一種高效數字/同步機轉換器設計

0   引言

軸位控制系統是現代控制系統中應用領(lǐng)域非常廣泛的一類(lèi)系統，實(shí)現執行機構對位置指令的精確跟蹤。數字/ 同步機轉換器可把計算機輸出的以數字形式表示的角度控制量轉換成同步機能夠接受的三相交流信號，用來(lái)驅動(dòng)控制變壓器、發(fā)送同步機和角度指示儀等。

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

1   構成與基本原理

數字/ 同步機轉換器是將輸入的14 位并行二級制數字角度經(jīng)處理后轉換成三相同步機角度模擬信號輸出。輸入二進(jìn)制數字信號與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(xiàn)式自整角機信號^[1]。輸出電壓分別為：

式中： θ——為轉子相對于定子的偏轉角度；

ω——為角頻率，ARC/t；

t——為時(shí)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(jiàn)圖1。

圖1 同步機輸出信號

設計的該種數字/ 同步機轉換器主要由三部分構成，第一部分為參考輸入隔離變換，第二部分包含數字輸入和內部的D/R 轉換器，第三部分包含輸出功率放大和為功率放大供電的脈動(dòng)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(guò)電源變壓器轉換，提供D/R 轉換器直流供電電源，另參考輸入通過(guò)參考變換器，為D/R 轉化器提供符合要求的參考信號，D/R 轉換器完成輸入數字信號到模擬兩路正弦信號的轉換，因輸出信號具有一定負載能力，所以?xún)陕氛倚盘栃枰儞Q且功率放大，為提高轉換效率，由參考信號通過(guò)電源變壓器變化為脈動(dòng)電源給功率發(fā)大器供電，最終完成數字輸入信號到功率輸出的同步機模擬信號轉換，數字輸入信號各位權值見(jiàn)表1，三相同步機輸出信號波形見(jiàn)圖3。

圖3 脈動(dòng)電源波形示意

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

表1 輸入二進(jìn)制數字各位的權值

2   關(guān)鍵電路的設計與實(shí)現

2.1 脈動(dòng)電源設計

由圖3 可看出，功率放大器供電電壓采用常規的直流電源電壓時(shí)，電源電壓幅值大大超過(guò)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字/ 同步機轉換器內部供電電路采取了脈動(dòng)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(lái)自參考電源。具體電路原理圖見(jiàn)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換成脈動(dòng)電源電壓。

圖4 脈動(dòng)電源電路原理圖

脈動(dòng)電源產(chǎn)生兩個(gè)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(shí)，脈動(dòng)電源和放大器輸出電壓都會(huì )同步發(fā)生變換，正、負脈動(dòng)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字/ 同步機轉換器功耗降低約50%。如圖5 為脈動(dòng)電源仿真波形圖，由仿真波形圖完全滿(mǎn)足供電電源電壓要求。

圖5 脈動(dòng)電源仿真波形圖

2.2 D/R轉換設計

數字/ 同步機轉換器技術(shù)核心是高精度轉換的實(shí)現，函數發(fā)生器的設計優(yōu)劣會(huì )直接影響產(chǎn)品的技術(shù)水平，轉換過(guò)程通過(guò)象限分割、線(xiàn)性近似實(shí)現。

常規的象限劃分是在360°范圍內分為四個(gè)象限，每個(gè)象限90°。輸入角度（?）數據的最高兩位（MSB和第2 位）用來(lái)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°范圍內的sin?和cos? 值。sin? 和cos? 在四個(gè)象限內的等效數學(xué)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(guò)參考輸入緩沖產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的電壓±VR（VR=Vmsinωt），當MSB 和次高位為01 時(shí)，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(shí)，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(shí)， 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。

為提高轉換精度，通過(guò)高四位輸入控制模擬開(kāi)關(guān)，進(jìn)行象限選擇，把0~360°分割成16 象限，每個(gè)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 位的扇區內角采用線(xiàn)性近似法建立函數數學(xué)模型，通過(guò)D/A線(xiàn)性近似轉換，將低角度數字信號轉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(luò )式電路，進(jìn)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(jìn)制數字角）

實(shí)現了數字角度到模擬角度的轉換即D/R 轉換。

3   性能指標測試

對所研制的高效數字/ 同步機轉換器進(jìn)行測試，達到如下技術(shù)指標：

輸入方式：14 位二級制數

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   結語(yǔ)

首次設計并研制出高效供電的數字/ 同步機轉換器具有體積小、效率高、單5 V 供電、實(shí)用性好和可靠性高等特點(diǎn)，滿(mǎn)足了軍用、工業(yè)領(lǐng)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(dòng)控制領(lǐng)域^[3]。隨著(zhù)各應用領(lǐng)域中的角度、位移測定與控制系統先進(jìn)方案的使用, 該部件的應用將會(huì )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.一種數字-軸角旋轉變壓器的實(shí)現[J/OL].www.paper.edu.cn.

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

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）