基于旋轉(zhuǎn)變壓器的核電站蒸發(fā)器傳熱管渦流檢測機械手位置檢測研究

秦華容　吳海林　張軍

【摘 要】本文介紹一種用于核電站蒸發(fā)器傳熱管渦流檢測定位機械手上直流有刷電機轉(zhuǎn)子位置檢測的方法，該方法采用旋轉(zhuǎn)變壓器11-BHW-40HS/F447來檢測定位機械手關(guān)節(jié)位置。重點介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S1210及其相關(guān)參數(shù)的選擇，并設(shè)計了AD2S1210與旋轉(zhuǎn)變壓器11-BHW-40HS/F447之間的接口電路，將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字位置信號送給控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了定位機械手的位置檢測。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計合理，旋轉(zhuǎn)變壓器和AD2S1210組成的數(shù)字位置檢測電路正確可行。

【關(guān)鍵詞】旋轉(zhuǎn)變壓器；AD2S1210；接口電路；模擬/數(shù)字信號處理器

0 引言

在核電站蒸發(fā)器傳熱管渦流檢測定位機械手系統(tǒng)中，需要實時地檢測電機轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、速度的閉環(huán)控制。通常的檢測方法是使用光電編碼器，而常用的正交光電編碼器啟動時需要一段時間進行轉(zhuǎn)軸定位，而且抗沖擊震動性差，容易損壞，因此，在環(huán)境比較惡劣[1]、需要快速響應(yīng)的高速運行且對抗震要求較高的場合，例如，蒸發(fā)器傳熱管渦流檢測系統(tǒng)中，往往使用旋轉(zhuǎn)變壓器。

旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是含位置信息的模擬信號，需要將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才可輸入到運動控制卡單元。本文采用AD2S1210旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器將模擬量信號轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字位置信號，同時運動控制單元采用美國GALIL公司的DMC-2143卡，可滿足系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子位置與速度信號實時快速檢測和處理的要求。實驗表明該方案確實可行，并且具有較高的控制精度。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器的原理

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種特殊的旋轉(zhuǎn)電機，有定子和轉(zhuǎn)子兩部分，并且兩者相互獨立，一次極和二次極線圈都繞在定子上，轉(zhuǎn)子由兩組相差90°線圈組成，采用無刷設(shè)計[2]，如圖1所示：

圖2是旋轉(zhuǎn)變壓器電氣示意圖：

旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入輸出電壓之間的具體函數(shù)關(guān)系如下所示：

設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度為？茲，初級線圈電壓（即勵磁電壓）。

ES1-S3=KEsin2πftcosθ

ES2-S4=KEsin2πftsinθ

式中：f—勵磁頻率；

E—信號幅度。

那么輸出電壓：

ER1-R2=Ksin2πft

式中：K—傳輸比；

？茲—轉(zhuǎn)子偏離原點的角度。

公式中f為信號頻率，即勵磁信號頻率，信號幅度為E，包絡(luò)信號為和，解碼器就是通過檢測這兩組輸出信號獲取旋變位置信息的。勵磁頻率越高，旋變解碼精度也就越高，而勵磁電壓幅度則對解碼沒有明顯的影響，只需達到一定的電壓數(shù)值即可[3]。該渦流傳熱管機械定位手系統(tǒng)中選用Litton公司的11-BHW-40HS/F447作為旋轉(zhuǎn)變壓器來檢測機械手的位置，其參數(shù)如下：ROTOR：1 PHASE，1.88 VOLTS；STATOR：2 PHASE，2.63 VOLTS，頻率為2250HZ。

2 基于旋轉(zhuǎn)變壓器的渦流傳熱管定位機械手檢測系統(tǒng)

渦流傳熱管機械手定位檢測系統(tǒng)主要由兩關(guān)節(jié)定位機械手、控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、控制PC機、渦流采集工作站、渦流分析工作站和氣源系統(tǒng)等組成。檢測系統(tǒng)連接示意圖如圖3所示：

控制PC機中控制軟件發(fā)指令給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)驅(qū)動機械定位手運動，當(dāng)運動到控制軟件中指定的蒸發(fā)器傳熱管位置后，輸送渦流探頭至傳熱管中（機械定位手作為載體，攜帶探頭運動）。渦流探頭反饋回來的檢測信號送給渦流儀，處理之后最終送到渦流采集、分析工作站，從而完成一次渦流自動檢查。攝像頭系統(tǒng)主要用來監(jiān)視定位機械手的運動狀態(tài)，并將視頻圖像顯示在監(jiān)視器中，提供給操作人員觀看。

PC機中發(fā)軌跡指令給GALILA控制卡，控制卡轉(zhuǎn)換后發(fā)指令給驅(qū)動器，從而驅(qū)動關(guān)節(jié)電機運動。同時機械定位手中旋轉(zhuǎn)編碼器用來檢測兩個關(guān)節(jié)的位置信息，檢測到的關(guān)節(jié)位置信息為模擬量信號，送到基于AD2S1210的解碼板解碼成數(shù)字量信號后，送給GALIL控制卡，從而形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)精確定位，控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

3 基于AD2S1210的解碼板接口電路設(shè)計及機械手定位精度測試

3.1 AD2S1210解碼芯片特點

AD2S1210解碼芯片是一款10位至16位分辨率旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器，集成片上可編程正弦波振蕩器，為旋轉(zhuǎn)變壓器提供正弦波激勵。轉(zhuǎn)換器的正弦和余弦輸入端允許輸入3.15±27%、頻率為2KHZ至20KHZ范圍內(nèi)的信號。Type II伺服環(huán)路用于跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度所對應(yīng)的數(shù)字量，最大跟蹤速率為3125rps。AD2S1210解碼芯片內(nèi)部功能圖如圖5所示。

3.2 AD2S1210芯片和旋轉(zhuǎn)變壓器接口電路設(shè)計

為了給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁繞組提供滿足要求的高品質(zhì)正弦波勵磁信號，同時使所接收到的旋轉(zhuǎn)變壓器正/余弦信號能夠滿足芯片對輸入信號幅值與相位的要求，需要加入額外的信號處理電路。AD2S1210和旋轉(zhuǎn)變壓器接口電路設(shè)計如圖6所示。

AD2S1210的激勵輸出通常在和/輸出端提供3.6正弦信號，這將產(chǎn)生一個7.2差分信號。11-BHW-40HS/F447旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換比為，如果將增益為1的緩沖器配合AD2S1210使用，則旋變輸出正、余信號的幅度約為差分，而AD2S1210轉(zhuǎn)換器允許的正弦和余弦輸入電壓應(yīng)具的幅度，顯然不滿足轉(zhuǎn)換器的電壓輸入要求，因此旋轉(zhuǎn)變壓器和轉(zhuǎn)換器之間的緩沖器電路大約應(yīng)提供的增益。如圖6中所示，選用AD8040放大器作為緩沖電路，其增益由電阻和（或者和）來設(shè)定。本機械手定位檢測系統(tǒng)中，根據(jù)前面介紹的旋轉(zhuǎn)變壓器參數(shù)，選取，計算可知緩沖電路的增益為，則11-BHW-40HS/F447旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正、余信號的幅度約為差分，滿足AD2S1210轉(zhuǎn)換器允許的正弦和余弦輸入電壓幅度要求。

電容C4與電阻R56并聯(lián)，C5與電阻R58并聯(lián)形成一個低通濾波器，用來濾除EXC和EXC 輸出上可能存在的任何噪聲。應(yīng)謹慎選擇此濾波器的截止頻率，確保濾波器所引起的載波相移不超過AD2S1210的鎖相范圍。

11-BHW-40HS/F447旋轉(zhuǎn)變壓器經(jīng)過AD2S1210芯片解碼后，輸出的信號經(jīng)過緩沖（通過芯片74HC573實現(xiàn)）和光電隔離等信號處理之后，即可輸出16位數(shù)字量信號送給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機械手電機關(guān)節(jié)位置的檢測。

3.3 機械手定位精度測試

基于上面介紹的接口電路，本系統(tǒng)中設(shè)計了基于AD2S1210的旋轉(zhuǎn)變壓器信號解碼板，按如下圖7所示，任意選取一行（如46行），在該行上任意選取10列，對本系統(tǒng)中的兩關(guān)節(jié)機械定位手定位精度進行了測試，測試示意圖如下圖7所示。

相鄰兩管子的管間距=27.43mm；半個管徑=9.65mm。

在控制系統(tǒng)中，對機械手做完兩點標定后，將探頭門對準R46C29（任意選取），在ROW（行不變）和COL（列遞增）方向做標記；移動到R46C30并對探頭門做出相應(yīng)標記；依次在該行上取10列管子逐次做出相應(yīng)標記；完成后測出相應(yīng)數(shù)據(jù)得出ROW和COL方向的測量數(shù)據(jù)，并按下面的公式計算出機械手在移動過程中在ROW和COL方向的走位偏差，測試結(jié)果如表1所示，其中相鄰兩管子的管間距和管徑為傳熱管的結(jié)構(gòu)尺寸（測量可得）。

ROW偏差量=相鄰兩管子的管間距（27.43mm）-1/2R（半個管徑9.65mm）-Rx。

COL偏差量=Cx-相鄰兩管子之間的間距（27.43mm）。

4 結(jié)論

本文作者在自主研發(fā)的渦流傳熱管機械手定位檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并制作了基于AD2S1210芯片的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，對機械手兩個電機關(guān)節(jié)位置進行實時檢測并解碼，實驗證明該解碼方法穩(wěn)定可靠，且解碼精度比較準確，完全滿足核電站蒸汽發(fā)生器渦流傳熱管檢測定位精度要求。

【參考文獻】

[1]金進強，等.旋轉(zhuǎn)變壓器信號接口電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦開發(fā)及應(yīng)用，2007，20（5）：54-55.

[2]敖榮慶，等.伺服系統(tǒng)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[3]秦繼榮，等.現(xiàn)代直流伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

[責(zé)任編輯：王楠]