CN103776366B - 一种正余弦旋转变压器的励磁与解算一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正余弦旋转变压器的励磁与解算一体化装置，ARM处理器输出方波接隔离电路，隔离电路输出接滤波电路，滤波电路输出接压控恒流源，压控恒流源输出经过放大的正/余弦交流信号作为励磁信号接入旋转变压器的原边驱动旋转变压器工作，使得旋转变压器的副边输出可用于测量轴角的交流电压信号；旋转变压器副边首端接A/D转换芯片，A/D转换芯片的数据总线、片选线、控制线与ARM处理器连接，ARM处理器控制A/D转换芯片对旋转变压器副边信号进行采样和模数转换，并根据转换值实施轴角解算，解算结果通过通讯端口发送到用户端。本发明成本低、体积小、集成度高、功耗低、可维修性强且适应性较高。
Description
技术领域
本发明涉及旋转变压器的励磁与解算装置，具体指一种正余弦旋转变压器的励磁与解算一体化装置，适用于基于旋变的轴角测量系统，属于旋变应用技术领域。
背景技术
正余弦旋转变压器（简称旋变）作为精密测角工具，长期以来大量运用到现代工业体系和国防体系之内。当前，使用旋变的场合大都采用“定制励磁模块做驱动、专用信号处理模块做解算”的模式构建轴角测量装置。这种多模块构建的方案优点在于设计方便、开发周期短，缺点是整体成本较高、硬件结构复杂，而且工程实践也反映专用模块适应性较差。例如专用模块分为单通道双极旋变解算和双通道多极旋变解算两类，互不兼容；尤其是多极旋变解算模块对旋变电气特性有较高要求，使得基于专用模块设计的测角装置适应性变差，成本增加。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种低成本、体积小、集成度高、功耗低且适应性较高的正余弦旋转变压器的励磁与解算一体化装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种正余弦旋转变压器的励磁与解算一体化装置，包括ARM处理器、隔离电路、滤波电路、压控恒流源、A/D转换电路；所述ARM处理器产生预设频率的TTL电平方波信号进入隔离电路，通过隔离电路后转换为模拟电平的方波并进入滤波电路，经滤波电路处理后得到峰峰值确定的正/余弦交流信号，正/余弦交流信号进入压控恒流源进行处理，压控恒流源输出经过放大的正/余弦交流信号作为励磁信号接入旋转变压器的原边驱动旋转变压器工作，使得旋转变压器的副边输出可用于测量轴角的交流电压信号；旋转变压器的副边尾端接入装置的电源地、首端接A/D转换芯片，A/D转换芯片的数据总线、片选线、控制线与ARM处理器IO端口连接，ARM处理器控制A/D转换芯片对旋转变压器副边信号进行采样和模数转换，并根据转换值实施轴角解算，解算结果通过通讯端口发送到用户端。
为保护A/D转换芯片、使之与旋变副边线圈隔离、提高抗干扰性能，在旋转变压器的副边首端与A/D转换芯片之间设有信号调理电路，旋转变压器的副边首端通过信号调理电路与A/D转换芯片连接；A/D转换芯片输入通道与地线之间接入瓷介电容。
本发明由ARM处理器产生预设定频率的TTL电平方波信号，方波信号依次经过隔离电路、滤波电路、压控恒流源后，最终输出低杂波、具有较强负载能力、较稳定电流的正(余)弦波励磁信号，该信号进入旋变的原边驱动旋变工作，使得旋变副边输出可用于测量轴角交流电压信号。旋变的各个副边输出通道首端接入A/D转换芯片，ARM处理器控制A/D转换芯片进行旋变信号采样，并根据采样信号进行轴角解算，解算结果通过通讯端口发送到用户端。
相比现有技术，本发明具有以下优点：
1)适应性强、可塑性强。
本发明仅需在PCB板上设置跳线，即可分别实现对双通道多极正余弦旋变进行驱动和解算以及对单通道双极正余弦旋变进行驱动和解算；通过单片机软件在采样、解算过程中能够自动滤除杂波信号，具有较强抗干扰性能，对旋变特性要求很低，工程中无需对旋变进行专门筛选；为适应不同的旋变，则通过PCB上设置跳线，可得到不同频率的励磁(400Hz、800Hz、1.6kHz、16kHz等)，无需改变电路设计结构，仅需调节励磁电路中电阻电容的参数即可得到合适的励磁信号。
2)可剪裁、移植性强、数字输出。
本发明在工程运用中针对ARM处理器与A/D转换芯片的搭配设计有两种具体方案：
方案一：采用一片LM3S9B95处理器和4片AD7656芯片实现最多24个A/D转换通道，可完成6轴双通道多极旋变测角或12轴单通道双极旋变测角；
方案二：采用一片STM32F405/415/407/417处理器和4片AD7606实现最多32个A/D转换通道，可完成8轴双通道多极旋变测角或16轴单通道双极旋变测角；由于STM32F4系列处理器运算处理能力相当突出，后续的工程运用中可以将A/D转换通道扩展到64甚至96个，实现完成更多轴的旋变测角功能。
针对轴数较少的旋变测角场合，一体化装置可以根据实际需要裁减A/D转换芯片及其外围元件，更改ARM处理器软件和通讯协议、以满足不同用户的需求。
3)低成本、体积小、集成度高、功耗低、可维修性强。
本发明除通讯接口以外，所有元件均采用表贴元件，PCB板采用双面布线，励磁电路、采样解算电路、通讯电路集成到一张PCB板上，电子线路设计结构简洁、电子元件数量较少、整体功耗低、维修方便；所使用的ARM处理器、隔离芯片、A/D转换芯片、压控恒流源芯片、运算放大器芯片都是业界大量运用、有较多使用经验、兼容型号较多的通用元件，供货充足、批量采购价格较低。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
参见图1，本发明正余弦旋转变压器的励磁与解算一体化装置，包括ARM处理器，所述ARM处理器的一路输出依次通过隔离电路、滤波电路与压控恒流源连接，ARM处理器产生预设频率的TTL电平方波信号进入隔离电路，通过隔离电路后转换为模拟电平的方波并进入滤波电路，经滤波电路处理后得到峰峰值确定的正/余弦交流信号，正/余弦交流信号进入压控恒流源进行处理，压控恒流源输出经过放大的正/余弦交流信号作为励磁信号接入旋转变压器的原边驱动旋转变压器工作，使得旋转变压器的副边输出可用于测量轴角的交流电压信号；旋转变压器的副边尾端接入装置的电源地、首端接入A/D转换芯片，A/D转换芯片的数据总线、片选线、控制线与ARM处理器IO端口连接，ARM处理器控制A/D转换芯片对旋转变压器副边信号进行采样和模数转换，并根据转换值实施轴角解算，解算结果通过通讯端口发送到用户端。
为保护A/D转换芯片、使之与旋变副边线圈隔离、提高抗干扰性能，在旋转变压器的副边首端与A/D转换芯片之间设有信号调理电路，旋转变压器的副边首端通过信号调理电路与A/D转换芯片连接；A/D转换芯片输入通道与地线之间接入瓷介电容。
本发明工作原理：由ARM处理器产生预设定频率的TTL电平方波信号，方波信号通过电气隔离元件后转换为5V模拟电平的方波并进入滤波电路，经滤波电路处理后得到峰峰值为5V的正(余)弦波信号，正(余)弦波信号进入压控恒流源，经过放大之后，最终得到弱杂波、较低直流分量、具有较强负载能力、较稳定电流输出的正(余)弦波信号，该信号即可作为旋变的原边输入励磁信号。旋变的各个副边输出通道按照“尾端共同接地、首端接入A/D转换芯片”的方式与装置连接，旋变信号的采样、解算过程则由ARM处理器控制A/D转换芯片共同完成。工程中为保护A/D转换芯片、使之与旋变副边线圈隔离、提高抗干扰性能，旋变副边首端与A/D转换芯片之间接入信号调理电路，A/D转换芯片输入通道与地线之间接入瓷介电容。
所述ARM处理器为一块LM3S9B95型单片机，该单片机输出一路TTL方波、16个I/O口作为数据线、若干个I/O口作为片选线和控制线与A/D芯片相应引脚连接，单片机按照A/D芯片的特定时序控制其运行，实现A/D转换工作，并根据采样结果进行轴角解算，解算结果由单片机内置通讯设备按设定的通讯协议发送到用户端。实际工程中，需要更多轴数、更高速的解算，ARM处理器改用STM32F4系列单片机。
所述A/D转换芯片为AD7656型芯片，该芯片兼容ADS8556型芯片；具有6个模拟信号转换通道，旋变副边输出信号经过调理电路后进入A/D芯片的转换通道。实际工程中，需要小体积和更多轴数的采样，A/D芯片改用同样转换速度、8个转换通道的AD7606型芯片。
所述压控恒流源为OPA544型芯片，该芯片具有一个通道的压控恒流输出通道，OPA2544型芯片是该芯片的双通道扩展型。实际工程中，有需要使用两个或多个压控恒流元的场合，改用OPA2544型芯片。
所述滤波电路和信号调理电路采用电阻、电容、低噪声低偏移的双通道运算放大器芯片AD706构成，AD706的兼容型号和扩展型号较多，例如ADI公司的通用运放系列、TI公司的OP/OPA通用运放系列等。工程中，根据实际需要选用合适的运算放大器芯片。
所述通讯接口电路分为RS232/422通讯和CAN通讯。RS232/422通讯部分由转换芯片MAX3232/MAX3491和隔离芯片ADU1201构建；CAN通讯部分由转换芯片TJA1050和隔离芯片ADU1201构建。MAX3232有兼容型号MAX232、SP3232等，MAX3491有同功能型号MAX3074、MAX1480等，TJA1050有兼容型号SM1050。工程中，根据实际需要选用合适的芯片。
本发明适用于基于旋变的轴角测量系统，广泛运用于精密仪器、机器人、数控机床等加工制造行业，同时也适用于航空、航天、航海、兵器等国防军工领域。本发明的主要优点在于：1)模块化、集成度高；2)用户端电气接线的拓补结构简洁；3)可驱动多个旋变，可根据实际需要进行裁剪(12个单通道双极旋变或者6个双通道多极旋变)；4)成本低、可靠性高、环境适应性强、数字化输出。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (3)
1.一种正余弦旋转变压器的励磁与解算一体化装置，其特征在于：包括ARM处理器、隔离电路、滤波电路、压控恒流源、A/D转换电路；所述ARM处理器产生预设频率的TTL电平方波信号进入隔离电路，通过隔离电路后转换为模拟电平的方波并进入滤波电路，经滤波电路处理后得到峰峰值确定的正/余弦交流信号，正/余弦交流信号进入压控恒流源进行处理，压控恒流源输出经过放大的正/余弦交流信号作为励磁信号接入旋转变压器的原边驱动旋转变压器工作，使得旋转变压器的副边输出可用于测量轴角的交流电压信号；旋转变压器的副边尾端接入装置的电源地、首端接A/D转换芯片，A/D转换芯片的数据总线、片选线、控制线与ARM处理器IO端口连接，ARM处理器控制A/D转换芯片对旋转变压器副边信号进行采样和模数转换，并根据转换值实施轴角解算，解算结果通过通讯端口发送到用户端；
所述ARM处理器为一块LM3S9B95型单片机，该单片机输出一路TTL方波、16个I/O口作为数据线、若干个I/O口作为片选线和控制线与A/D转换芯片相应引脚连接，单片机按照A/D转换芯片的特定时序控制其运行，实现A/D转换芯片转换工作，并根据采样结果进行轴角解算，解算结果由单片机内置通讯设备按设定的通讯协议发送到用户端。
2.根据权利要求1所述的一种正余弦旋转变压器的励磁与解算一体化装置，其特征在于：在旋转变压器的副边首端与A/D转换芯片之间设有信号调理电路，旋转变压器的副边首端通过信号调理电路与A/D转换芯片连接；A/D转换芯片输入通道与地线之间接入瓷介电容。
3.根据权利要求1所述的一种正余弦旋转变压器的励磁与解算一体化装置，其特征在于：所述滤波电路和信号调理电路分别由电阻、电容、低噪声低偏移的双通道运算放大器芯片AD706构成。
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