CN110620527B - 一种基于旋转变压器的大转角极限位置检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于旋转变压器的大转角极限位置检测电路，通过直接利用旋转变压器副边的正弦余弦信号实现对极限位置检测。该装置特征在于：含有一个旋转变压器、一个激励信号整形电路、一个正弦限位比较电路、一个余弦限位比较电路和一个限位逻辑电路。经本发明装置实现的极限位置检测，通过同时采集旋转变压器正弦、余弦分量综合判断正负极限位置，可实现对所需极限位置角超过±90°情况下的判断。本发明无需额外增加测量传感器及相关的解调电路，降低了成本和复杂度，提高了系统可靠性和空间利用率。具有电路简单紧凑、可靠性高、精度高、实时性强、稳定性好，不易受干扰、实现方式灵活等优点。

Description

一种基于旋转变压器的大转角极限位置检测电路

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种基于旋转变压器的大转角极限位置检测电路。该装置适用于航空航天、军事装备以及工业生产中的位置伺服控制系统。

背景技术

在位置伺服控制系统中，需要对伺服机构位置的极限位进行检测，并限制作动缸在行程范围内工作，以防止机构运行超出极限位置导致机械结构损坏。通常用于极限位置检测的传统限位保护装置主要有行程开关和多种接近开关，存在精度低、体积大、安装使用不便等缺点。在采用旋转变压器做角位移测量的伺服系统中，旋转变压器本身就具备可靠的角位移测量功能，如对旋转变压器输出信号进行处理作为限位检测，可省去传统的限位检测装置。从而节省成本和空间，提高系统可靠性。然而旋转变压器的输出信号是连续的正弦信号，无法直接用于限位标志，通常需要采用专用芯片结合微处理器的复杂解调处理电路，并通过软件处理才可获得角度信息。若根据这个被处理的信号来判定极限位置，环节较多，可靠性差。

在采用旋转变压器进行极限位置判断的系统中，当所需极限位置小于90°的情况下，仅采集旋转变压器副边正弦信号即可进行极限位置判断。当所需极限位置大于90°时，单纯采集旋变副边正弦信号则不能满足要求，而同时需要旋变副边正弦、余弦信号进行综合逻辑判断。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的可靠性低、环节复杂、安装不便等问题，从而提供一种一种结构简单、便于实现、可靠性高的利用旋转变压器进行大转角范围极限位置检测的装置。为此，提出了一种基于旋转变压器的大转角极限位置检测电路，其特征在于含有：一个旋转变压器、一个激励信号整形电路、一个正弦限位比较电路、一个余弦限位比较电路和一个限位逻辑电路。其中，旋转变压器原边的正、负端分别与激励信号整形电路的输入正、负端相连，激励信号整形电路的输出端与限位逻辑电路的触发输入端相连；旋转变压器副边的正弦输出正、负端分别与正弦限位比较电路的输入正、负端相连，正弦限位比较电路的两个输出C_OUT1、C_OUT2分别与限位逻辑电路中L1、L3的两个复位输入端相连；旋转变压器副边的余弦输出正、负端分别与余弦限位比较电路的输入正、负端相连；余弦限位比较电路的两个输出端C_OUT3、C_OUT4分别与限位逻辑电路中L5、L7的复位输入端相连。所述旋转变压器原边的激励信号来自于外部旋转变压器驱动电路，其副边输出电压的幅值大小随位移而发生变化，两个正交绕组的输出电压幅值与转子转角分别成正弦、余弦函数关系。

所述激励信号整形电路含有：由运算放大器OPA1构成差动放大电路、电压比较器CMP1构成的整形电路。外部旋转变压器激励信号输入至激励信号整形电路，旋转变压器原边的正、负激励端EXC+、EXC-分别连接至由运算放大器OPA1构成差动放大电路的正负两个输入端，旋转变压器激励信号被放大R2/R1倍，使得该差动放大电路输出信号的电压范围在电压比较器CMP1的电源电压范围之内。所述运算放大器OPA1输出端连接至所述电压比较器CMP1正向输入端，所放大后的电压信号经由电压比较器CMP1构成的整形电路整形，得到与输入激励正弦波频率及相位一致的方波信号。

所述正弦限位比较电路含有：由运算放大器OPA2构成的差动放大电路、正向限位比较器CMP2、负向限位比较器CMP3。所述旋转变压器的副边正弦信号连接至上述正弦限位比较电路，旋转变压器副边正弦信号端Sin+、Sin-分别与正弦限位比较电路中由运算放大器OPA2构成的差动放大电路正负两个输入端相连，正弦分量差分信号被放大R4/R3倍，使得该差动放大电路输出信号的电压范围在正向限位比较器CMP2、负向限位比较器CMP3的电源电压范围之内。所述运算放大器OPA2输出端分别连接至所述正向限位比较器CMP2的反相输入端和所述负向限位比较器CMP3的同相输入端；所述正向限位比较器CMP2的同相输入为正向限位所对应的电压阈值V _sinTh+；所述负向限位比较器CMP3的负向输入为负向限位对应的电压阈值V _sinTh-；其中，V _sinTh+=U _m sin(θ _Th+)，V _sinTh-=U _m sin(θ _Th-)，式中，θ _Th+和θ _Th-分别为正向极限位和负向极限位，U _m 为旋转变压器正弦输出信号的最大幅值乘以R4/R3。所述正向限位比较器CMP2、负向限位比较器CMP3的输出信号分别为C_OUT1、C_OUT2。

所述余弦限位比较电路含有：由运算放大器OPA3构成的差动放大电路、正向限位比较器CMP4、负向限位比较器CMP5。旋转变压器的副边余弦信号连接至上述余弦限位比较电路，旋转变压器副边余弦信号端Cos+、Cos-分别连接至由运算放大器OPA3构成的差动放大电路的正负两个输入端，余弦分量差分信号被放大R6/R5倍，使得该差动放大电路输出信号的电压范围在正向限位比较器CMP4、负向限位比较器CMP5的电源电压范围之内。运算放大器OPA3输出端分别连接至正向限位比较器CMP4、负向限位比较器CMP5的同相输入端。正向限位比较器CMP4的负向输入为正向限位所对应的余弦电压阈值V _cosTh+；负向限位比较器CMP5的负向输入为负向限位所对应的余弦电压阈值V _cosTh-。其中，V _cosTh+=U _m cos(θ _Th+), V _cosTh-=U _m cos(θ _Th-)，式中，θ _Th+和θ _Th-分别为正向极限位和负向极限位，U _m 为旋转变压器余弦输出信号的最大幅值乘以R6/R5。正向限位比较器CMP4、负向限位比较器CMP5的输出信号分别为C_OUT3、C_OUT4。

所述限位逻辑电路含有：8个D触发器L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8和2个与非门NAND1、NAND2。其中，L1、L3、L5、L7为上升沿触发，L2、L4、L6、L8为下降沿触发，L6、L8的输出为输入信号的反向逻辑。L1、L3、L5、L7各含有一个复位清零输入端口，为低电平有效，当该端口输入信号为低时，输出信号被立即置低。8个D触发器的时钟输入端口与上述电压比较器CMP1的输出端相连，L1的复位清零端口与上述正向限位比较器CMP2的输出端口相连，L3的复位清零端口与上述负向限位比较器CMP3的输出端口相连，L5的复位清零端口与上述限位比较器CMP4的输出端口C_OUT3相连，L7的复位清零端口与上述限位比较器CMP5的输出端口C_OUT4相连。L1、L3、L5、L7的数据输入端口D均上拉至高电平，L1、L3、L5、L7的输出端口Q分别连接至L2、L4、L6、L8的数据输入端口D；L2的输出端口Q和L6的输出端口分别连接至与非门NAND1的两个输入端口，L4的输出端口Q和L8的输出端口分别连接至与非门NAND2的两个输入端口。与非门NAND1的输出信号LIMIT_P为正向极限位置信号，与非门NAND2的输出信号LIMIT_N为负向极限位置信号

本发明技术方案，具有如下优点：

1、直接利用旋转变压器的角位移反馈信号作为位置极限保护电路的输入，并可通过全数字逻辑器件集成或通过可编程逻辑器件编程实现，无需额外增加测量传感器及相关的解调电路。

2、电路系统结构简单紧凑，可靠性高，实现方式灵活，实时性高，稳定性好，不易受干扰；并降低了系统的成本和复杂度，提高了空间利用率。

3、同时采集旋转变压器的正弦、余弦输出分量并综合判断正负极限位置，可实现对角度行程范围超过±90°的情况下，对极限位置的判断。

附图说明

图1：本发明系统结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此处所说明的方案只用来提供对本发明的进一步理解，为本申请的一部分，不构成对本发明方案的限定。

图1中的限位判断逻辑电路可采用分立式数字器件或集成可编程逻辑器件实现，包括各类型号的复杂可编程逻辑器件（CPLD）、现场可编程门阵列（FPGA）。本实例采用Lattice公司的CPLD，型号为ispMACH4064V。

旋转变压器采用TAMAGAWA公司的无刷旋转变压器TS2620N21E11，用于测量伺服机构的位置信息。旋转变压器的激励信号为10kHz正弦差分信号，由外部旋变驱动器提供。本方案选择ADI（亚诺德半导体）公司的旋变专用R/D转换器芯片AD2S1210。在激励信号作用下旋转变压器产生反映转子位置的正、余弦差分信号：U _sin=U _msin(ωt)sinθ及U _cos=U _msin(ωt)cosθ，其中U _m为输出信号的最大幅值，ω为激励信号的角频率，θ为转子位置角度。旋转变压器原边的激励信号输入至所述激励信号整形电路，副边产生的正弦差分信号和余弦差分信号分别输出至所述正弦限位比较电路和余弦限位比较电路。

激励信号整形电路对激励信号进行调理整形。其中，旋转变压器的激励信号被放大R2/R1倍后再经电压比较器CMP1与阈值电压比较，得到与其频率和相位一致占空比为50%的方波信号。正弦限位比较电路对旋转变压器副边正弦差分信号进行调理，放大R4/R3倍后分别经过电压比较器CMP2、CMP3与正转极限位置、反转极限位置对应的阈值电压比较，得到正弦正反转限位信号C_OUT1、C_OUT2。余弦限位比较电路对旋转变压器副边余弦差分信号进行调理，放大R6/R5倍后分别经过电压比较器CMP4、CMP5与正转极限位置、反转极限位置对应的阈值电压比较，得到余弦正反转限位信号C_OUT3、C_OUT4。通常情况下，可以将R3和R5设计成相同的阻值，R4和R6设计成相同阻值，使得OPA2和OPA3构成的两个差动放大电路具有相同的放大增益。在极限位置设为大转角情况下，即90°<θ _Th+<180°，-180°<θ _Th-<-90°，分别设置正弦、余弦信号在正向极限位置和负向极限位置的阈值电压，其中，V _sinTh+=U _m sin(θ _Th+)，V _sinTh-=U _m sin(θ _Th-)；V _cosTh+=U _m cos(θ _Th+), V _cosTh-=U _m cos(θ _Th-)。

当旋转变压器所测量角位移θ在θ _Th-到（θ _Th+－180°）范围内时，正弦限位比较电路的输出端在上述方波信号为低电平的后半周期内，C_OUT1信号出现低电平脉宽；C_OUT3输出恒定高电平。当θ在（θ _Th+－180°）到（180°－θ _Th+）范围内时，C_OUT1输出恒定高电平；余弦限位比较电路的输出端在上述方波信号为低电平的后半周期内，C_OUT3信号出现低电平脉宽。当θ在（180°－θ _Th+）到θ _Th+的范围内时，正弦限位比较电路的输出端在上述方波信号为高电平的前半周期内，C_OUT1信号出现低电平脉宽；C_OUT3输出恒定高电平。当θ在θ _Th+到180°的范围内时，C_OUT1输出高电平；余弦限位比较电路的输出端在上述方波信号为高电平的后前半周期内，C_OUT3信号出现低电平脉宽。

限位逻辑电路根据上述关系对C_OUT1、C_OUT3信号进行处理，锁存输出极限位置检测结果。当旋转变压器所测量角位移θ在θ _Th-到（θ _Th+－180°）范围内时，L2输出高电平、L6输出低电平；当θ在（θ _Th+－180°）到（180°－θ _Th+）范围内时，L2输出高电平、L6输出低电平；当θ在（180°－θ _Th+）到θ _Th+的范围内时，L2输出低电平、L6输出低电平；当θ在θ _Th+到180°的范围内时，L2输出高电平、L6输出高电平。上述逻辑关系经过与非门电路，最终得到当旋转变压器所测量角位移在极限位置范围内（即θ _Th- < θ < θ _Th+）时，正转极限位置信号Limit_P输出高电平，当旋转变压器测量角位移超过正转极限位置（即θ > θ _Th+）时，正转极限位置信号Limit_P输出低电平。

同理，负向极限位置检测的原理与正向极限位置检测类似。可得到：当旋转变压器所测量角位移在极限位置范围内（即θ _Th- < θ < θ _Th+）时，反转极限位置信号Limit_N输出高电平，当旋转变压器测量角位移超过负转极限位置（即θ < θ _Th-）时，反转极限位置信号Limit_N输出低电平。

显然，以上所述的具体实施方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，上述实施例仅为本发明的具体实施方式而已，仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明方法的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，以及由此所引伸出的显而易见的变化或变动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于旋转变压器的大转角极限位置检测电路，其特征在于，含有一个旋转变压器、一个激励信号整形电路、一个正弦限位比较电路、一个余弦限位比较电路和一个限位逻辑电路；其中，旋转变压器原边的正、负端分别与激励信号整形电路的输入正、负端相连，激励信号整形电路的输出端与限位逻辑电路的触发输入端相连；旋转变压器副边的正弦输出正、负端分别与正弦限位比较电路的输入正、负端相连，正弦限位比较电路的两个输出C_OUT1、C_OUT2分别与限位逻辑电路中两个具有复位输入的D触发器L1、L3的两个复位输入端相连；旋转变压器副边的余弦输出正、负端分别与余弦限位比较电路的输入正、负端相连；余弦限位比较电路的两个输出端C_OUT3、C_OUT4分别与限位逻辑电路中两个具有复位输入的D触发器L5、L7的复位输入端相连；所述旋转变压器原边的激励信号来自于外部旋转变压器驱动电路，其副边输出电压的幅值大小随位移而发生变化，两个正交绕组的输出电压幅值与转子转角分别成正弦、余弦函数关系。

2.根据权利要求1中所述基于旋转变压器的大转角极限位置检测电路，其特征在于所述激励信号整形电路含有：由运算放大器OPA1、两个阻值为R1的输入电阻、两个阻值为R2的反馈电阻构成差动放大电路，电压比较器CMP1构成的整形电路；外部旋转变压器驱动电路产生激励信号驱动旋转变压器，同时，旋转变压器激励信号输入至所述激励信号整形电路；其中，所述旋转变压器原边的正、负激励端EXC+、EXC-分别连接至所述激励信号整形电路的正、负两个输入端；所述旋转变压器激励信号被放大R2/R1倍，使得该差动放大电路输出信号的电压范围在电压比较器CMP1的电源电压范围之内；所述运算放大器OPA1输出端连接至所述电压比较器CMP1正向输入端，所放大后的电压信号经由电压比较器CMP1构成的整形电路整形，得到与输入激励正弦波频率及相位一致的方波信号。

3.根据权利要求2中所述基于旋转变压器的大转角极限位置检测电路，其特征在于所述正弦限位比较电路含有：由运算放大器OPA2、两个阻值为R3的输入电阻、两个阻值为R4的反馈电阻构成的差动放大电路，正向限位比较器CMP2、负向限位比较器CMP3；所述旋转变压器的副边正弦信号连接至上述正弦限位比较电路，旋转变压器副边正弦信号端Sin+、Sin-分别与所述正弦限位比较电路的正、负两个输入端相连；正弦分量差分信号被放大R4/R3倍，使得该差动放大电路输出信号的电压范围在正向限位比较器CMP2、负向限位比较器CMP3的电源电压范围之内；所述运算放大器OPA2输出端分别连接至所述正向限位比较器CMP2的反相输入端和所述负向限位比较器CMP3的同相输入端；所述正向限位比较器CMP2的同相输入为正向限位所对应的电压阈值V_sinTh+；所述负向限位比较器CMP3的负向输入为负向限位对应的电压阈值V_sinTh-；其中，V_sinTh+＝U_msin(θ_Th+)，V_sinTh-＝U_msin(θ_Th-)，式中，θ_Th+和θ_Th-分别为正向极限位和负向极限位，U_m为旋转变压器正弦输出信号的最大幅值乘以R4/R3；所述正向限位比较器CMP2、负向限位比较器CMP3的输出信号分别为C_OUT1、C_OUT2。

4.根据权利要求3中所述基于旋转变压器的大转角极限位置检测电路，其特征在于所述余弦限位比较电路含有：由运算放大器OPA3、两个阻值为R5的输入电阻、两个阻值为R6的反馈电阻构成的差动放大电路、正向限位比较器CMP4、负向限位比较器CMP5；所述旋转变压器的副边余弦信号连接至上述余弦限位比较电路，旋转变压器副边余弦信号端Cos+、Cos-分别与所述余弦限位比较电路的正、负两个输入端相连；余弦分量差分信号被放大R6/R5倍，使得该差动放大电路输出信号的电压范围在正向限位比较器CMP4、负向限位比较器CMP5的电源电压范围之内；所述运算放大器OPA3输出端分别连接至所述正向限位比较器CMP4、负向限位比较器CMP5的同相输入端；所述正向限位比较器CMP4的负向输入为正向限位所对应的余弦电压阈值V_cosTh+；所述负向限位比较器CMP5的负向输入为负向限位所对应的余弦电压阈值V_cosTh-；其中，V_cosTh+＝U_mcos(θ_Th+),V_cosTh-＝U_mcos(θ_Th-)，式中，θ_Th+和θ_Th-分别为正向极限位和负向极限位，U_m为旋转变压器余弦输出信号的最大幅值乘以R6/R5；所述正向限位比较器CMP4、负向限位比较器CMP5的输出信号分别为C_OUT3、C_OUT4。

5.根据权利要求4中所述基于旋转变压器的大转角极限位置检测电路，其特征在于所述限位逻辑电路含有：8个D触发器L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8和2个与非门NAND1、NAND2；其中，L1、L3、L5、L7为上升沿触发，L2、L4、L6、L8为下降沿触发，L6、L8的输出为输入信号的反向逻辑；L1、L3、L5、L7各含有一个复位清零输入端口

为低电平有效，当该端口输入信号为低时，输出信号被立即置低；8个D触发器的时钟输入端口与上述电压比较器CMP1的输出端相连，L1的复位清零端口与上述正向限位比较器CMP2的输出端口相连，L3的复位清零端口与上述负向限位比较器CMP3的输出端口相连，L5的复位清零端口与上述正向限位比较器CMP4的输出端口C_OUT3相连，L7的复位清零端口与上述负向限位比较器CMP5的输出端口C_OUT4相连；L1、L3、L5、L7的数据输入端口D均上拉至高电平，L1、L3、L5、L7的输出端口Q分别连接至L2、L4、L6、L8的数据输入端口D；L2的输出端口Q和L6的输出端口

分别连接至与非门NAND1的两个输入端口，L4的输出端口Q和L8的输出端口

分别连接至与非门NAND2的两个输入端口；与非门NAND1的输出信号LIMIT_P为正向极限位置信号，与非门NAND2的输出信号LIMIT_N为负向极限位置信号。

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