CN203587123U - 一种基于旋变数字转换器的旋变信号调理电路 - Google Patents

一种基于旋变数字转换器的旋变信号调理电路 Download PDF

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陈娜
李福瑞
李扬声
李家君
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Abstract

本实用新型公开了一种旋变数字转换器的旋变信号调理电路,包括集成于一体的旋变激励信号驱动电路和旋变输出信号处理电路;旋变激励信号驱动电路的输入端用于连接旋变数字转换器输出的激励信号,输出端用于输出激励信号给旋转变压器;旋变输出信号处理电路的输入端用于连接旋转变压器输出的正、余弦信号,输出端用于输出正、余弦信号给旋变数字转换器;将提供的激励信号经过幅值放大、增加电流驱动能力以达到驱动旋变的功能,然后将旋变输出正弦信号和余弦信号经过幅值衰减,共模电压匹配,以达到满足旋变数字转换器对输入正、余弦信号的要求,从而使得旋变数字转换器能正确解调出旋转变压器转动角度和旋转速度。本实用新型电路简单,可靠性高。

Description

一种基于旋变数字转换器的旋变信号调理电路
技术领域
本实用新型属于交流电机伺服控制技术领域,更具体地,涉及一种旋变数字转换器的旋变信号调理电路。
背景技术
在常用的光栅编码器、霍尔传感器和旋转变压器(简称旋变)等转子位置检测传感器中,旋变抗冲击震动和温度湿度变化的能力很强.适用于工作环境恶劣的场合,但是,旋变输出的是模拟信号,为了将模拟信号变换成表示角度的数字信号,以前往往采用模拟开关、采样/保持、A/D转换器等组成转换电路。近年来。已研制出能将旋变输出的交流信号直接变换成数字信号的器件,即旋变数字转换器。旋变将输出正弦信号、余弦信号经过旋变数字转换器解码后就能够产生转子的绝对位置信息。位置传感器检测技术的发展极大地提高了交流电机调速系统的动态响应性能和定位精度。
AD2S1210芯片的激励驱动电路较为复杂,可靠性不高,不利于产品调试,维修;旋变输出正弦信号、余弦信号调理采用电阻分压法,这种电路虽然简单,但容易引入干扰,可设计RC滤波电路,但电容的引入会影响正弦信号、余弦信号相移。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本实用新型提供了一种旋变数字转换器的旋变信号调理电路,由此解决现有技术中电路复杂、可靠性低的技术问题。
本实用新型提供的旋变数字转换器的旋变信号调理电路包括集成于一体的旋变激励信号驱动电路和旋变输出信号处理电路;所述旋变激励信号驱动电路的输入端用于连接旋变数字转换器输出的激励信号;所述旋变激励信号驱动电路的输出端用于输出激励信号给旋转变压器;所述旋变输出信号处理电路的输入端用于连接所述旋转变压器输出的正、余弦信号;所述旋变输出信号处理电路的输出端用于输出正、余弦信号给所述旋变数字转换器。
更进一步地,所述旋变数字转换器为型号为AD2S1210的旋变数字转换芯片。
更进一步地,所述旋变激励信号驱动电路包括OPA551芯片及其外围电路;OPA551芯片的-IN通过电阻R1与所述旋变数字转换器连接,OPA551芯片的OUT与所述旋转变压器连接,OPA551芯片的V+连接+12V电压,OPA551芯片的V-接地,电阻R3和电阻R4依次串联连接在+12V电压与地之间;电阻R3和电阻R4的串联连接端连接至OPA551芯片的+IN;电阻R2连接在OPA551芯片的-IN与OPA551芯片的OUT之间,电容C7与电阻R2并联连接。
更进一步地,所述旋变输出信号处理电路包括AD8475芯片及其外围电路;AD8475芯片的+INO.4X与所述旋转变压器的SINX/COSX连接,AD8475芯片的-INO.4X与所述旋转变压器的SINXLO/COSXLO/AGND连接,AD8475芯片的OUT+通过电阻R4与所述旋变数字转换器的SINXLO/COSXLO连接,AD8475芯片的OUT-通过电阻R5与所述旋变数字转换器的SIN/COS连接,AD8475芯片的VCOM通过电阻R3与所述旋变数字转换器的REFOUT连接;AD8475芯片的-VS接地;电容C3的一端连接至AD8475芯片的VCOM,电容C3的另一端接地;电容C4的一端与所述电阻R4连接,电容C4的另一端接地;电容C5的一端与所述电阻R5连接,电容C5的另一端接地;电容C6的一端与所述电阻R4连接,电容C6的另一端与所述电阻R5连接。
本实用新型采用差分运放,电路设计简单,有效滤除信号干扰,可靠性高,且易于维修。
附图说明
图1是本实用新型提供的旋变数字转换器的旋变信号调理电路的原理框图;
图2是本实用新型提供的旋变数字转换器的旋变信号调理电路的电路图;
图3是本实用新型提供的旋变数字转换器的旋变信号调理电路中旋变激励信号驱动电路的具体电路图;
图4是本实用新型提供的旋变数字转换器的旋变信号调理电路中旋变输出信号处理电路的具体电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。此外,下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实用新型提供了一种基于旋变数字转换器的旋变信号调理电路,包括旋变激励信号驱动电路21和旋变输出信号处理电路22组成;旋变数字转换器1的产生可编程的激励信号,经过旋变激励信号调理电路21进行幅值放大,增加电流驱动能力后送入旋变3,旋变输出正弦信号、余弦信号经过旋变输出信号处理电路22对幅值进行衰减,与旋变数字转换器正弦信号、余弦信号中心电压进行匹配后送入旋变数字转换器对旋转变压器旋转角度和速度进行解码,输出旋转数字角度信息和数字速度数字信息。
其中,旋变激励信号经过旋变激励信号驱动电路进行幅值放大,增加电流驱动能力且满足旋变对输入信号的要求。旋变输出正弦信号(SIN和SINLO)、余弦信号(COS和COSLO)经过旋变输出信号处理电路,对其进行幅值衰减,以达到旋变数字转换器对输入其的正弦信号和余弦信号的幅值要求。旋变数字转换器是由单电源供电,输入信号必须是大于0且中心电压在2.5V,旋变输出信号处理电路将旋变数字转换器的参考电压端(2.5V)与旋变输出信号处理电路的共模电压端连接,从而使得旋变输出正弦信号、余弦信号能够达到旋变数字转换器正弦信号、余弦信号中心值在2.5V左右。
在本实用新型中,旋变数字转换器1采用ADI公司生产的AD2S1210。AD2S1210是一款旋变数字转换芯片,其主要工作特性和参数为:①(5±5%)V单电源供电;②16位分辨率的实时输出最高跟踪速率为125r/s,输出16位绝对位置信息和带符号的15位速度信息;③具有可编程正弦波晶振器;④同时具有串行通讯接口和并行输出接口;⑤励磁频率为10kHz,12kHz,20kHz可编程。该芯片适用于各种无刷旋变输出信号的模数转换,抗干扰能力强。而且功能丰富,性价比较高。
本实用新型将旋变数字转换器输出的旋变激励信号(EXC和NEXC)进行调理,达到驱动旋转变压器的目的,将旋转变压器输出的正弦信号(SIN和SINLO)、余弦信号(COS和COSLO)经过调理,送入旋变数字转换器对旋变的角度和速度进行数字解码。根据旋转变压器的输入信号要求,旋变激励信号驱动电路必须提供高达100mA的单端电流,旋变激励信号驱动电路不仅提供电流驱动能力,而且提供旋变激励信号(EXC和NEXC)的增益,典型旋转变压器的输入电阻在100Ω~200Ω之间,初级线圈应利用5~9V有效电压驱动。旋变输出信号处理电路对旋变输出信号正弦信号(SIN和SINLO)、余弦信号(COS和COSLO)经过幅值和共模电压调节,以满足旋变数字转换器的输入要求。一般地,旋变激励信号EXC和NEXC可以经过现有的主要推挽电路和运算放大器组成的旋变激励信号驱动电路进行增益和驱动能力调节,但是该驱动电路实现复杂,对器件的精度和性能要求高,设计成本高,维修性差,正弦信号(SIN和SINLO)、余弦信号(COS和COSLO)调理电路采用电阻分压电路组成,该电路虽然简单,但是引入干扰比较大,且容易造成正弦信号、余弦信号相移,所以本实用新型采用差分运放,电路设计简单,有效滤除信号干扰,可靠性高,且易于维修。
为了更进一步的说明本实用新型提供的旋变信号调理电路,下面结合附图对本实用新型的具体实施方案作进一步详细说明。
本实用新型基于旋转数字转换器的调理电路原理:图2所示基于旋变数字转换器旋变信号调理电路,旋变数字转换器产生的旋变激励信号(EXC和NEXC)经过图3所示的旋变激励信号驱动电路进行幅值调整,电流驱动能力放大,以满足旋转变压器工作要求,然后将旋转变压器输出的正弦信号(SIN和SINLO)、余弦信号(COS和COSLO)经过图4所示的旋变输出信号处理电路进行幅值和共模电压调节,以达到旋变数字转换器工作的要求。
本实用新型采用的旋变数字转换器为AD2S1210,在设计本电路之前,需要对AD2S1210的参数进行设置,在本实用新型中,AD2S1210由CPLD控制,以便对其参数设置和地址译码,此部分不是本实用重点叙述的部分。时钟频率采用8.192M的外部晶振提供,分辨率设置为16bit(即RES0,RES1设置为高),并口读取数据(将SOE引脚接入+3.3V),将RESET和WR/FSYNC引脚设置为高。
旋变数字转换器AD2S1210的旋变激励信号驱动电路。该电路功能是将AD2S1210产生的旋变激励信号(EXC和NEXC)经过幅值放大,增加驱动电流能力后,送入旋转变压器驱动其正常工作。AD2S1210集成片上可编程正弦波振荡器,为旋变提供正弦波激励信号,激励信号的频率可根据用户需要自由设置,范围为2kHz~20kHz,AD2S1210默认的激励频率为10kHz,本实用中采用默认频率。AD2S1210输出的激励信号EXC和NEXC单端输出为3.6Vp-p,且中心电压为2.5V,旋变激励信号EXC至NEXC差分输出为7.2Vp-p,本实用中旋转变压器的激励电压EXC至NEXC差分输入值(8.2±20%)V(有效值),峰-峰值(Vp-p)为(11.5±20%)V,旋变的内阻为100Ω~200Ω,为满足旋变的要求,AD2S1210输出的激励信号差分信号需要11.5/7.2=1.6倍的放大,且中心值应在11.5/2=5.75左右,驱动电流I=8.2V/100Ω=0.082A,根据以上计算,激励信号驱动电路需要单端电源供电,且供电电源大于10V,要调节放大倍数,且驱动电流不小于100mA,所以本实用中选用高电压高电流运算放大器OPA551,它的电源输入范围为+4V to+30V,电流输出为200mA,将OPA551负电源(V-)端接地,激励信号驱动电路具体见图2所示,R1/R2用于设置运算放大器增益,电阻R3/R4用于抬高激励信号的中心值,输入到OPA551(+IN)引脚。旋变激励信号(EXC至NEXC)经过OPA551放大后的输出EXC_IN/NEXC_IN的电压为幅值为旋变激励信号的峰-峰值乘以放大倍数R1/R2,中心电压为6V左右的正、余弦信号。经过OPA551调理过的激励信号EXC_IN至NEXC_IN差分信号的中心电压为0,幅值为单端信号(EXC_IN/NEXC_IN至AGND)的2倍,将该差分信号接入旋转变压器,测得旋转变压器输出端信号正常,可连续变化,没有削波,旋变次级输出的正、余弦信号经AD2S1210解码后的数字量与旋变转动角度一致,说明该电路设计成功。
基于旋变数字转换器的旋变输出处理电路。该部分电路功能是将旋转变压器次级输出的正弦信号(SIN/SINLO)、余弦信号(SIN/SINLO),经过幅值调理,中心电压匹配,以达到AD2S1210对输入正、余弦信号的接受要求。旋变数字转换器AD2S1210对输入得正、余弦信号的要求为,电压幅值要求:SIN至SINLO=3.15Vp-p,相对于AGND的SIN、SINLO、COS、COSLO电压始终在0.15到4.8V之间,即单端信号均为正值,范围为(1.15~2)Vp-p,不允许出现负值,该正、余弦信号不能以0为中心点对称,中心点必须是AD2S1210规定的2.5V。由于本实用采用的旋转变压器变比1.44,旋变输出SINX/SINXLO8Vp-p、COSX/COSXLO差分为8Vp-p,所以必须设计一个幅值可以衰减的电路,且中心电压能够与AD2S1210的参考电压匹配,本实用采用了一种衰减式的运算放大器AD8475,AD8475是一款全差分衰减放大器,集成精密增益电阻,可提供精密衰减(0.4或0.8倍)、共模电平转换、单端差分转换及输入过压保护等功能。采用5V单电源供电时,其功耗仅16mW。AD8475的VCOM端与AD2S1210的REFOUT相连接,从而保证AD8475的输出信号的中心值与AD2S1210的正、余弦信号的中心电压值一致。旋变输出信号(SIN/SINLO、SIN/SINLO)处理电路如图4所示。根据旋变信号的输出幅值和AD2S1210输入的正、余弦信号要求,将SINXLO和COSXLO信号接地,即旋变输出的信号幅值为差分信号SINX/SINXLO、COSX/COSXLO的一半,即8Vp-p/2=4Vp-p,经过AD8475衰减0.4倍,即AD8475的+out和-out端输出幅值为1.6Vp-p的电压信号,满足AD2S1210正、余弦信号范围(1.15~2)Vp-p,满足AD2S1210的正、余弦信号SIN/SINLO为3.15Vp-p的要求,且中心电压为2.5V。另外,电阻和电容组成的滤波电路是为了滤除差分干扰和共模干扰。实物电路测试得,经旋变输出信号处理电路输出的信号无毛刺,信号质量良好,AD2S1210可以正确解调出旋转变压器转动位置和速度信息。
本实用新型提供的旋变数字转换器的旋变调理电路,电路原理实现简单,易于电路调试和维修,器件成本相对较低,可靠性高,信号在传输过程中收到的干扰能有效的滤除掉,对提高旋变数字转换器的数字解码精度有紧密关系。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种旋变数字转换器的旋变信号调理电路,其特征在于,包括集成于一体的旋变激励信号驱动电路(21)和旋变输出信号处理电路(22);
所述旋变激励信号驱动电路(21)的输入端用于连接旋变数字转换器(1)输出的激励信号;所述旋变激励信号驱动电路(21)的输出端用于输出激励信号给旋转变压器(3);
所述旋变输出信号处理电路(22)的输入端用于连接所述旋转变压器(3)输出的正、余弦信号;所述旋变输出信号处理电路(22)的输出端用于输出正、余弦信号给所述旋变数字转换器(1)。
2.如权利要求1所述的旋变信号调理电路,其特征在于,所述旋变数字转换器(1)为型号为AD2S1210的旋变数字转换芯片。
3.如权利要求1或2所述的旋变信号调理电路,其特征在于,所述旋变激励信号驱动电路(21)包括OPA551芯片及其外围电路;OPA551芯片的-IN通过电阻R1与所述旋变数字转换器(1)连接,OPA551芯片的OUT与所述旋转变压器(3)连接,OPA551芯片的V+连接+12V电压,OPA551芯片的V-接地,电阻R3和电阻R4依次串联连接在+12V电压与地之间;电阻R3和电阻R4的串联连接端连接至OPA551芯片的+IN;电阻R2连接在OPA551芯片的-IN与OPA551芯片的OUT之间,电容C7与电阻R2并联连接。
4.如权利要求1或2所述的旋变信号调理电路,其特征在于,所述旋变输出信号处理电路(22)包括AD8475芯片及其外围电路;
AD8475芯片的+INO.4X与所述旋转变压器(3)的SINX/COSX连接,AD8475芯片的-INO.4X与所述旋转变压器(3)的SINXLO/COSXLO/AGND连接,AD8475芯片的OUT+通过电阻R4与所述旋变数字转换器(1)的SINXLO/COSXLO连接,AD8475芯片的OUT-通过电阻R5与所述旋变数字转换器(1)的SIN/COS连接,AD8475芯片的VCOM通过电阻R3与所述旋变数字转换器(1)的REFOUT连接;AD8475芯片的-VS接地;电容C3的一端连接至AD8475芯片的VCOM,电容C3的另一端接地;电容C4的一端与所述电阻R4连接,电容C4的另一端接地;电容C5的一端与所述电阻R5连接,电容C5的另一端接地;电容C6的一端与所述电阻R4连接,电容C6的另一端与所述电阻R5连接。
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