一种高精度数字—自整角机转换器的研究

卢艳++朱宇

摘 要：文中研究的数字-自整角机转换器是将并行输入的14位TTL信号转换为三相交流自整角机模拟信号，同时具有5 VA的功率驱动能力。通过选择精密电阻网络以及合理的FPGA软件算法控制，可以使得该数字-自整角机转换器的转换精度达到3 LSB，即为4'。同时为了保证该数字-自整角机转换器在输出5 VA功率时安全可靠，特地在功率运算放大器的输出级设计了过流保护和防反相电动势的反冲保护。

关键词：数字-自整角机；过流保护；反冲保护；功率驱动

中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

自整角机是一种角度传感器，该传感器利用电磁感应原理将旋转的角度值转换为三相交流信号。数字—自整角机（DSC）转换器是将并行的TTL二进制数码转换为自整角机输出的三相交流信号。DSC被广泛应用在航空、航天、兵器及自动控制的伺服系统和轴角控制系统中，具有转换精度高、跟踪速度快、可靠性好、适应能力强等优点[1]。

1 自整角机原理介绍

自整角机主要由定子和转子组成，定子绕组上输入参考信号，当转子转过角度时，其转子上的三相绕组会输出三相交流信号VS1、VS2、VS3，且满足式（1）。

（1）

从公式（1）可以看出，自整角机的三相输出正弦波信号的幅值与自整角机的旋转角度相关，其工作频率和相位理论与输入参考信号同频同相[2]。

2 数字—自整角机转换器原理设计

本文设计的数字-自整角机转换器要求输入信号有输入参考信号和并行二进制输入，要求输出为三相子整机信号，且输出功率为5 VA，其原理设计框图如图1所示[3]。

图1 数字—自整角机转换器的原理设计框图

输入参考信号通过参考信号放大电路转换为与参考信号同相的输出信号和与参考信号反相的输出信号；该同相输出信号和反相输出信号输入到象限选择电路；输入的并行TTL二进制数码是带有角度信息的二进制码，该二进制码通过加权处理就可对应输入的角度，并行TTL二进制输入到FPGA软件控制电路；FPGA软件控制电路的输出首先控制同相输出信号和反相输出信号的象限选择电路，保证象限选择电路输出正弦信号和余弦信号；该正弦信号和余弦信号输入到DAC正余弦乘法器，同时受FPGA软件控制电路控制DAC正余弦乘法器，输出带有输入角度信息的正余弦信号，该正余弦信号输出功率达不到设计要求，后级需要接功率驱动电路，输出满足功率要求的正余弦信号，且在功率运算放大电路中设计了过流保护和防反相电动势的反冲保护；该正余弦信号通过SCOTT变换输出三相自整角机信号，且输出功率满足设计要求。

3 数字—自整角机转换器电路设计

3.1 参考信号放大电路

参考信号放大电路主要是对输入参考信号Vref幅值的放大，要求输出相位相反的差动信号，图1所示为参考信号放大电路的原理图。一般参考信号幅值都会很大，如115 V、56 V、26 V等，而数字—自整角机转换器内部的供电一般都是±15 V，因此需要将参考信号Vref进行衰减。参考信号Vref通过输入电阻网络的衰减后，需要满足参考信号放大电路的输入差模信号要求，同时为了保护衰减后输入参考信号由于电压太高对放大电路的损伤，在参考信号Vref衰减后需要增加保护电路。参考信号放大电路输出差动同相输入信号Va和反相输入信号Vb，且同相输入信号Va与参考信号Vref同相，反相输入信号Vb与参考信号Vref反相。参考信号放大电路原理图如图2所示。

3.2 象限选择电路

象限选择电路主要通过两个控制信号T1和T2完成对同相输入信号Va和反相输入信号Vb的四个象限的选择输出模式。本论文的象限选择电路如图3所示。选择开关电路，当使能信号和为低电平时，D2和D3输出到S2和S3， 当使能信号OE1和OE4为低电平时，D1和D4输出到S1和S4。该象限选择电路的逻辑关系如表1所列。

通过表1可以看出，通过象限选择电路两个控制信号T1和T2可以选择4个对应的象限，实现象限选择功能。两个控制信号T1和T2由后级FPGA软件控制电路提供。

3.3 DAC正余弦乘法器

DAC正余弦乘法器输入信号为象限选择电路的输出Vsin和Vcos，通过FPGA软件控制实现对Vsin和Vcos输出幅值的可编程化。DAC正余弦乘法器的原理图如图4所示。Vsin通过FPGA软件控制量Din1控制幅值增益因子A，将该幅值增益因子A与Vsin信号相乘，其输出电压变为A×Vsin，其中A的大小与FPGA软件控制量Din1相关；Vcos通过FPGA软件控制量Din2控制幅值增益因子B，将该幅值增益因子B与Vcos信号相乘，使其输出电压变为B×Vcos，其中B的大小与FPGA软件控制量Din2相关。

3.4 FPGA软件控制电路

FPGA软件控制电路主要实现对象限选择电路的控制和对DAC正余弦乘法器的幅值增益控制。FPGA软件控制电路的核心是通过选择合适的算法[4， 5]，在正余弦信号都存在时，选用尽可能低有效位的DAC正余弦乘法器，从而实现输出高精度的要求。当正余弦信号都存在时，由于正余弦信号的最小值和最大值并非是单调的，因此在FPGA软件控制实现对DAC正余弦乘法器的幅值增益控制时就可以将正余弦信号二者相比较，选择二者间最小的一个值为参考基准，如在-45度到45度之间选择正弦信号为基准信号，在45度到135度之间选择余弦信号为基准信号。这样就可以大大降低对DAC正余弦乘法器有效位的要求。FPGA软件控制电路的原理框图如图5所示，输入并行14位二进制码，输出T1和T2控制象限选择电路，输出Din1和Din2控制DAC正余弦乘法器的幅值增益因子A和B。

3.5 功率驱动电路

在FPGA软件控制电路的控制下，通过象限选择电路以及DAC正余弦乘法器的幅值增益控制，实现带有角度信号的A×Vsin正弦信号输出和B×Vcos余弦信号输出。为了满足该正余弦信号输出5 VA功率，专门设计功率驱动电路，图6所示为正弦信号输出的功率驱动电路原理图，输入A×Vsin正弦信号，输出Vsin1，输出功率为5 VA。在满足功率输出的同时，设计了过流保护和防反相电动势的反冲保护。在图6中，电阻R9和R10，二极管D6和D7组成了过流保护电路，二极管D8、D9组成了防反相电动势的反冲保护。B×Vcos余弦信号输出的功率驱动电路与A×Vsin正弦信号输出的相同，输入B×Vcos余弦信号，输出Vcos1，输出功率为5 VA。此外，为了保证在整个工作温度范围内输出电压的高精度，在放大倍数的电阻设计中选择使用精密电阻网络，图6中的R4与R5应选择温度系数为5 ppm/℃的高精密电阻。

3.6 SCOTT变换器

功率驱动电路输出的正余弦信号Vsin1和Vcos1是相互正交的两个信号，为了满足自整角机的三相输出，还需加入SCOTT变换器，SCOTT变换器有电子式和变压器式，由于SCOTT变换器的输入为5 VA的正余弦信号Vsin1和Vcos1，输出功率较大，而电子式SCOTT变换器转换效率太低，因此我们选择变压器式的SCOTT变换器，其原理图如图7所示。

4 结 语

本文通过从数字—自整角机转换器的原理设计到电路设计，实现将并行输入的14位TTL信号转换为三相交流自整角机模拟信号，输入的参考信号最高电压可以达到115 V，输出的自整角机信号最高电压可以达到90 V，同时具有5 VA的功率驱动能力，通过该数字—自整角机转换器的设计可以根据用户的不同要求来拓展系列产品。还可通过合适的FPGA软件控制来有效提高输出信号的转换精度。目前该系列产品的转换精度可达3 LSB，即为4'，目前市场上对应最高的转换精度为8'[6]。同时为保证驱动三相电机的可靠工作，特地在功率驱动电路的输出级设计了过流保护和防反相电动势的反冲保护。该数字—自整角机转换器具有转换精度高、跟踪速度快、可靠性好、适应能力强等优点，被广泛应用在航空、航天、兵器及自动控制的伺服系统和轴角控制系统中，市场前景广阔，经济效益可观。

参考文献

[1]徐大林，黄庆安.数字式自整角机/旋转变压器变换技术发展综述[J]. 微电机，2006，39（3）：81-85.

[2]于相斌，段凤阳，李旭.自整角机轴角测量模块的设计[J].传感器与微系统，2008，27（1）：76-78.

[3]徐大林，顾良圭，黄新吉.小型化高精度DRC/DSC模块开发研究[J].信息化研究，1999（7）：21-23.

[4] R Verret， S Thompson. Custom FPGA-Based Tests with COTS Hardware and Graphical Programming [J]. AUTOTESTCON， 2010 IEEE， 2010 ： 1-5.

[5]陈青，于劲松，刘浩，等.基于FPGA的自整角机信号模拟与测试[J].工业计量，2012，22（5）：1-3.

[6]连云港杰瑞电子有限公司产品数据手册—轴角分册[Z].2009.