一種高效數(shù)字/同步機轉(zhuǎn)換器設計

0   引言

軸位控制系統(tǒng)是現(xiàn)代控制系統(tǒng)中應用領域非常廣泛的一類系統(tǒng)，實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對位置指令的精確跟蹤。數(shù)字/ 同步機轉(zhuǎn)換器可把計算機輸出的以數(shù)字形式表示的角度控制量轉(zhuǎn)換成同步機能夠接受的三相交流信號，用來驅(qū)動控制變壓器、發(fā)送同步機和角度指示儀等。

數(shù)字/ 同步機轉(zhuǎn)換器的主要用途之一是驅(qū)動控制變壓器和力矩接收機，所以輸出具有一定負載能力，為提高數(shù)字/ 同步機轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率，設計一種高效數(shù)字/ 同步機轉(zhuǎn)換器，把激磁電壓轉(zhuǎn)換成脈動電源提供給內(nèi)部功率放大器的功率電源，減少外部直流電源使用數(shù)量，提高產(chǎn)品的工作效率。

1   構(gòu)成與基本原理

數(shù)字/ 同步機轉(zhuǎn)換器是將輸入的14 位并行二級制數(shù)字角度經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換成三相同步機角度模擬信號輸出。輸入二進制數(shù)字信號與DTL/TTL/CMOS 電平兼容，另包括一路單相交流勵磁電壓（VR=Vm sinωt），輸出為3 線式自整角機信號^[1]。輸出電壓分別為：

式中： θ——為轉(zhuǎn)子相對于定子的偏轉(zhuǎn)角度；

ω——為角頻率，ARC/t；

t——為時間，s；

α——激磁信號與輸入信號間的相移。

三相同步機輸出信號波形^[2] 見圖1。

圖1 同步機輸出信號

設計的該種數(shù)字/ 同步機轉(zhuǎn)換器主要由三部分構(gòu)成，第一部分為參考輸入隔離變換，第二部分包含數(shù)字輸入和內(nèi)部的D/R 轉(zhuǎn)換器，第三部分包含輸出功率放大和為功率放大供電的脈動電源。主要原理框圖如圖2。

參考輸入隔離變換由參考變壓器和電源變壓器完成，通過電源變壓器轉(zhuǎn)換，提供D/R 轉(zhuǎn)換器直流供電電源，另參考輸入通過參考變換器，為D/R 轉(zhuǎn)化器提供符合要求的參考信號，D/R 轉(zhuǎn)換器完成輸入數(shù)字信號到模擬兩路正弦信號的轉(zhuǎn)換，因輸出信號具有一定負載能力，所以兩路正弦信號需要變換且功率放大，為提高轉(zhuǎn)換效率，由參考信號通過電源變壓器變化為脈動電源給功率發(fā)大器供電，最終完成數(shù)字輸入信號到功率輸出的同步機模擬信號轉(zhuǎn)換，數(shù)字輸入信號各位權值見表1，三相同步機輸出信號波形見圖3。

圖3 脈動電源波形示意

輸入數(shù)字信號時計算機輸出的以數(shù)字形式表示的角度控制量。輸入二進制數(shù)字各位的權值如表1。

表1 輸入二進制數(shù)字各位的權值

2   關鍵電路的設計與實現(xiàn)

2.1 脈動電源設計

由圖3 可看出，功率放大器供電電壓采用常規(guī)的直流電源電壓時，電源電壓幅值大大超過輸出正、余弦信號電壓峰值，功率放大器功耗很大，效率降低。

而設計的該種高效數(shù)字/ 同步機轉(zhuǎn)換器內(nèi)部供電電路采取了脈動電源方式。此種供電電路用電源變壓器接至參考，即輸入功率來自參考電源。具體電路原理圖見圖4 所示。參考輸入電壓先經(jīng)電源變壓器降壓，得到較低的交流電壓，交流電壓再由整流電路轉(zhuǎn)換成脈動電源電壓。

圖4 脈動電源電路原理圖

脈動電源產(chǎn)生兩個未濾波，全波整流的正向和負向電壓，該電壓與放大器輸出電壓同相，幅度只需比功率放大器電壓大幾伏，因為當參考電壓幅值改變時，脈動電源和放大器輸出電壓都會同步發(fā)生變換，正、負脈動電源電壓始終低于直流電源的恒定直流電壓值，由于電壓幅值一直較低，功耗將大大減少。以熱量形式散發(fā)的功耗等于放大器電流乘以電源和輸出電壓之差，以該種電路設計的數(shù)字/ 同步機轉(zhuǎn)換器功耗降低約50%。如圖5 為脈動電源仿真波形圖，由仿真波形圖完全滿足供電電源電壓要求。

圖5 脈動電源仿真波形圖

2.2 D/R轉(zhuǎn)換設計

數(shù)字/ 同步機轉(zhuǎn)換器技術核心是高精度轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)，函數(shù)發(fā)生器的設計優(yōu)劣會直接影響產(chǎn)品的技術水平，轉(zhuǎn)換過程通過象限分割、線性近似實現(xiàn)。

常規(guī)的象限劃分是在360°范圍內(nèi)分為四個象限，每個象限90°。輸入角度（?）數(shù)據(jù)的最高兩位（MSB和第2 位）用來控制象限選擇器，從第3 位至LSB 各位加到正、余弦乘法器上，產(chǎn)生0-90°范圍內(nèi)的sin?和cos? 值。sin? 和cos? 在四個象限內(nèi)的等效數(shù)學表達式分別為：

sin?（第Ⅱ象限）= +cos（?-90°）

cos?（第Ⅱ象限）= -sin（?-90°）

同理可得

sin?（第Ⅲ象限）= -sin（?-180°）

cos?（第Ⅲ象限）= -cos（?-180°）

sin?（第Ⅳ象限）= -cos（?-270°）

cos?（第Ⅳ象限）= + sin（?-270°）

參考電壓（差分電壓RH、RL）通過參考輸入緩沖產(chǎn)生兩個極性相反的電壓±VR（VR=Vmsinωt），當MSB 和次高位為01 時，象限選擇電路選擇+ VR和- VR，與正、余弦乘法器相乘，產(chǎn)生VRcosθ 和- VRsinθ，當MSB 和次高位為10 時，象限選擇電路選擇-VR與正、余弦乘法器相乘，產(chǎn)生- VR sinθ 和-VRcosθ，當MSB 和次高位為11 時， 象限選擇電路選擇-VR和+VR，與正、余弦乘法器相乘，產(chǎn)生-VRcosθ 和 VRsinθ。這樣從正、余弦乘法器中就輸出兩相正、余弦交流電壓信號。

為提高轉(zhuǎn)換精度，通過高四位輸入控制模擬開關，進行象限選擇，把0~360°分割成16 象限，每個象限22.5°。分割圖如圖4 所示。

圖4 16象限分割示意圖

在16 象限分割的基礎上，低10 位的扇區(qū)內(nèi)角采用線性近似法建立函數(shù)數(shù)學模型，通過D/A線性近似轉(zhuǎn)換，將低角度數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成對應的模擬角度信號。采用了精密電阻和運算放大器組成的網(wǎng)絡式電路，進而設計模擬運算電路得到兩路精密正交信號：

Asinωtsinφ

Asinωtcosφ（φ 為14 位并行二進制數(shù)字角）

實現(xiàn)了數(shù)字角度到模擬角度的轉(zhuǎn)換即D/R 轉(zhuǎn)換。

3   性能指標測試

對所研制的高效數(shù)字/ 同步機轉(zhuǎn)換器進行測試，達到如下技術指標：

輸入方式：14 位二級制數(shù)

參考電壓：115 V

參考頻率：400 Hz

供電電壓：+5 V

輸出方式：同步機三相交流信號

輸出電壓：90 V

精度：±4.2 角分

輸出效率：45%

4   結(jié)語

首次設計并研制出高效供電的數(shù)字/ 同步機轉(zhuǎn)換器具有體積小、效率高、單5 V 供電、實用性好和可靠性高等特點，滿足了軍用、工業(yè)領域使用的要求，適用于掃描、搜索、定位、導航、測量等功能要求的自動控制領域^[3]。隨著各應用領域中的角度、位移測定與控制系統(tǒng)先進方案的使用, 該部件的應用將會愈加廣泛。

參考文獻：

[1] SYNCHRE/RESOLVER CONVERSLON HANDBOOK

[Z].4th ed.2009,3.

[2] 陳丙勛,顧亞平.一種數(shù)字-軸角旋轉(zhuǎn)變壓器的實現(xiàn)[J/OL].www.paper.edu.cn.

[3] 徐大林.小型化高精度DRC/DSC模塊開發(fā)研究[J].電子工程師.1999(7):21-23.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）