)某公司研制的一款用于電機(jī)控制的SOC G105作為控制核心，如圖4所示。該芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了4路旋轉(zhuǎn)變壓器激勵和4路旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路，可以同時支持4路旋轉(zhuǎn)變壓器信號的解碼，并實時精確地提供角位移信息和速度信息，同時可以省去片外RDC，簡化了舵機(jī)控制電路。

圖4 G105內(nèi)部原理框圖

圖5為采用G105完成的舵機(jī)系統(tǒng)框圖。舵面的角位移檢測采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為測量傳感器，旋轉(zhuǎn)變壓器與舵軸通過齒輪副聯(lián)接，齒輪副傳動比為3.78∶1。旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵信號由G105提供。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出包含舵面角位移信息的正弦信號sin和余弦信號cos，然后輸入到G105的片內(nèi)ADC進(jìn)行模數(shù)變換，變換后的數(shù)字量再進(jìn)入解碼模塊解碼便得到舵面角位移。

舵機(jī)通過G105的SCI接收控制指令，與舵面反饋角位移綜合后形成誤差信號。誤差信號在G105經(jīng)過控制算法處理，輸出控制電機(jī)的PWM和DIR方向信號，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，再通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動舵面到達(dá)指定的位置。

圖5 舵機(jī)系統(tǒng)原理實現(xiàn)框圖

3 系統(tǒng)分析與實現(xiàn)

3.1 旋轉(zhuǎn)變壓器激勵模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用的旋轉(zhuǎn)變壓器所允許的激磁電壓峰－峰值為16±0.5 V，變比為0.8±0.12。G105的激磁信號產(chǎn)生器的激磁頻率可編程設(shè)置，這里選用的激磁信號的頻率為19 kHz，產(chǎn)生的正弦激磁信號由G105的DAC輸出。G105的DAC為電流輸出型，支持單端輸出和差分輸出?？紤]到激磁信號采用線纜傳輸?shù)叫D(zhuǎn)變壓器，激磁信號這里選擇差分輸出，從而增強(qiáng)激磁信號的抗共模干擾能力和驅(qū)動能力。G105差分輸出驅(qū)動電流可以選擇－8 mA、－16 mA、－32 mA、－64 mA。為降低G105的功耗，這里選擇G105的輸出電流為－8 mA，此時DAC的差分輸出端電壓應(yīng)滿足≥6 V，從而保證G105有足夠的能力從外圍電路吸收電流。這里對DAC的正相和反相輸出端提供一個14 V的直流偏置，上拉電阻為1 kΩ。這里選用的直流偏置電源要求噪聲小、紋波低，上拉電阻要求精度等級高、溫漂低。如果偏置電源噪聲和紋波大，或者兩個上拉電阻的阻值有較大的偏差，將直接導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器初級線圈的輸入正弦激勵信號的品質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致解碼結(jié)果出現(xiàn)偏差。所以，這里的偏置電源由LDO提供，上拉電阻的精度等級為+0.01%，電阻溫度系數(shù)為±5 ppm/℃。G105 DAC的輸出信號再經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓跟隨，這里選用AD公司的低噪聲高速集成運(yùn)放AD8022。為避免信號通過AD8022時飽和，這里選擇AD8022的供電電壓為20 V，如圖6所示。這樣經(jīng)過直流偏置、電壓跟隨后，DAC的正相端正弦電流信號和反相端正弦電流信號變?yōu)榉澹逯禐? V、電壓范圍在4～14 V的正交正弦電壓信號DAC_P1、DAC_N1。然后，DAC_P1、DAC_N1分別作為旋轉(zhuǎn)變壓器初級線圈的正相端、反相端，則次級線圈輸出電壓的峰－峰值為UPP=12.8 V，電壓范圍為－6.4～6.4 V。

圖6 旋轉(zhuǎn)變壓器激勵模塊原理圖

3.2 旋變解碼電路設(shè)計

G105內(nèi)部有12通道的ADC，分辨率為14 bit，采樣速率為1 MHz，支持單端輸入和差分輸入。在單端輸入模式下，輸入信號范圍為0～15 V。而旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓信號的范圍為－6.4～6.4 V，因此，必須對旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號進(jìn)行直流偏置。為充分利用ADC的量程，這里選用的直流偏置電壓為7.5 V，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的電壓信號范圍變?yōu)?.1～13.9 V。設(shè)置ADC為單端輸入模式，這樣，經(jīng)直流偏置的旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號可以直接進(jìn)入G105進(jìn)行角位移解碼，考慮到進(jìn)入G105的片內(nèi)ADC的sin和cos信號質(zhì)量將直接影響角度解碼的結(jié)果，這里采用低壓差穩(wěn)壓源為旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號提供一個低紋波的偏置電壓。如圖7所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼接口電路原理圖

4 試驗測試結(jié)果

為了克服角度隨機(jī)測量誤差，這里采用中值濾波對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［5］。實現(xiàn)中值濾波的方法為:G105對舵面的某一位置連續(xù)采樣4次，去掉采樣值中的最大值和最小值，然后對中間的2個值取平均作為本次測量的有效值。

考慮到舵面的零位和旋轉(zhuǎn)變壓器的零位在安裝時未必能夠精確對準(zhǔn)，所以，當(dāng)舵面處于零位時，舵機(jī)系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置采集四次，得到的結(jié)果分別為200.864 3°，200.850 4°，200.864 3°，200.850 4°。采用中值濾波，得到舵面在零位時的旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置為200.857 4°。舵面角位置位移解算時，需要將G105解算得到的旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置減去舵面在零位時旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置，再除以舵軸與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的傳動比3.78。

由主控計算機(jī)向舵機(jī)發(fā)送－35.5°，－5.5°，18.0°，34.5°的控制指令，得到旋轉(zhuǎn)變壓器的初級線圈的正相端DAC_P1、反相端DAC_N1和次級繞組的輸出感應(yīng)電動勢正弦輸出和余弦輸出測試波形，如圖8所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)變壓器的初級線圈的正相端、反相端和次級繞組的波形

在這個四個指令角度數(shù)據(jù)上，G105解碼輸出的結(jié)果如表1所示。

表1 G105的解碼輸出結(jié)果

由測試結(jié)果看出，該系統(tǒng)的實際解算出來的舵面位移與指令結(jié)果的誤差絕對值小于0.1°，舵機(jī)的控制響應(yīng)精度完全滿足舵機(jī)系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計完成一個數(shù)字舵機(jī)系統(tǒng)，采用單極正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器測量舵面角位移，并利用SOC G105的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)變壓器解碼實現(xiàn)角位移的解碼。試驗結(jié)果證明，該數(shù)字舵機(jī)系統(tǒng)的控制接口電路和信號處理方法簡單，避免了采用專門的RDC芯片實現(xiàn)角度的解碼，有利于實現(xiàn)控制系統(tǒng)的小型化，并降低成本。同時，該方案測量精度比較高，完全能夠滿足大部分伺服舵機(jī)的性能要求，是一種比較實用的實現(xiàn)方案。

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