《电子技术应用》

数字/旋转变压器转换模块及其外围电路设计

作者:沈祝山 杨笃伟 杨东升
2009/5/20 17:05:56

  摘  要: 简介了数字/旋转变压器转换模块的基本原理及其外围电路的设计方法。该模块可用于伺服机构、位置控制和检测系统中的旋转变压器信号给定,稍加改动也可用于自整角机信号给定。

  关键词: 旋转变压器 自整角机  计算机接口

   《电子技术应用》1999年第4期刊出的“旋转变压器/数字转换模块及其ISA接口电路的设计”一文介绍了将旋转变压器信号转换为数字信号的原理及其电路的设计方法。在实际应用中,除了需要将旋转变压器信号转换为数字信号外,还经常需要将数字信号转换为旋转变压器信号。如在计算机控制和测试过程中,均需要由计算机输出旋转变压器信号。本文介绍数字/旋转变压器转换模块的原理与电路设计方法。

1 数字/旋转变压器转换模块概述

  中国船舶工业总公司第七研究院第七一六研究所生产的SXZ系列数字/旋转变压器转换模块是一种全电子的旋转变压器模拟装置,也叫固态旋转变压器,其功能是将输入数字全角量转换成旋转变压器信号。该模块是计算机与控制系统之间的理想接口电路,可用于伺服机构、位置控制、火控系统、模拟器和工业控制中。

2 数字/旋转变压器转换模块基本工作原理

  数字/旋转变压器转换模块的原理框图如图1所示。转换模块主要由参考变压器、锁存器、正弦乘法器、余弦乘法器、象限选择开关、功率放大器和输出变压器等几部分组成。

 

  当数据总线上是代表角度的数字量时,控制脉冲的低电平将这些数字量锁存起来。若数字量为14位二进制数,则“ENM”对应高8位,“ENL”对应低6位。数字旋转变压器先将角度信息经数/模转换变为直流模拟信号,再按平面坐标进行分解,分解方法如图2所示。设输入数字量和转换后得到的模拟量所代表的角度为α(以Y轴正向为0°,顺时针增大),以坐标原点为起点,沿α方向取单位长度线段,将该线段向两坐标轴投影,则X轴和Y轴上的投影分别为sinα和cosα。分解后的两个直流模拟量经过交流乘法器后,变为交流信号。

  交流参考信号接在参考输入端,经变压器降压后送到数字旋转变压器中。交流参考信号与sinα和cosα两个直流信号相乘后,就得到两路交流输出信号。这两路交流输出信号的幅值分别随两个直流信号的变化而变化,频率与交流参考信号相同。两路交流信号分别送到中心线相互垂直的两线圈中,则在两线圈中形成交变磁场,两个交流磁场的向量的大小和方向,分别由sinα和cosα的大小和正负决定,如图3所示。这两个交流磁场合成后,所得合成磁场的向量方向,正好沿cosα信号轴正方向顺时针转过α角。由此可见,输出的两路交流信号在空间合成磁场的向量方向,就是输入数字量所代表的角度值。这样,数字旋转变压器就把代表角度的数字量转换成了两路(正弦和余弦)交流模拟信号,其合成交变磁场的方向就代表这个输入的角度值。

 

3 模块主要技术指标

  该系列模块有多个型号,下面是14SXZ1413的主要性能指标:

  输入代码  14位

  输出精度  ±4分

  分辨率    1.3分

  负载能力  1.3VA

  参考电压  36V/400Hz

  输出电压  11.8V/400Hz

4 模块输出电路设计

  模块共有6个模拟信号接线端子,其中,RH和RL接交流参考信号,S1、S2、S3和S4接旋转变压器。

  为改善转换器负载,提高其负载能力,应在接收机的输入端并联调谐电容,如图4所示。其目的是使并联电容与接收机感性负载产生并联谐振,使转换器的有功功率输出最大,以减小对转换器的输出功率要求。调谐电容容值的确定方法有如下两种:

 

  第一种为实验确定法。将图4中的电容器改为可变电容器,输入端(如S1端)串一个交流毫安表,在S1和S3之间加入额定激磁电压(如36V/400Hz)。调整可变电容容值,使毫安表的读数最小,此时的电容值,即为调谐电容值。

  第二种为理论计算法。驱动控制式变压器所需最小功率可表示为:

  因此,调谐电容起到了改善负载特性、提高转换器的负载能力的作用。

  几点说明:(1)调谐电容应选用一级精度产品(±5%),尽量使几个调谐电容容值相等;(2)调谐电容的耐压应大于300V,以免造成击穿;(3)当转换器与负载断开时,应同时将调谐电容与转换器断开,以免造成转换器的损坏。(4)调谐电容只适用于无源负载。

5 模块输入电路设计

  模块的输入信号为并行自然二进制码,“1”脚对应180度,“2”脚对应90度,“3”脚对应45度,余类推。

  由于输入信号是数字量,故可以用多种方法来给定,如单片机的输出口、I/O板的输出口等。为减小干扰,模块电路与计算机之间应采用光电隔离。在实际应用中,笔者还发现,若直接将光隔离片输出端与模块输入端相连,则模块发热量较大,若中间增加一个非门,则发热量小得多。该现象对“旋转变压器/数字”转换模块尤为明显。

  控制线上的逻辑“高”电平使输入实现透明,转换器的输出将跟随数字输入量变化。当“ENM”、“ENL”同时为低电平,则转换器的输出将被锁存为下降沿时刻的输入数据,并保持不变,直到“ENM”、“ENL”又置为高电平。如果不需要锁存器,“ENM”、“ENL”外接27kΩ上拉电阻到+5V即可。

 

参考文献

1 SXZ系列数字/旋转变压器转换模块使用说明书.中国船舶工业总公司第716所

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