CN103714956A - 具有冗余信息采集功能的旋转变压器系统 - Google Patents
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Abstract
具有冗余信息采集功能的旋转变压器系统，属于旋转变压器系统技术领域。本发明为了解决旋转变压器的冗余设计中采用两套完全相同的励磁绕组和输出绕组，增加了旋转变压器的体积和重量的问题。它包括主信息采集控制单元、备份信息采集控制单元和旋转变压器，主信息采集控制单元由主控制器、主模数转换器、第一主差分运算放大器、第二主差分运算放大器和主励磁电路组成，备份信息采集控制单元由备份控制器、备份模数转换器、第一备份差分运算放大器、第二备份差分运算放大器和备份励磁电路组成，旋转变压器包括正弦输出绕组、余弦输出绕组、主励磁绕组和备份励磁绕组。本发明作为一种旋转变压器系统。
Description
技术领域
本发明涉及具有冗余信息采集功能的旋转变压器系统，属于旋转变压器系统技术领域。
背景技术
旋转变压器是基于电磁感应原理工作的一类角位传感电机，一般由定子和转子两部分组成，通常设计有励磁输入绕组和感应输出绕组，当在其励磁输入绕组上施加一定交流电压时，在输出绕组上会产生与转子转动位置成一定函数关系的输出电压，其中应用最多的是输出电压和转子转角成正弦和余弦函数关系。旋转变压器以其可靠性高、精度高等优点，在空间飞行器和空间机器人等领域得到了广泛应用。
随着对设备可靠性要求的提高，系统常常采用冗余设计技术，即在系统的关键环节采用两套或两套以上的功能相同的元件，当某一套元件出现故障时，备份元件仍能保证系统正常工作。例如，在空间机器人关节系统设计时，每个关节的机械本体对应设计了两套相同的电气部件及其控制系统，每套控制系统都能够独立完成机器人关节运动控制的所有工作。为了和冗余的控制系统相配套，旋转变压器作为关节位置的检测元件也需要进行冗余设计，于是出现了冗余旋转变压器，即在旋转变压器内部设计两套完全相同的励磁绕组和输出绕组，每套绕组分别对应一套关节控制器。然而，两套独立绕组的应用增加了旋转变压器的体积和重量，造成相应的机器人关节也需要更大的体积来安装旋转变压器，这样对于整个空间机器人系统来说，要应对体积和重量的增加，需要付出的代价是巨大的。
发明内容
本发明目的是为了解决旋转变压器的冗余设计中采用两套完全相同的励磁绕组和输出绕组，增加了旋转变压器的体积和重量的问题，提供了一种具有冗余信息采集功能的旋转变压器系统。
本发明所述具有冗余信息采集功能的旋转变压器系统，它包括主信息采集控制单元、备份信息采集控制单元和旋转变压器，
主信息采集控制单元由主控制器、主模数转换器、第一主差分运算放大器、第二主差分运算放大器和主励磁电路组成，
备份信息采集控制单元由备份控制器、备份模数转换器、第一备份差分运算放大器、第二备份差分运算放大器和备份励磁电路组成，
旋转变压器包括正弦输出绕组、余弦输出绕组、主励磁绕组和备份励磁绕组，正弦输出绕组在主励磁绕组或备份励磁绕组的激励下产生幅值与变压器转子位置成正弦关系的交变信号，余弦输出绕组在主励磁绕组或备份励磁绕组的激励下产生幅值与变压器转子位置成余弦关系的交变信号；
主励磁电路输出正弦励磁信号给主励磁绕组作为激励信号，同时将正弦励磁信号传输给主模数转换器作为载波信号，
第一主差分运算放大器用于采集余弦输出绕组输出的与变压器转子位置成余弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；第二主差分运算放大器用于采集正弦输出绕组输出的与变压器转子位置成正弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；
主模数转换器用于根据接收的所述载波信号将第一主差分运算放大器和第二主差分运算放大器输出的以地线为参考电压的正弦信号转换为相应的数字位置信号，
主控制器用于对主模数转换器输出的数字位置信号进行处理，获得旋转变压器反馈的位置信息；
备份励磁电路输出正弦励磁信号给备份励磁绕组作为激励信号，同时将正弦励磁信号传输给备份模数转换器作为载波信号，
第一备份差分运算放大器用于采集余弦输出绕组输出的与变压器转子位置成余弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；第二备份差分运算放大器用于采集正弦输出绕组输出的与变压器转子位置成正弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；
备份模数转换器用于根据接收的所述载波信号将第一备份差分运算放大器和第二备份差分运算放大器输出的以地线为参考电压的正弦信号转换为相应的数字位置信号，
备份控制器用于对备份模数转换器输出的数字位置信号进行处理，获得旋转变压器反馈的位置信息。
主励磁绕组和备份励磁绕组的电气参数相同。
本发明的优点：旋转变压器作为一种传感元件，需要励磁电路和信号采集电路配合工作，励磁电路和信号采集电路都是由多个元器件组成的，从可靠性角度来分析，旋转变压器的绕组是否冗余，不是制约整个系统可靠性的关键环节，信号采集电路的冗余才是整个系统可靠性的关键。因此本发明将励磁电路和信息采集电路采用冗余设计，旋转变压器励磁绕组采用冗余设计，在系统级的可靠性与体积和重量之间形成一种平衡。它通过一套正余弦输出绕组对应两套信息采集控制单元，并通过差分运算放大器与模数转换器连接，解决了一套输出绕组对应两套电子电路之间会产生的相互影响。旋转变压器的两套励磁绕组分别与主励磁电路和备份励磁电路对应连接，旋转变压器的同一套正弦输出绕组和余弦输出绕组同时提供给两套信息采集控制单元位置信号。本发明在对旋转变压器系统整体可靠性影响较小的条件下，实现了冗余设计，并大幅度降低了旋转变压器系统的体积和重量。
附图说明
图1是本发明所述具有冗余信息采集功能的旋转变压器系统的原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述具有冗余信息采集功能的旋转变压器系统，它包括主信息采集控制单元1、备份信息采集控制单元2和旋转变压器3，
主信息采集控制单元1由主控制器1-1、主模数转换器1-2、第一主差分运算放大器1-3、第二主差分运算放大器1-4和主励磁电路1-5组成，
备份信息采集控制单元2由备份控制器2-1、备份模数转换器2-2、第一备份差分运算放大器2-3、第二备份差分运算放大器2-4和备份励磁电路2-5组成，
旋转变压器3包括正弦输出绕组3-1、余弦输出绕组3-2、主励磁绕组3-3和备份励磁绕组3-4，正弦输出绕组3-1在主励磁绕组3-3或备份励磁绕组3-4的激励下产生幅值与变压器转子位置成正弦关系的交变信号，余弦输出绕组3-2在主励磁绕组3-3或备份励磁绕组3-4的激励下产生幅值与变压器转子位置成余弦关系的交变信号；
主励磁电路1-5输出正弦励磁信号给主励磁绕组3-3作为激励信号，同时将正弦励磁信号传输给主模数转换器1-2作为载波信号，
第一主差分运算放大器1-3用于采集余弦输出绕组3-2输出的与变压器转子位置成余弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；第二主差分运算放大器1-4用于采集正弦输出绕组3-1输出的与变压器转子位置成正弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；
主模数转换器1-2用于根据接收的所述载波信号将第一主差分运算放大器1-3和第二主差分运算放大器1-4输出的以地线为参考电压的正弦信号转换为相应的数字位置信号，
主控制器1-1用于对主模数转换器1-2输出的数字位置信号进行处理，获得旋转变压器3反馈的位置信息；
备份励磁电路2-5输出正弦励磁信号给备份励磁绕组3-4作为激励信号，同时将正弦励磁信号传输给备份模数转换器2-2作为载波信号，
第一备份差分运算放大器2-3用于采集余弦输出绕组3-2输出的与变压器转子位置成余弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；第二备份差分运算放大器2-4用于采集正弦输出绕组3-1输出的与变压器转子位置成正弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；
备份模数转换器2-2用于根据接收的所述载波信号将第一备份差分运算放大器2-3和第二备份差分运算放大器2-4输出的以地线为参考电压的正弦信号转换为相应的数字位置信号，
备份控制器2-1用于对备份模数转换器2-2输出的数字位置信号进行处理，获得旋转变压器3反馈的位置信息。
本实施方式中，所有差分运算放大器具有在不供电的条件下能够承受输入信号最高电压的能力，差分运算放大器的应用消除了旋转变压器输出信号对不工作电路的影响；主信息采集控制单元1和备份信息采集控制单元2的结构相同，在使用中，二者不会同时工作，即正常情况下，备份信息采集控制单元2处于非工作状态，对应的备份励磁绕组3-4也处于不通电状态，只有当主信息采集控制单元1出现故障的情况下，才采用备份信息采集控制单元2进行信息的采集与处理。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述主励磁绕组3-3和备份励磁绕组3-4的电气参数相同。
本实施方式中，主励磁绕组3-3和备份励磁绕组3-4相互独立，处于交替工作状态。
Claims (2)
1.一种具有冗余信息采集功能的旋转变压器系统，其特征在于，它包括主信息采集控制单元（1）、备份信息采集控制单元（2）和旋转变压器（3），
主信息采集控制单元（1）由主控制器（1-1）、主模数转换器（1-2）、第一主差分运算放大器（1-3）、第二主差分运算放大器（1-4）和主励磁电路（1-5）组成，
备份信息采集控制单元（2）由备份控制器（2-1）、备份模数转换器（2-2）、第一备份差分运算放大器（2-3）、第二备份差分运算放大器（2-4）和备份励磁电路（2-5）组成，
旋转变压器（3）包括正弦输出绕组（3-1）、余弦输出绕组（3-2）、主励磁绕组（3-3）和备份励磁绕组（3-4），正弦输出绕组（3-1）在主励磁绕组（3-3）或备份励磁绕组（3-4）的激励下产生幅值与变压器转子位置成正弦关系的交变信号，余弦输出绕组（3-2）在主励磁绕组（3-3）或备份励磁绕组（3-4）的激励下产生幅值与变压器转子位置成余弦关系的交变信号；
主励磁电路（1-5）输出正弦励磁信号给主励磁绕组（3-3）作为激励信号，同时将正弦励磁信号传输给主模数转换器（1-2）作为载波信号，
第一主差分运算放大器（1-3）用于采集余弦输出绕组（3-2）输出的与变压器转子位置成余弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；第二主差分运算放大器（1-4）用于采集正弦输出绕组（3-1）输出的与变压器转子位置成正弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；
主模数转换器（1-2）用于根据接收的所述载波信号将第一主差分运算放大器（1-3）和第二主差分运算放大器（1-4）输出的以地线为参考电压的正弦信号转换为相应的数字位置信号，
主控制器（1-1）用于对主模数转换器（1-2）输出的数字位置信号进行处理，获得旋转变压器（3）反馈的位置信息；
备份励磁电路（2-5）输出正弦励磁信号给备份励磁绕组（3-4）作为激励信号，同时将正弦励磁信号传输给备份模数转换器（2-2）作为载波信号，
第一备份差分运算放大器（2-3）用于采集余弦输出绕组（3-2）输出的与变压器转子位置成余弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；第二备份差分运算放大器（2-4）用于采集正弦输出绕组（3-1）输出的与变压器转子位置成正弦关系的交变信号，并将该交变信号转换为以地线为参考电压的正弦信号；
备份模数转换器（2-2）用于根据接收的所述载波信号将第一备份差分运算放大器（2-3）和第二备份差分运算放大器（2-4）输出的以地线为参考电压的正弦信号转换为相应的数字位置信号，
备份控制器（2-1）用于对备份模数转换器（2-2）输出的数字位置信号进行处理，获得旋转变压器（3）反馈的位置信息。
2.根据权利要求1所述的具有冗余信息采集功能的旋转变压器系统，其特征在于，主励磁绕组（3-3）和备份励磁绕组（3-4）的电气参数相同。
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