摘 要: 簡介了數字/旋轉變壓器轉換模塊的基本原理及其外圍電路的設計方法。該模塊可用于伺服機構、位置控制和檢測系統中的旋轉變壓器信號給定,稍加改動也可用于自整角機信號給定。
關鍵詞: 旋轉變壓器 自整角機 計算機接口
《電子技術應用》1999年第4期刊出的“旋轉變壓器/數字轉換模塊及其ISA接口電路的設計”一文介紹了將旋轉變壓器信號轉換為數字信號的原理及其電路的設計方法。在實際應用中,除了需要將旋轉變壓器信號轉換為數字信號外,還經常需要將數字信號轉換為旋轉變壓器信號。如在計算機控制和測試過程中,均需要由計算機輸出旋轉變壓器信號。本文介紹數字/旋轉變壓器轉換模塊的原理與電路設計方法。
1 數字/旋轉變壓器轉換模塊概述
中國船舶工業總公司第七研究院第七一六研究所生產的SXZ系列數字/旋轉變壓器轉換模塊是一種全電子的旋轉變壓器模擬裝置,也叫固態旋轉變壓器,其功能是將輸入數字全角量轉換成旋轉變壓器信號。該模塊是計算機與控制系統之間的理想接口電路,可用于伺服機構、位置控制、火控系統、模擬器和工業控制中。
2 數字/旋轉變壓器轉換模塊基本工作原理
數字/旋轉變壓器轉換模塊的原理框圖如圖1所示。轉換模塊主要由參考變壓器、鎖存器、正弦乘法器、余弦乘法器、象限選擇開關、功率放大器和輸出變壓器等幾部分組成。
當數據總線上是代表角度的數字量時,控制脈沖的低電平將這些數字量鎖存起來。若數字量為14位二進制數,則“ENM”對應高8位,“ENL”對應低6位。數字旋轉變壓器先將角度信息經數/模轉換變為直流模擬信號,再按平面坐標進行分解,分解方法如圖2所示。設輸入數字量和轉換后得到的模擬量所代表的角度為α(以Y軸正向為0°,順時針增大),以坐標原點為起點,沿α方向取單位長度線段,將該線段向兩坐標軸投影,則X軸和Y軸上的投影分別為sinα和cosα。分解后的兩個直流模擬量經過交流乘法器后,變為交流信號。
交流參考信號接在參考輸入端,經變壓器降壓后送到數字旋轉變壓器中。交流參考信號與sinα和cosα兩個直流信號相乘后,就得到兩路交流輸出信號。這兩路交流輸出信號的幅值分別隨兩個直流信號的變化而變化,頻率與交流參考信號相同。兩路交流信號分別送到中心線相互垂直的兩線圈中,則在兩線圈中形成交變磁場,兩個交流磁場的向量的大小和方向,分別由sinα和cosα的大小和正負決定,如圖3所示。這兩個交流磁場合成后,所得合成磁場的向量方向,正好沿cosα信號軸正方向順時針轉過α角。由此可見,輸出的兩路交流信號在空間合成磁場的向量方向,就是輸入數字量所代表的角度值。這樣,數字旋轉變壓器就把代表角度的數字量轉換成了兩路(正弦和余弦)交流模擬信號,其合成交變磁場的方向就代表這個輸入的角度值。
3 模塊主要技術指標
該系列模塊有多個型號,下面是14SXZ1413的主要性能指標:
輸入代碼 14位
輸出精度 ±4分
分辨率 1.3分
負載能力 1.3VA
參考電壓 36V/400Hz
輸出電壓 11.8V/400Hz
4 模塊輸出電路設計
模塊共有6個模擬信號接線端子,其中,RH和RL接交流參考信號,S1、S2、S3和S4接旋轉變壓器。
為改善轉換器負載,提高其負載能力,應在接收機的輸入端并聯調諧電容,如圖4所示。其目的是使并聯電容與接收機感性負載產生并聯諧振,使轉換器的有功功率輸出最大,以減小對轉換器的輸出功率要求。調諧電容容值的確定方法有如下兩種:
第一種為實驗確定法。將圖4中的電容器改為可變電容器,輸入端(如S1端)串一個交流毫安表,在S1和S3之間加入額定激磁電壓(如36V/400Hz)。調整可變電容容值,使毫安表的讀數最小,此時的電容值,即為調諧電容值。
第二種為理論計算法。驅動控制式變壓器所需最小功率可表示為:
因此,調諧電容起到了改善負載特性、提高轉換器的負載能力的作用。
幾點說明:(1)調諧電容應選用一級精度產品(±5%),盡量使幾個調諧電容容值相等;(2)調諧電容的耐壓應大于300V,以免造成擊穿;(3)當轉換器與負載斷開時,應同時將調諧電容與轉換器斷開,以免造成轉換器的損壞。(4)調諧電容只適用于無源負載。
5 模塊輸入電路設計
模塊的輸入信號為并行自然二進制碼,“1”腳對應180度,“2”腳對應90度,“3”腳對應45度,余類推。
由于輸入信號是數字量,故可以用多種方法來給定,如單片機的輸出口、I/O板的輸出口等。為減小干擾,模塊電路與計算機之間應采用光電隔離。在實際應用中,筆者還發現,若直接將光隔離片輸出端與模塊輸入端相連,則模塊發熱量較大,若中間增加一個非門,則發熱量小得多。該現象對“旋轉變壓器/數字”轉換模塊尤為明顯。
控制線上的邏輯“高”電平使輸入實現透明,轉換器的輸出將跟隨數字輸入量變化。當“ENM”、“ENL”同時為低電平,則轉換器的輸出將被鎖存為下降沿時刻的輸入數據,并保持不變,直到“ENM”、“ENL”又置為高電平。如果不需要鎖存器,“ENM”、“ENL”外接27kΩ上拉電阻到+5V即可。
參考文獻
1 SXZ系列數字/旋轉變壓器轉換模塊使用說明書.中國船舶工業總公司第716所