高精度位置传感器的设计
2014-11-28张建斌
张建斌
(国营七八五厂第一研究所，山西 太原 030024)
高精度位置传感器用于运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用。目前随动系统经常使用的高精度位置传感器有两种:粗精组合的旋转变压器和光电编码器［1］。光电编码器数据处理电路简单，检测精度高，输出信号平滑，但它的抗干扰性差，不宜应用在条件恶劣的场合中;相比较而言，粗精组合的旋转变压器，结构简单，坚固耐用，抗干扰性强，能够应用在各种条件恶劣的场合中，而且它的精度已经足够应用的要求，但是粗精组合的旋转变压器需要齿轮传动实现变比，齿轮传动结构的误差也影响了它的精度。我们研制的磁阻式多级旋转变压器则不需要齿轮传动机构，从而减少了随动系统的测量误差。
1 磁阻式多级旋转变压器的性能
1)输出分辩率为14 位。
2)具有零位标定功能。
3)±15 V 电源供电。
4)为RS422 输出，比特率为57600bps，应答模式。
5)温度范围宽，可靠性高。
6)具有较强的抗冲击能力，适用于各种恶劣环境。
2 磁阻式多级旋转变压器的特点
磁阻式多级旋转变压器是一种新型结构高精度位置传感器。它具有以下特点:
1)无接触结构，可靠性高:由于无电刷、接触结构，可以在恶劣的环境条件下工作，如机械振动强，高转速，高加速度和广泛的温度范围(－55 ℃～120 ℃)。
2)高精度:因为采用了多级串联分布绕组，有均匀磁场的作用及电路串联补偿的功能，对温度和机械应力不甚敏感。而且极对数越高，精度也就越高。而普通的多级旋转变压器需要齿轮传动机构实现变比，齿轮传动机构的误差也影响了多级旋转变压器的精度。
3)小型化:磁阻式多级旋转变压器的一个转子齿代表一对极，而普通的多级旋转变压器的一个转子齿代表一个极，而且在每一槽内还要安置绕组，因此，同样的机座，磁阻式多级旋转变压器能实现极对数大大超过了多级旋转变压器，反之，若极对数相同，磁阻式多级旋转变压器的体积可以比多级旋转变压器小得多。
4)结构简单，成本低:由于转子仅为带齿的铁心，无绕组，便于加工，又没有电刷，所以零部件少。而且磁阻式多级旋转变压器为实现多级而需要的线圈比普通的多级旋变要少。因此，磁阻式多级旋转变压器的加工费用和材料成本低于一般的多级旋变，体积和重量也小得多。
3 磁阻式多级旋转变压器的组成和工作原理
磁阻式多级旋转变压器由磁阻式旋转变压器、汇流环、电源转换电路、轴角－数字转换电路［3］、接口电路等五部分组成。其系统组成原理框图如图1。
图1 磁阻式多级旋转变压器的组成原理框图
1)磁阻式旋转变压器
磁阻式旋转变压器用作角度测量传感器，能够将角度位置转变为正余弦电压信号。
图2 磁阻式旋转变压器的原理图
磁阻式旋转变压器的工作原理是它的激磁绕组和输出信号绕组均固定在定子上，仅通过转子凸极效应产生具有正弦轨迹的气隙磁导，从而在信号绕组上感应出正、余弦信号［2］。
2)汇流环
磁阻式旋转变压器的转子转动时，实现正常的数据传输。
3)电源转换电路
电源转换电路包括DC/DC 变换电路和DC/AC 逆变电路。
DC/DC 变换电路是将输入的15 V DC 转换为轴角-数字转换电路所需的5 V、3.3 V 电压。
DC/AC 逆变电路是将输入的±15 V DC 转换为磁阻式旋转变压器所需的5 V/1 kHz 正弦交流电压。
4)轴角-数字转换电路
根据磁阻式旋转变压器输出的模拟电压的特征，自行设计所有转换电路及软件，其设计思路如下:
图3 轴角检测原理图
磁阻式多级旋转变压器的角度测量部分由磁阻式旋转变压器、轴角－数字转换电路构成。
磁阻式多级旋转变压器激磁电压为～5 V/1 kHz 正弦波，即E=EmSinωt。
当磁阻式多级旋转变压器转过角度为ε 时，输出正弦绕组电压和余弦绕组电压如下:
式中，K 为变比系数，εCS为粗示转角，εJS为精示转角。
精示与粗示速比:i。
两组精、粗两相电压经轴角－ 数字转换电路后，送入DSP 进行数学处理，求取位置精、粗角度εCS、εJS。最后，根据减速器精示与粗示速比i 求出实际的角度ε。
5)接口电路
接口电路由TTL－RS422 转换电路和RS422 输出瞬态抑制电路组成。
TTL－RS422 转换电路负责完成TTL 电平到RS422 差分电平的转换。
RS422 输出瞬态抑制电路负责完成RS422 总线上的瞬态干扰电平的抑制。
4 结论
磁阻式多级旋转变压器结构简单，可靠性高，成本低，适用于各种恶劣的环境条件。
［1］姜燕平.旋转变压器原理及其应用［J］.电气时代，2005(10) ：98－100.
［2］宋雷雷，王永兴.磁阻式旋转变压器信号绕组阻抗匹配分析［J］.微电机，2011(2) ：9－12.
［3］罗德荣，周成，黄科元，等.基于AD2S1200 的旋变接口电路设计及信号处理［J］.电力电子技术，2008，42(8) ：68－70.
