電動(dòng)伺服旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁放大電路研究

崔業(yè)兵　許敬　李裕　曾凡銓　傅俊勇

摘 要： 旋轉(zhuǎn)變壓器有足夠大的激磁信號(hào)才能得到較高的位置精度，而解碼芯片提供的激磁信號(hào)較小，因此需要設(shè)計(jì)放大電路對(duì)激磁信號(hào)進(jìn)行放大。以解碼芯片AD2S1200為基礎(chǔ)，對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器TS2620N21E11的激磁放大電路進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了四個(gè)激磁放大電路，并詳細(xì)地介紹了它們的工作原理。采用高輸出電流運(yùn)放構(gòu)成的放大電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但成本較高，而采用普通運(yùn)放加無輸出電容的功率放大電路時(shí)，盡管電路結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜，但成本較低。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證實(shí)了所設(shè)計(jì)的激磁放大電路的正確性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： AD2S1200； TS2620N21E11； 激磁放大； OCL

中圖分類號(hào)： TN710?34； TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）24?0167?05

Research on exciting amplification circuit of rotary transformer for electric servo system

CUI Yebing， XU Jing， LI Yu， ZENG Fanquan， FU Junyong

（Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology， Shanghai 201109， China）

Abstract： The rotary transformer can obtain the high position accuracy with strong enough exciting signal， while the decoding chip provides poor exciting signal， it is necessary to design the amplifying circuit to amplify the exciting signal. On the basis of decoding chip AD2S1200， the exciting amplifying circuit of the rotary transformer TS2620N21E11 is studied. Four exciting amplifying circuits were designed， and their working principles are introduced in detail. The analysis results show that the amplifying circuit composed with the high output current amplifying circuit has simple structure but high cost； the power amplifying circuit with general operational amplifier and no output capacitance has slightly complex circuit structure but low cost. Both the simulation and experiment results verify that the exciting amplifying circuit is correct and practical.

Keywords： AD2S1200； TS2620N21E11； exciting amplification； OCL

0 引 言

在常用的光電編碼器、霍爾傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器（旋變）等轉(zhuǎn)子位置傳感器中，旋變是機(jī)械結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)固的設(shè)備，可以在有灰塵、油、高溫、振動(dòng)以及放射性等非常惡劣的環(huán)境下情況下工作，且自身具有抑制共模干擾的能力，這使得旋變只需要4根線來傳輸角度信號(hào)，也使其非常適于應(yīng)用在重型機(jī)械加工和航空工業(yè)[1?2]。旋轉(zhuǎn)變壓器TS2620N21E11需要的激磁電壓為7 V，即峰峰值為19.8 V，頻率為10 kHz，輸入阻抗為70+j100 Ω，對(duì)應(yīng)為阻感負(fù)載時(shí)，電阻為70 Ω，電感為1.6 mH。解碼芯片AD2S1200產(chǎn)生兩路共模電壓2.5 V、峰峰值3.6 V、相位相反的正弦激磁信號(hào)，頻率可設(shè)置為10 kHz，12 kHz，15 kHz以及20 kHz。如何設(shè)計(jì)一個(gè)放大電路將解碼芯片產(chǎn)生的激磁信號(hào)放大為旋變需要的激磁信號(hào)是本文將要闡述的內(nèi)容。解碼芯片AD2S90自身不提供激磁信號(hào)，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]采用AD2S99產(chǎn)生激磁信號(hào)，不過電路比較復(fù)雜，且AD2S99價(jià)格較高。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]以AD2S1200為基礎(chǔ)，但更加注重解碼芯片與DSP的接口設(shè)計(jì)，而對(duì)激磁電路的設(shè)計(jì)講解不多。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]均以解碼芯片AU6802N1為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)電路，文獻(xiàn)[8]對(duì)所采用的激磁放大電路進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但解碼電路AD2S1200和AU6802N1對(duì)激磁信號(hào)的要求不同。文獻(xiàn)[9]以解碼芯片AD698為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的激磁放大電路驅(qū)動(dòng)電流過小，不足以驅(qū)動(dòng)本文所選用的旋變。本文在文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，根據(jù)供電電壓的不同設(shè)計(jì)了不同的激磁放大電路，通過比較各個(gè)電路發(fā)現(xiàn)不同供電條件下的較優(yōu)方案。本文通過Multisim仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，并搭建實(shí)物平臺(tái)驗(yàn)證仿真結(jié)果。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器原理

旋變是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的變壓器，它能夠產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子位置相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，旋轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)0°～360°。無刷旋變結(jié)構(gòu)如圖1所示，由環(huán)形變壓器和旋轉(zhuǎn)的變壓器組成，環(huán)形變壓器定轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)方向均為軸向，在氣隙中的磁場(chǎng)方向?yàn)閺较颍@樣定子的激磁電壓就可以感應(yīng)到轉(zhuǎn)子上，而不受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響。

圖2為無刷式旋變繞組，當(dāng)從最左邊向位于定子上的激磁繞組通入高頻正弦激磁電流，進(jìn)而產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)，從而在位于環(huán)形變壓器轉(zhuǎn)子上的繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，那么環(huán)形變壓器轉(zhuǎn)子繞組和旋轉(zhuǎn)的變壓器轉(zhuǎn)子繞組組成的閉合回路中將產(chǎn)生高頻正弦電流，進(jìn)而在旋轉(zhuǎn)的變壓器定子正余弦繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其幅值大小與定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置（轉(zhuǎn)子角）有關(guān)。通過環(huán)形變壓器巧妙地將激磁信號(hào)由定子傳遞到轉(zhuǎn)子上，值得注意的是，從圖2中可看到旋轉(zhuǎn)的變壓器轉(zhuǎn)子繞組也有兩套。兩套繞組結(jié)構(gòu)完全相同，一套繞組是激磁繞組，也稱為直軸繞組，另一套繞組為補(bǔ)償繞組，也稱為交軸繞組，在空間上與激磁繞組相差90°。

有兩種方法可以獲得與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的電壓信號(hào)。第一種方法是在轉(zhuǎn)子繞組中通入周期性的勵(lì)磁信號(hào)，定子繞組輸出電壓信號(hào)。當(dāng)定子繞組放在合適的位置時(shí)，其輸出的電壓幅值與轉(zhuǎn)子位置角的正弦和余弦成正比。正余弦信號(hào)與激磁信號(hào)同相位，只是幅值受轉(zhuǎn)子角的正弦值和余弦值調(diào)制。第二種方法是通過給定子繞組勵(lì)磁來獲得與轉(zhuǎn)子角相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)繞組通入兩個(gè)相位互差90°的周期信號(hào)時(shí)，如定子繞組S1?S3通入激磁信號(hào)Esin θ，定子繞組S2?S4通入激磁信號(hào)Esin（θ+90°）=Ecos θ，那么氣隙中將形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而在轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的幅值和頻率恒定，但感應(yīng)電壓的相位與轉(zhuǎn)子角有關(guān)。

旋變?cè)砣鐖D3所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組R2?R4的軸線與定子繞組S1?S3的軸線重合時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)輸出與定子繞組S1?S3上勵(lì)磁信號(hào)同相位的信號(hào)（從變壓器的角度來理解），此時(shí)正弦信號(hào)相位為0°；當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組R2?R4的軸線與定子繞組S2?S4的軸線重合時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)輸出與定子繞組S2?S4上的勵(lì)磁信號(hào)同相位的信號(hào)，此時(shí)正弦信號(hào)相位為90°。當(dāng)轉(zhuǎn)子角在這兩位置之間時(shí)，轉(zhuǎn)子輸出信號(hào)的相位在0°～90°之間線性變化。通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子一圈，轉(zhuǎn)子輸出信號(hào)的相位也會(huì)從0°變?yōu)?0°，180°，270°，360°，即回到0°。

2 激磁放大電路的設(shè)計(jì)

解碼芯片AD2S1200所產(chǎn)生的兩路激磁信號(hào)[EXC]和[EXC]可表示為：[2.5+1.8sinωt]和[2.5-1.8sinωt]。旋變TS2620N21E11的額定激磁電壓有效值為7 V（峰峰值為19.8 V），將峰峰值為7.2 V的激磁信號(hào)放大為峰峰值19.8 V的激磁信號(hào)，放大系數(shù)為2.75。

2.1 激磁放大電路一

采用普通運(yùn)放TL082搭建反比例放大電路，具體的電路如圖4所示。

圖4中R3和L1分別是旋變TS2620N21E11的等效輸入電阻和電感，對(duì)應(yīng)輸入阻抗為70+j100 Ω。運(yùn)放采用15 V單電源供電；R1，R2和R4，R5用于設(shè)置放大系數(shù)；電容C1和C2用于濾除激磁信號(hào)中的高頻成分；可調(diào)電阻R1用于設(shè)置偏置電壓Vb。通過調(diào)節(jié)偏置電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓[OUT]和[OUT]的平均值（共模電壓），使其大約為供電電壓的[12]。希望輸出電壓平均值為供電電壓的[12]是因?yàn)檫@樣可以獲得較大的正弦幅值。如果輸出電壓平均值較?。ù螅?，那么輸出電壓的最小（大）值就會(huì)更?。ù螅?，很容易達(dá)到運(yùn)放的輸出限值。

激磁放大電路一的偏置電壓Vb與輸出電壓Vo的計(jì)算公式如下：

選取電阻、電容等參數(shù)如圖5中所示，則偏置電壓為3.8 V，輸出電壓平均值為7.38 V，輸出電壓最小值為2.43 V，輸出電壓最大值為12.33 V，峰峰值為9.9 V。通過電路仿真軟件Multisim搭建電路模型進(jìn)行仿真，同時(shí)搭建實(shí)物電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形分別如圖5和圖6所示。

圖6中曲線從上到下依次是CH1，CH2和CH3的波形，仿真結(jié)果顯示輸出波形畸變嚴(yán)重，這是因?yàn)檫\(yùn)放的輸出電流較小，不足以為旋變的輸入阻抗提供足夠大的電流。旋變的激磁電壓有效值為7 V，輸入阻抗為70+j100 Ω，則輸入電流有效值為57.3 mA，峰值為81 mA，而TL072的輸出短路電流只有40 mA。

2.2 激磁放大電路二

為解決輸出電流太小的問題，可將運(yùn)放TL082改為高輸出電流運(yùn)放AD8397。運(yùn)放AD8397是具有3～24 V的較寬供電電壓范圍、軌對(duì)軌輸出的運(yùn)放，在負(fù)載為32 Ω時(shí)可以提供最大310 mA的負(fù)載電流。具體的電路原理圖如圖7所示，通過可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值大約為供電電壓的[12]，以獲得盡量大的輸出電壓范圍。采用Multisim搭建電路模型進(jìn)行仿真，同時(shí)搭建實(shí)物電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形分別如圖8和圖9所示。

從仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形均可看出，輸出波形正弦度較好，且與輸入波形相位相反，與理論結(jié)果相符。不過由于運(yùn)放 AD8397的價(jià)格較高，使得放大電路的成本也比較高。

2.3 激磁放大電路三

提高輸出電流的另一種方法是采用無輸出電容的功率放大電路[11]，電路原理圖如圖10所示。

圖10中只提供了一路激磁信號(hào)EXC的放大電路，激磁信號(hào)[EXC]的放大電路與此相同。電路將放大電路的輸出作為反饋信號(hào)，通過電阻R1反饋至運(yùn)放的反相輸入端，這樣可以保證輸出電壓與輸入電壓之間有較好的比例關(guān)系，而不會(huì)由于放大電路的三極管壓降等因素導(dǎo)致輸出電壓畸變。

電路中偏置電壓為3.8 V，放大系數(shù)為2.75，這些參數(shù)均與激磁放大電路一中的相同。負(fù)載電流為峰值81 mA的正弦波，查看BC846的數(shù)據(jù)手冊(cè)知集電極電流Ic為80 mA時(shí)，放大系數(shù)最小為100，那么基極電流Ib只需0.8 mA，顯然普通運(yùn)放是可以輸出0.8 mA的。電路中設(shè)計(jì)電阻R13，R14起抑制三極管溫漂的作用，電阻值越大、抑制效果越好，但其上的壓降越大，導(dǎo)致旋變的電壓減小，因此應(yīng)選擇合適的射極電阻，本電路選擇射極電阻為1 Ω?；鶚O驅(qū)動(dòng)電阻R9，R10越大，其壓降越大，則運(yùn)放的輸出端電壓越大，有可能超過運(yùn)放的輸出電壓范圍，本電路選擇基極驅(qū)動(dòng)電阻為100 Ω。

Multisim仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形分別如圖11和圖12所示。

圖11（a）和圖11（b）的區(qū)別在于CH3的位置不同，此處展示兩幅圖能更清楚地表達(dá)兩者之間的關(guān)系。以下波形均與此類似，將不再贅述。從圖11中可看出OUT（放大電路的輸出）電壓基本為正弦，而AMP1（運(yùn)放的輸出）電壓畸變較大。采用Multisim中THD分析模塊分析得到OUT電壓的THD為0.28%，而AMP1電壓的THD為6.5%。

如圖12所示，假設(shè)負(fù)載電流為正，則由于三極管Q1的基極與射極之間存在導(dǎo)通壓降Ube，且基極驅(qū)動(dòng)電阻R9和用于抑制溫漂的射極電阻R13也產(chǎn)生壓降，因此OCL電路的輸入電壓（AMP1）比輸出電壓（OUT）高一些；如果負(fù)載電流為負(fù)，輸入電壓會(huì)比輸出電壓低一些。由此可知，在負(fù)載電流極性發(fā)生變化時(shí)，輸入電壓與輸出電壓之差也會(huì)發(fā)生變化，如圖13所示。這就是的交越失真現(xiàn)象，只不過此處通過運(yùn)放對(duì)輸出電壓作閉環(huán)控制使得輸出電壓比較正弦而輸入電壓產(chǎn)生了失真，而一般書中所講的交越失真均為輸出電壓失真。

2.4 激磁放大電路四

文獻(xiàn)[11]提出另一種電路來解決交越失真的問題。該電路與文獻(xiàn)[10]中的電路類似，具體電路如圖14所示。

圖14中兩個(gè)二極管的壓降與兩個(gè)三極管的導(dǎo)通電壓相近，R3，R10一般較小，用于設(shè)置三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，R2，R11取值應(yīng)使得三極管靜態(tài)集電極電流約為1 mA。這樣，OCL電路的輸入電壓和輸出電壓近似相等，從而消除了交越失真。文獻(xiàn)[10]的電路中采用12 V電源供電，使用的運(yùn)放為價(jià)格較高的軌對(duì)軌（Rail?to?Rail）運(yùn)放AD8662。軌對(duì)軌運(yùn)放的好處是輸出電壓能夠接近電源電壓，即有較大的輸出電壓擺幅（Output Voltage Swing）。根據(jù)此前的計(jì)算結(jié)果，激磁放大電路的輸出電壓峰峰值為9.9 V，在12 V電源供電條件下，普通運(yùn)放的輸出電壓擺幅達(dá)不到9.9 V。如果將供電電壓改為15 V，則TL072是可以滿足要求的。仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形分別如圖15和圖16所示。

3 結(jié) 語

本文以解碼芯片AD2S1200為基礎(chǔ)，對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器TS2620N21E11的激磁放大電路進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了四個(gè)激磁放大電路，闡釋了4種放大電路的原理。通過實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的激磁放大電路精度高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)，完全能夠滿足高速電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的要求。

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