CN101714821A

CN101714821A - 旋转变压器的励磁电源电路

Info

Publication number: CN101714821A
Application number: CN200910311792A
Authority: CN
Inventors: 介党阳; 倪风雷; 顾义坤; 党进; 张庆利; 郭闯强
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2029-12-18
Also published as: CN101714821B

Abstract

旋转变压器的励磁电源电路，属于驱动电源领域。它解决了现有旋转变压器励磁电源存在的电路复杂并且不能独立工作的问题。它由正弦振荡电路、幅值调整电路和功率放大电路组成，正弦振荡电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容CSEL1、电容CSEL2、第一运算放大器和第二运算放大器组成，幅值调整电路由电阻R6、电阻R7、电阻RSEL、电容C3和第三运算放大器组成，功率放大电路包括电阻R8和功率放大器，本电路产生的正弦励磁电源的频率通过选择电容CSEL1和电容CSEL2的容值调解，正弦励磁电源的幅值通过改变电阻RSEL的阻值进行调节。本发明用作旋转变压器的驱动电源。

Description

旋转变压器的励磁电源电路

技术领域

本发明涉及一种旋转变压器的励磁电源电路，属于驱动电源领域。

背景技术

旋转变压器因为具有超强的抗振、耐油、耐水及耐高低温的能力和较长的使用寿命，而被广泛地应用于军工产品、机器人、航空航天及矿业开采等行业中作为精密的角度测量器件。旋转变压器属于无源器件，它必须通过正弦的驱动电源对其进行励磁才能产生模拟的位置信息输出。因此正弦励磁电源的频率和幅值以及波形的失真度直接影响到旋转变压器的测量精度。

励磁电源的产生主要有三种方式：早期，采用传统的模拟无源器件搭建成一定频率的振荡电路，然后经过功率放大器产生正弦励磁电源，这种方式产生的励磁电源信号频率较低、波形失真度大、稳定度差，且受环境温度影响大，这使其应用范围受到限制；近期，一些国外厂商生产了旋转变压器专用的正弦励磁电源集成元件，如国外Micro Linear公司生产的ML2035系列芯片等，它将电压比较器、数模转换器和低通滤波器集成在一个芯片里面，虽然集成度较高，产生的正弦励磁电源的稳定度也有所提高，但温度范围只能保证在商业级水平，无法满足苛刻的军工及航天产品的使用要求；并且，由于所述系列芯片不能独立工作，需要与控制器如DSP等配合使用，频率的调节需要编程实现，这增加了额外的开发难度，同时它还需要占用系统资源，并且价格非常昂贵，这都不利于推广使用；目前，存在一种利用DSP通过采用SPWM技术和数字调制技术，产生数字的正弦信号，再经过模拟解调技术产生正弦励磁电源的方式，如中国专利《基于正弦脉冲宽度调制SPWM的旋转变压器激磁电路》，公开号为CN101567658，公开日为2009.10.28，就是采用此类激磁产生方式。这种方式产生的正弦激磁信号波形稳定度好，频率方便调整，然而需要占用微控制器的片上资源，并且输出波形的失真度与消耗的片上资源成正比，信号的模拟解调电路复杂，除了微控制器外，还至少需要一片运算放大器进行滤波处理和一片功率放大器进行功率放大，虽然与单片集成的正弦励磁模块相比成本有所降低，却严重依赖于微控制器的资源，需要通过编程的方法产生归一的正弦波形，增加了额外的人力成本，不具有普遍性。与此类似的方式还有通过FPGA可编程门阵列产生频率可调的方波信号，再经过滤波和功率放大产生正弦励磁信号，这种方法同样存在信号模拟解调处理电路复杂的缺点，并且正弦励磁电源的产生需要依赖于处理器而不能独立工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转变压器的励磁电源电路，它解决了现有旋转变压器励磁电源存在的电路复杂并且不能独立工作的问题。

本发明由正弦振荡电路、幅值调整电路和功率放大电路组成，正弦振荡电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容CSEL1、电容CSEL2、第一运算放大器和第二运算放大器组成，幅值调整电路由电阻R6、电阻R7、电阻RSEL、电容C3和第三运算放大器组成，功率放大电路包括电阻R8和功率放大器，

电阻R1的一端连接模拟地，电阻R1的另一端连接第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的反相输入端与输出端之间连接电阻R2，第一运算放大器的同相输入端连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接模拟地，电容CSEL1与电容C1并联，第一运算放大器的同相输入端与输出端之间连接电阻R3，第一运算放大器的输出端与第二运算放大器的反相输入端之间连接电阻R5，第二运算放大器的反相输入端与输出端之间连接电容C2，电容CSEL2与电容C2并联，第一运算放大器的同相输入端与第二运算放大器的输出端之间连接电阻R4，第二运算放大器的同相输入端连接模拟地；第二运算放大器的输出端与第三运算放大器的反相输入端之间串联有电阻RSEL、电阻R6和电容C3，第三运算放大器的反相输入端与输出端之间连接电阻R7，第三运算放大器的同相输出端连接模拟地；第三运算放大器的输出端连接功率放大器的同相输入端，功率放大器的反相输入端与输出端连接，功率放大器的输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端连接模拟地，功率放大器的输出端为所述励磁电源电路的输出端。

本发明的优点是：

本发明是一种高质量低成本的旋转变压器的励磁电源电路，它不必依赖于微控制器的控制，可独立工作，它由三个运算放大器及若干个阻容器件，构成了频率和幅值可调的正弦振荡电路和幅值调整电路，再由一片功率放大器实现功率放大，使输出的电源信号具有足够的驱动能力。本发明电路产生的正弦励磁电源的频率f可以通过选择电容CSEL1和电容CSEL2的容值进行调解，正弦励磁电源的幅值可以通过改变电阻RSEL的阻值进行调节。本发明电路具有电路简单，低成本，高可靠性，直流分量小，对温度变化不敏感，输出信号稳定性好，输出波形失真度低，正弦度好，且输出的信号频率及幅值方便调整等优点。

附图说明

图1是本发明用于旋转变压器时的工作原理示意图；图2是本发明电路结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式由正弦振荡电路1、幅值调整电路2和功率放大电路3组成，正弦振荡电路1由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容CSEL1、电容CSEL2、第一运算放大器11和第二运算放大器12组成，幅值调整电路2由电阻R6、电阻R7、电阻RSEL、电容C3和第三运算放大器21组成，功率放大电路3由电阻R8、电阻R9和功率放大器31组成，

电阻R1的一端连接模拟地，电阻R1的另一端连接第一运算放大器11的反相输入端，第一运算放大器11的反相输入端与输出端之间连接电阻R2，第一运算放大器11的同相输入端连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接模拟地，电容CSEL1与电容C1并联，第一运算放大器11的同相输入端与输出端之间连接电阻R3，第一运算放大器11的输出端与第二运算放大器12的反相输入端之间连接电阻R5，第二运算放大器12的反相输入端与输出端之间连接电容C2，电容CSEL2与电容C2并联，第一运算放大器11的同相输入端与第二运算放大器12的输出端之间连接电阻R4，第二运算放大器12的同相输入端连接模拟地；第二运算放大器12的输出端与第三运算放大器21的反相输入端之间串联有电阻RSEL、电阻R6和电容C3，第三运算放大器21的反相输入端与输出端之间连接电阻R7，第三运算放大器21的同相输出端连接模拟地；第三运算放大器21的输出端连接功率放大器31的同相输入端，功率放大器31的反相输入端与输出端连接，功率放大器31的输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端连接模拟地，功率放大器31的输出端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端为输出端。

本实施方式中第一运算放大器11、第二运算放大器12和第三运算放大器21可选用一片双电源供电的四路运算放大器实现，例如选用TEXAS INSTRUMENTS公司的TL074运算放大器或其替代芯片，功率放大器31可选用一片双电源供电的单路功率放大器实现，例如选用ANALOGDEVICES公司的AD842功率放大器或其替代芯片。所述的模拟地均为双电源参考模拟地。

所述正弦振荡电路1用于产生频率可调的正弦信号，经过幅值调整电路2后达到符合旋转变压器幅值频率要求的正弦信号，再通过功率放大电路3进行功率放大，使输出励磁电源的驱动能力满足旋转变压器的需要。

根据图2所示的连接方式，电阻R1和电阻R2构成了正弦振荡电路1的放大环节，放大倍数为(R1+R2)/R1；第一运算放大器11的输出端和第二运算放大器12的输出端分别通过电阻R3和电阻R4与第一运算放大器11的同相输入端连接，构成了正反馈网络；选频网络由电容C1、电容CSEL1、电容C2、电容CSEL2、电阻R3、电阻R4和电阻R5构成。励磁电路产生的正弦励磁电源信号的频率f与电容C1、电容CSEL1、电容C2、电容CSEL2、电阻R3、电阻R4和电阻R5之间的关系式为：

f = \sqrt{1 / ({2 π}^{2} \cdot {C 1}^{*} \cdot {C 2}^{*} \cdot RC \cdot R 5)},

其中C1^*为电容C1和电容CSEL1并联后的等效容值，C2^*为电容C2和电容CSEL2并联后的等效容值，取C1^*＝C2^*＝CS^*，则

f = \frac{1}{π {CS}^{*}} \sqrt{\frac{1}{2 R 5 \cdot RC}},

CS^*的选取与正弦信号的起振时间有关，CS^*越大，起振的时间就越长。电阻RSEL、电阻R6和电阻R7用来调节输出正弦励磁信号的幅值，电容C3起到隔离直流分量的作用。

为方便使用，本发明电路参数可作如下选取：

表1：

器件	值	器件	值
器件	值	器件	值	电阻R1	7.5kΩ	电阻R7	30kΩ
电阻R2	9.1kΩ	电阻R8	1kΩ	电阻R1	7.5kΩ	电阻R7	30kΩ
电阻R2	9.1kΩ	电阻R8	1kΩ	电阻R3	86.6kΩ	电容C1	100pf
电阻R4	86.6kΩ	电容C2	100pf	电阻R3	86.6kΩ	电容C1	100pf

器件	值	器件	值
器件	值	器件	值	电阻R5	107kΩ	电容C3	2.2uf
电阻R6	30kΩ			电阻R5	107kΩ	电容C3	2.2uf

按照表1选取的器件阻容值，由于选取容值使C1＝C2，又C1^*＝C2^*，因此CSEL1＝CSEL2＝CSEL。利用表1提供的元器件的阻容值，可以得到本发明电路输出正弦励磁电源的频率与CSEL的关系表达式为：

CSEL = \frac{2,340,000}{f} - 100,

其中f的单位为Hz，CSEL的单位为pF。实际应用时，先根据使用的旋转变压器型号要求，选择合适的正弦励磁电源的频率，频率确定后，就可以利用频率与CSEL的关系式求出电容CSEL1和电容CSEL2的容值。本发明稳定工作时的可调频率范围为0.4kHz至20kHz，因此电容CSEL1和电容CSEL2的可选范围为17pF至5.75nF。

图2中输出的电压VS为正弦振荡电路1产生的正弦电压幅值，其大小与输出的励磁电源的励磁频率有关系。在运算放大器和功率放大器31选择为正负15V双电源供电情况下，VS的有效值与输出的振荡频率存在非线性关系。为方便使用，表2给出了本发明电路输出的振荡频率在三个典型值0.4kHz、10kHz和20kHz时对应的VS的有效值。选择输出频率在0.4kHz至10kHz之间或在10kHz至20kHz之间时，可以对表2中给出的典型频率下VS的有效值进行线性插值来获取相应频率的VS有效值。

表2：

选择的正弦励磁信号频率f	VS的有效值
选择的正弦励磁信号频率f	VS的有效值	0.4kHz	7.1V
10kHz	7.5V	0.4kHz	7.1V
10kHz	7.5V	20kHz	8.8V

VS的有效值与用户使用的旋转变压器要求的幅值有效值大小不同，需要利用图2中幅值调整电路2对VS的幅值进行调整。本发明电路输出端输出的电压VOUT的有效值与电阻RSEL的关系式为：RSEL＝30[(VS/VOUT)-1]，其中，RSEL的单位是kΩ，VS根据所选择的输出频率由表2插值得到，VOUT为期望输出的正弦励磁信号的有效值，VOUT的范围可以通过改变电阻RSEL的阻值大小在0V至7V的范围内调整。

图2中功率放大电路3输出的VOUT为正弦励磁电路经过功率放大器31后输出的励磁电源，可以直接驱动旋转变压器。在使用时，可以根据具体的旋转变压器对驱动电流的要求，选择合适的功率放大器。如可以选择价格低廉的AD842功率放大器，可使输出励磁信号的驱动能力达到100mA以上，能够满足多数情况下旋转变压器的驱动需求。电阻R8为平衡电阻，其作用是使静态时同相输入端和反相输入端对地电阻相等。

本发明的正弦励磁电源电路的指标如下：

频率范围：0.4kHz至20kHz，只需调整电容CSEL1和电容CSEL2的容值即可调整频率；幅值有效值范围：0V至7V，只需调整电阻RSEL的阻值就可以实现对输出的正弦励磁信号的幅值的调整；驱动能力：驱动能力可以达到100mA以上。

本发明与现有技术相比具有以下优点：电路结构简单；使用器件种类和数量少，成本低廉；电路可以独立工作，激磁信号的频率和幅值方便调整；波形稳定性好，失真度低，直流分量小，受温度变化影响小，可以满足军工或航空航天恶劣环境条件下的需要。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述功率放大电路3还包括电阻R9，电阻R9的一端连接功率放大器31的输出端，电阻R9的另一端为所述励磁电源电路的输出端。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

电阻R9连接在功率放大器31的输出端，阻值可在几十欧姆的范围内选取，主要起到匹配线路阻抗的作用，使产生的正弦励磁信号在长距离传输过程中不会因阻抗不匹配产生串扰或信号反射现象。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于所述电容均采用陶瓷无极电容。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。

陶瓷无极电容的容值选择范围广，同时价格低廉，在有利于选频的同时降低了电路成本。

Claims

1.一种旋转变压器的励磁电源电路，其特征在于：它由正弦振荡电路(1)、幅值调整电路(2)和功率放大电路(3)组成，正弦振荡电路(1)由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、电容CSEL1、电容CSEL2、第一运算放大器(11)和第二运算放大器(12)组成，幅值调整电路(2)由电阻R6、电阻R7、电阻RSEL、电容C3和第三运算放大器(21)组成，功率放大电路(3)包括电阻R8和功率放大器(31)，

电阻R1的一端连接模拟地，电阻R1的另一端连接第一运算放大器(11)的反相输入端，第一运算放大器(11)的反相输入端与输出端之间连接电阻R2，第一运算放大器(11)的同相输入端连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接模拟地，电容CSEL1与电容C1并联，第一运算放大器(11)的同相输入端与输出端之间连接电阻R3，第一运算放大器(11)的输出端与第二运算放大器(12)的反相输入端之间连接电阻R5，第二运算放大器(12)的反相输入端与输出端之间连接电容C2，电容CSEL2与电容C2并联，第一运算放大器(11)的同相输入端与第二运算放大器(12)的输出端之间连接电阻R4，第二运算放大器(12)的同相输入端连接模拟地；第二运算放大器(12)的输出端与第三运算放大器(21)的反相输入端之间串联有电阻RSEL、电阻R6和电容C3，第三运算放大器(21)的反相输入端与输出端之间连接电阻R7，第三运算放大器(21)的同相输出端连接模拟地；第三运算放大器(21)的输出端连接功率放大器(31)的同相输入端，功率放大器(31)的反相输入端与输出端连接，功率放大器(31)的输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端连接模拟地，功率放大器(31)的输出端为所述励磁电源电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的旋转变压器的励磁电源电路，其特征在于：所述功率放大电路(3)还包括电阻R9，电阻R9的一端连接功率放大器(31)的输出端，电阻R9的另一端为所述励磁电源电路的输出端。

3.根据权利要求1或2所述的旋转变压器的励磁电源电路，其特征在于：所述电容均采用陶瓷无极电容。