CN1841026A - 一种自整角机/旋转变压器－模拟直流电压转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种自整角机/旋转变压器－模拟直流电压转换方法，其特征在于，自整角机/旋转变压器轴角θ转换成并行自然二进制码形式的数字角φ输出；输出数字角φ经FPGA可编程控制器对数字角φ进行数字放大处理，使输出数字角步长增加或减少，达到信号的放大或缩小，FPGA可编程控制器输出的数字角σ输送到由D/A转换器、基准电源和运算放大器组成的数字—模拟直流电压转换器，变成模拟直流电压信号Vo，完成轴角—直流电压转换功能。本发明采用混合集成工艺，具有集成度高，功耗低，可靠性高等特点。本发明采用FPGA可编程控制器控制输出模拟直流电压大小，输出的模拟直流电压与输入的角度成正比。
Description
技术领域
本发明是涉及一种对自整角机信号/旋转变压器信号进行电压化处理，把自整角机信号/旋转变压器信号直接转换成仪表控制所需要的模拟直流电压信号的方法。
背景技术
自整角机是一种感应式机电元件，主要用于自动控制、同步传递和计算解答系统中。它可将转轴的转角变换为电气信号、或将电气信号变换为转轴的转角，实现角度数据的远距离发送、接收和变换，达到自动指示角度、位置、距离和指令的目的。
旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压与转子转角的函数关系成正弦、余弦函数关系。它主要用于坐标变换、三角运算和角度数据传输。
自整角机/旋转变压器作为轴角位移测量元件，具有测量精度高、结构简单，运行可靠，主要应用于要求精度、可靠性都很高的环境，同其它角度测量方法相比，自整角机/旋转变压器用于角度测量具有明显的优势。自整角机/旋转变压器作为轴角测量元件，为自动控制系统提供低成本、高精度的位置传感器。而在工业检测控制领域中，往往需要把自整角机信号/旋转变压器信号转换成模拟直流电压直接进行仪表检测与控制。
目前，自整角机/旋转变压器—直流电压转换采用自整角机/旋转变压器—数字转换模块、D/A转换器、基准电源和放大器实现，通过自整角机/旋转变压器—数字转换模块把轴角信号变换成数字角度量，通过D/A转换器、标准电源和放大器，把数字角信号变换成以标准电源为模的直流电压信号，这种方式实现的直流电压信号，系统采用分体式结构，不可避免地需要使用大量的分离元件，往往存在以下三个缺陷：
1、精度低，D/A转换时，通过模拟放大器把信号和误差一同放大，输出电压误差比较大，同时，采用分离元件，受外界信号干扰大，外部基准稳定性差，输出电压精度不高。
2、体积大，元件分布比较分散，不能实现系统元件高密度安装，体积比较大。
3、可靠性差，使用了大量分离元件，集成度低，降低了系统的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种自整角机/旋转变压器—模拟直流电压转换方法，它能够克服上述缺陷，使输出的模拟直流电压与输入的角度成正比。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种自整角机/旋转变压器—模拟直流电压转换方法，其特点是，自整角机信号/旋转变压器信号经微型隔离变压器进行信号隔离变换，产生一组正余弦信号V1和V2，同可逆计数器产生的数字角φ在正余弦乘法器中相乘，得到信号V3、V4，经误差放大器后输出一个误差信号KEoSin(θ-φ)，这个误差信号经相敏解调器、积分器、压控振荡器和可逆计数器等组成的一个闭环回路，寻找Sin(θ-φ)的零点，当这一过程完成时，VSin(θ-φ)＜1LSB，自整角机/旋转变压器轴角θ转换成并行自然二进制码形式的数字角φ输出；输出数字角φ经FPGA可编程控制器对数字角φ进行数字放大处理，使输出数字角步长增加或减少，达到信号的放大或缩小，FPGA可编程控制器输出的数字角σ输送到由D/A转换器、基准电源和运算放大器组成的数字—模拟直流电压转换器，变成模拟直流电压信号Vo，完成轴角—直流电压转换功能，数字—模拟直流电压转换器设置了电压增益和零位电压调整。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种自整角机/旋转变压器—模拟直流电压转换方法，其特点是，在FPGA可编程控制器中，输入的数字角φ信号经方式选择控制，使输出数字角φ′随输入角φ增加而线性增加或线性减少，通过算术运算电路实现流水线技术设计后，设定的输出电压与输入的数字角φ′进行乘法器运算和信号处理，增加或减小输出数字角信号的步长，实现数字信号的放大或缩小；所述的乘法器设有基准时钟进行控制。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的一种自整角机/旋转变压器—模拟直流电压转换方法，其特点是，对于需要零位偏移的系统，输入的偏移角度量ρ通过FPGA可编程控制器，使偏移角度量ρ与通过信号处理后的数字角经过全加器叠加，实现零点位置偏置范围-180°-+180°之间，完成零位信号的偏移，所述的全加器通过算术运算电路实现流水线技术设计；使能控制信号控制输出锁存，使全加器输出的偏移数字角输出或关断；所述的全加器设有基准时钟进行控制。
下面进行具体阐述。
1.1自整角机/旋转变压器—数字转换技术
电路是由微型隔离变压器、正余弦乘法器、误差放大器、相敏解调器、积分器、压控振荡器、可逆计数器等七部分组成，采用了2阶伺服回路，输出的数字角信号连续跟踪输入轴角。如果是自整角机信号输入，自整角机3线信号经微型隔离变压器转换成正、余弦形式的电压信号V1和V2。
V1＝kEoSinωtSinθ
V2＝kEoSinωtCosθ
θ是自整角机的轴角；
k是变比；
E0是基准电压的幅值；
ω是载波频率，既激磁电压的角频率。
如果是旋转变压器信号输入，旋转变压器4线信号经隔离变压器后，只起隔离和降压作用。
假定可逆计数器当前数字角为φ。那么，V1、V2信号与可逆计数器的数字角φ在正余弦乘法器中相乘，V1乘以cosφ、V2乘以sinφ得到电压信号V3和V4：
V3＝kEoSinωtSinθCosφ
V4＝kEoSinωtCosθSinφ
这些信号经误差放大器相减得到：
V3-V4＝kEoSinωt(sinθCosφ-CosθSinφ)＝kEoSinωtSin(θ-φ)
经相敏解调器、积分器、压控振荡器和可逆计数器等形成的一个闭环回路系统寻找Sin(θ-φ)的零点。在转换器规定的精度范围内，可逆计数器此时的数字角φ等于自整角机/旋转变压器的轴角θ，以并行自然二进制码形式输出。
1.2 FPGA可编程控制器技术
采用FPGA现场可编程控制器技术设计数字放大器，其原理如图2所示。输入的信号经方式选择控制，所述的方式选择控制有2种，一种是零位数字电压为零，输出数字角φ′随输入角φ增加而线性增加；另一种是零位数字电压为最大值，输出数字角φ′随输入角φ增加而线性减少，通过设定的输出电压与输入的数字角φ′进行乘法器运算和信号处理，增加或减小输出数字角信号的步长，实现数字信号的放大或缩小。数字放大器与模拟放大器相比，放大的电压信号线性度好，且零点电压误差不随放大器变化。对于需要零位偏移的系统，输入偏移角度量，通过全加器与转换的数字角叠加，实现零点位置的偏移。
为了大幅提高系统的速度。乘法器和全加器通过算术运算电路实现流水线技术设计，把在一个时钟内要完成的逻辑操作分成几步较小的操作，并插入几个时钟周期来提高系统的数据吞吐率。
1.3数字—模拟直流电压变换技术
FPGA可编程控制器输出二进制码的数字角σ，经缓冲后连接到数字—模拟直流电压转换器，转换器内部有D/A转换器、带温度补偿的高精度基准电源和运算放大器，完成了并行自然二进制码到模拟直流电压信号的转换。输出信号电压的增益和零点可通过电位器进行调节。输出直流电压与输入的自整角机/旋转变压器的数字角成正比，并周期变化。
1.4技术性能指标自整角机/旋转变压器—直流电压转换性能指标如表1所示。
表1：
| 参数 | 指标 | 单位 | 备注 | |
| 精度 | 10位 | ±22 | 角分 | 400Hz激磁时 |
| 12位 | ±8.5 | |||
| 14位 | ±4.5 | |||
| 16位 | ±2 | |||
| 跟踪速度 | 10位 | ±80 | 转/秒 | 400Hz激磁时 |
| 12位 | 36 | |||
| 14位 | 20 | |||
| 16位 | 3 | |||
| 阶跃时间 | 125 | ms | 400Hz激磁时 | |
| 1.5 | s | 50Hz激磁时 | ||
| 信号输入电压 | 2～90 | V | ||
| 参考输入电压 | 2～115 | V | ||
| 工作频率 | 50～5000 | Hz | ||
| 输出信号 | 电压 | ±5～±20 | V | |
| 温漂 | 0.175 | ’/℃ | ||
| 纹波 | 5(P-P) | mV | ||
| 电流 | 10 | mA | ||
与现有技术相比，本发明以自整角机/旋转变压器—数字转换技术为基础，利用其跟踪性强、速度快、转换精度高等优点，结合高精度的数字—模拟直流电压变换技术和FPGA可编程控制技术，实现自整角机信号/旋转变压器信号转换成模拟直流电压信号。本发明采用混合集成工艺，具有集成度高，功耗低，可靠性高等特点。本发明采用FPGA可编程控制器控制输出模拟直流电压大小，输出的模拟直流电压与输入的角度成正比。
附图说明
图1是自整角机/旋转变压器—模拟直流电压转换原理框图。
图2是FPGA现场可编程技术设计数字放大器原理图。
图3是输出电压不大于±10V的输入轴角—输出直流电压的关系。
图4是图3超前ρ角度的输入轴角—输出直流电压的关系。
图5是图3滞后ρ角度的输入轴角—输出直流电压的关系。
图6是图3交换输入信号S1与S3后的输入轴角—输出直流电压的关系。
图7是图6超前ρ的角度输入轴角—输出直流电压的关系。
图8是图6滞后ρ角度的输入轴角—输出直流电压的关系。
图9是输出电压大于±10V的输入轴角—输出直流电压的关系。
图10是图9交换输入信号S1与S3后的输入轴角—输出直流电压的关系。
图11是输出电压不大于+10V的输入轴角—输出直流电压的关系。
图12是图11超前ρ角度的输入轴角—输出直流电压的关系。
图13是图11滞后ρ角度的输入轴角—输出直流电压的关系。
图14是图11交换输入信号S1与S3后的输入轴角—输出直流电压的关系。
图15是图14超前ρ角度的输入轴角—输出直流电压的关系。
图16是图14滞后ρ角度的输入轴角—输出直流电压的关系。
具体实施方式
实施例1。参照图1。一种自整角机/旋转变压器—模拟直流电压转换方法，其特征在于，自整角机信号/旋转变压器信号经微型隔离变压器进行信号隔离变换，产生一组正余弦信号V1和V2，同可逆计数器产生的数字角φ在正余弦乘法器中相乘，得到信号V3、V4，经误差放大器后输出一个误差信号KEoSin(θ-φ)，这个误差信号经相敏解调器、积分器、压控振荡器和可逆计数器等组成的一个闭环回路，寻找Sin(θ-φ)的零点，当这一过程完成时，VSin(θ-φ)＜1LSB，自整角机/旋转变压器轴角θ转换成并行自然二进制码形式的数字角φ输出；输出数字角φ经FPGA可编程控制器对数字角φ进行数字放大处理，使输出数字角步长增加或减少，达到信号的放大或缩小，FPGA可编程控制器输出的数字角σ输送到由D/A转换器、基准电源和运算放大器组成的数字—模拟直流电压转换器，变成模拟直流电压信号Vo，完成轴角—直流电压转换功能，数字—模拟直流电压转换器设置了电压增益和零位电压调整。
实施例2。参照图1、图2，在实施例1中，在FPGA可编程控制器中，输入的数字角φ信号经方式选择控制，使输出数字角φ′随输入角φ增加而线性增加或线性减少，通过算术运算电路实现流水线技术设计后，设定的输出电压与输入的数字角φ′进行乘法器运算和信号处理，增加或减小输出数字角信号的步长，实现数字信号的放大或缩小；所述的乘法器设有基准时钟进行控制。
实施例3。参照图1、图2，在实施例2中，对于需要零位偏移的系统，输入的偏移角度量ρ通过FPGA可编程控制器，使偏移角度量ρ与通过信号处理后的数字角经过全加器叠加，实现零点位置偏置范围-180°-+180°之间，完成零位信号的偏移，所述的全加器通过算术运算电路实现流水线技术设计；使能控制信号控制输出锁存，使全加器输出的偏移数字角输出或关断；所述的全加器设有基准时钟进行控制。
实施例4。
对于自整角机输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSinθ
VS3-S2＝kEoSinωtSin(θ+120)
VS2-S1＝kEoSinωtSin(θ+240)
对于旋转变压器输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSinθ
VS2-S4＝kEoSinωtCosθ
输出直流电压|Vo|≤+10V，Vm≤+10V。输出电压与输入轴角成正比关系，当θ＝179.99°时，输出电压Vo＝Vm，当θ＝180°时，输出电压Vo＝-Vm，其输出波形如图3所示。
实施例5。
对于自整角机输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSin(θ+ρ)
VS3-S2＝kEoSinωtSin(θ+ρ+120)
VS2-S1＝kEoSinωtSin(θ+ρ+240)
对于旋转变压器输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSin(θ+ρ)
VS2-S4＝kEoSinωtCos(θ+ρ)
输出直流电压|Vo|≤+10V，Vm≤+10V，ρ为超前角度，0°＜ρ＜180°。输出电压与输入轴角成正比关系，当θ+ρ＝179.99°时，输出电压Vo＝Vm，当θ+ρ＝180°时，输出电压Vo＝-Vm，其输出波形如图4所示。
实施例6。
对于自整角机输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSin(θ-ρ)
VS3-S2＝kEoSinωtSin(θ-ρ+120)
VS2-S1＝kEoSinωtSin(θ-ρ+240)
对于旋转变压器输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSin(θ-ρ)
VS2-S4＝kEoSinωtCos(θ-ρ)
输出直流电压|Vo|≤+10V，Vm≤+10V，ρ为滞后角度，0°＜ρ＜180°。输出电压与输入轴角成正比关系，当θ-ρ＝179.99°时，输出电压Vo＝Vm，当θ-ρ＝180°时，输出电压Vo＝-Vm，其输出波形如图5所示。
实施例7。
对于自整角机输入信号，S1与S3交换后：
VS1-S3＝-kEoSinωtSinθ
VS3-S2＝-kEoSinωtSin(θ+120)
VS2-S1＝-kEoSinωtSin(θ+240)
对于旋转变压器输入信号，S1与S3交换后：
VS1-S3＝-kEoSinωtSinθ
VS2-S4＝kEoSinωtCosθ
输出直流电压|Vo|≤+10V，Vm≤+10V。输出电压与输入轴角成正比关系，当θ＝179.99°时，输出电压Vo＝-Vm，当θ＝180°时，输出电压Vo＝Vm，其输出波形如图6所示。
实施例8。
对于自整角机输入信号，S1与S3交换后：
VS1-S3＝-kEoSinωtSin(θ+ρ)
VS3-S2＝-kEoSinωtSin(θ+ρ+120)
VS2-S1＝-kEoSinωtSin(θ+ρ+240)
对于旋转变压器输入信号，S1与S3交换后：
VS1-S3＝-kEoSinωtSin(θ+ρ)
VS2-S4＝kEoSinωtCos(θ+ρ)
输出直流电压|Vo|≤+10V，Vm≤+10V，ρ为超前角度，0°＜ρ＜180°。输出电压与输入轴角成正比关系，当θ+ρ＝179.99°时，输出电压Vo＝-Vm，当θ+ρ＝180°时，输出电压Vo＝Vm，其输出波形如图7所示。
实施例9。
对于自整角机输入信号，S1与S3交换后：
VS1-S3＝-kEoSinωtSin(θ-ρ)
VS3-S2＝-kEoSinωtSin(θ-ρ+120)
VS2-S1＝-kEoSinωtSin(θ-ρ+240)
对于旋转变压器输入信号，S1与S3交换后：
VS1-S3＝-kEoSinωtSin(θ-ρ)
VS2-S4＝kEoSinωtCos(θ-ρ)
输出直流电压|Vo|≤+10V，Vm≤+10V，ρ为滞后角度，0°＜ρ＜180°。输出电压与输入轴角成正比关系，当θ-ρ＝179.99°时，输出电压Vo＝-Vm，当θ-ρ＝180°时，输出电压Vo＝Vm，其输出波形如图8所示。
实施例10。
对于自整角机输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSinθ
VS3-S2＝kEoSinωtSin(θ+120)
VS2-S1＝kEoSinωtSin(θ+240)
对于旋转变压器输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSinθ
VS2-S4＝kEoSinωtCosθ
输出直流电压|Vo|＞+10V，
输出电压与输入轴角成正比关系，当180°＞θ≥θm时，输出电压Vo＝+10V，当180°+θm＞θ≥180°时，输出电压Vo＝-10V，其输出波形如图9所示。
实施例11。
对于自整角机输入信号，S1与S3交换后：
VS1-S3＝-kEoSinωtSinθ
VS3-S2＝-kEoSinωtSin(θ+120)
VS2-S1＝-kEoSinωtSin(θ+240)
对于旋转变压器输入信号：
VS1-S3＝-kEoSinωtSinθ
VS2-S4＝kEoSinωtCosθ
输出直流电压|Vo|＞+10V，
输出电压与输入轴角成正比关系，当180°＞0≥θm时，输出电压Vo＝-10V，当180°+θm＞θ≥180°时，输出电压Vo＝+10V，其输出波形如图10所示。
实施例12。
对于自整角机输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSinθ
VS3-S2＝kEoSinωtSin(θ+120)
VS2-S1＝kEoSinωtSin(θ+240)
对于旋转变压器输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSinθ
VS2-S4＝kEoSinωtCosθ
输出直流电压0V＜Vo≤+10V，Vm≤+10V。输出电压与输入轴角成正比关系，当θ＝0°时，输出电压Vo＝Vm，当θ＝179.99°时，输出电压Vo＝0V，其输出波形如图11所示。
实施例13。
对于自整角机输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSin(θ+ρ)
VS3-S2＝kEoSinωtSin(θ+ρ+120)
VS2-S1＝kEoSinωtSin(θ+ρ+240)
对于旋转变压器输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSin(θ+ρ)
VS2-S4＝kEoSinωtCos(θ+ρ)
输出直流电压0V＜Vo≤+10V，ρ为超前角度，Vm≤+10V，0°＜ρ＜90°。输出电压与输入轴角成正比关系，当θ+ρ＝0°时，输出电压Vo＝Vm，当θ+ρ＝179.99°时，输出电压Vo＝0V，其输出波形如图12所示。
实施例14。
对于自整角机输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSin(θ-ρ)
VS3-S2＝kEoSinωtSin(θ-ρ+120)
VS2-S1＝kEoSinωtSin(θ-ρ+240)
对于旋转变压器输入信号：
VS1-S3＝kEoSinωtSin(θ-ρ)
VS2-S4＝kEoSinωtCos(θ-ρ)
输出直流电压0V＜Vo≤+10V，ρ为滞后角度，Vm≤+10V。输出电压与输入轴角成正比关系，0°＜ρ＜180°，当θ-ρ＝0°时，输出电压Vo＝Vm，当θ-ρ＝179.99°时，输出电压Vo＝0V，其输出波形如图13所示。
实施例15。
对于自整角机输入信号，S1与S3交换后：
VS1-S3＝-kEoSinωtSinθ
VS3-S2＝-kEoSinωtSin(θ+120)
VS2-S1＝-kEoSinωtSin(θ+240)
对于旋转变压器输入信号：
VS1-S3＝-kEoSinωtSinθ
VS2-S4＝kEoSinωtCosθ
输出直流电压0V＜Vo≤+10V，Vm≤+10V。输出电压与输入轴角成正比关系，当θ＝0°时，输出电压Vo＝0V，当θ＝179.99°时，输出电压Vo＝Vm，其输出波形如图14所示。
实施例16。
对于自整角机输入信号，S1与S3交换后：
VS1-S3＝-kEoSinωtSin(θ+ρ)
VS3-S2＝-kEoSinωtSin(θ+ρ+120)
VS2-S1＝-kEoSinωtSin(θ+ρ+240)
对于旋转变压器输入信号：
VS1-S3＝-kEoSinωtSin(θ+ρ)
VS2-S4＝kEoSinωtCos(θ+ρ)
输出直流电压0V＜Vo≤+10V，ρ为超前角度，Vm≤+10V。输出电压与输入轴角成正比关系，0°＜ρ＜90°，当θ+ρ＝0°时，输出电压Vo＝0V，当θ+ρ＝179.99°时，输出电压Vo＝Vm，其输出波形如图15所示。
实施例17。
对于自整角机输入信号，S1与S3交换后：
VS1-S3＝-kEoSinωtSin(θ-ρ)
VS3-S2＝-kEoSinωtSin(θ-ρ+120)
VS2-S1＝-kEoSinωtSin(θ-ρ+240)
对于旋转变压器输入信号，S1与S3交换后：
VS1-S3＝-kEoSinωtSin(θ-ρ)
VS2-S4＝kEoSinωtCos(θ-ρ)
输出直流电压0＜Vo≤+10V，ρ为滞后角度，Vm≤+10V，0°＜ρ＜90°。输出电压与输入轴角成正比关系，当θ-ρ＝0°时，输出电压Vo＝0V，当θ-ρ＝179.99°时，输出电压Vo＝Vm，其输出波形如图16所示。
Claims (3)
1、一种自整角机/旋转变压器—模拟直流电压转换方法，其特征在于，自整角机信号/旋转变压器信号经微型隔离变压器进行信号隔离变换，产生一组正余弦信号V1和V2，同可逆计数器产生的数字角φ在正余弦乘法器中相乘，得到信号V3、V4，经误差放大器后输出一个误差信号KEoSin(θ-φ)，这个误差信号经相敏解调器、积分器、压控振荡器和可逆计数器等组成的一个闭环回路，寻找Sin(θ-φ)的零点，当这一过程完成时，VSin(θ-φ)＜1LSB，自整角机/旋转变压器轴角θ转换成并行自然二进制码形式的数字角φ输出；输出数字角φ经FPGA可编程控制器对数字角φ进行数字放大处理，使输出数字角步长增加或减少，达到信号的放大或缩小，FPGA可编程控制器输出的数字角σ输送到由D/A转换器、基准电源和运算放大器组成的数字—模拟直流电压转换器，变成模拟直流电压信号Vo，完成轴角—直流电压转换功能，数字—模拟直流电压转换器设置了电压增益和零位电压调整。
2、根据权利要求1所述的一种自整角机/旋转变压器—模拟直流电压转换方法，其特征在于，在FPGA可编程控制器中，输入的数字角φ信号经方式选择控制，使输出数字角φ′随输入角φ增加而线性增加或线性减少，通过算术运算电路实现流水线技术设计后，设定的输出电压与输入的数字角φ′进行乘法器运算和信号处理，增加或减小输出数字角信号的步长，实现数字信号的放大或缩小；所述的乘法器设有基准时钟进行控制。
3、根据权利要求2所述的一种自整角机/旋转变压器—模拟直流电压转换方法，其特征在于，对于需要零位偏移的系统，输入的偏移角度量ρ通过FPGA可编程控制器，使偏移角度量ρ与通过信号处理后的数字角经过全加器叠加，实现零点位置偏置范围-180°-+180°之间，完成零位信号的偏移，所述的全加器通过算术运算电路实现流水线技术设计；使能控制信号控制输出锁存，使全加器输出的偏移数字角输出或关断；所述的全加器设有基准时钟进行控制。
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