一种新颖的位置角检测电路
黄声华 万山明 傅光洁 （华中理工大学）
1引言
在伺服 电机控制系统中，高性能的转子位置检测装置一般分光电式和电磁感应式两种，而光电式又分增量式光电编码器和****式光电编码器，它们的优点是能简单地检测出位置，但缺点是容易受电气噪声的影响，操作麻烦。利用电磁感应原理的旋转变压器（以下简称旋变）作为一种模拟式测角元件，有结构简单坚固的优点，而且因为检测器和伺服驱动之间传送的信号是低频正弦波，所以不易受噪声的影响。随着数字化检测方法的不同，位置分辨率也可以变化。一般的测角电路，仅能处理一个位置角，我们研制出的这种测角电路，不仅结构简单，精度高，而且可以同时检测多个位置角，该电路已成功应用于研制出的一套三自由度伺服电动机控制系统中。 2旋变的常用工作方式及原理
2.1常用工作方式
在系统中，可以采用空间正交的两相分段绕组激磁，由单相连续绕组输出信号，也可以采用单相连续绕组激磁，由正交的两相分段绕组输出信号。按照机械位置变换成电压幅值形式或相位形式的不同，又可以分为鉴幅及鉴相两种运行方式，激磁电压和电流的波形可以是正弦波，也可以是矩形波。调幅式具有精度高．抗干扰性好的优惠，但结构较复杂，成本高，因此采用鉴相方式。2.2两相激磁鉴相运行方式的原理
设两相绕组激磁电压为Ua、Ub，其对单相绕组****磁链，单相绕组感应电势为：
式中α为单相绕组与A相绕组导体中心线的夹角，ω为激磁电压角频率，由于α的变化率相对激磁频率很小，因此dα/dt=0。
采用正弦波励磁时，取UA=UmCOSωt，Ub=Umsinωt则
为了简化电源，也可采用矩形波励磁，用傅利叶级数表示的励磁电压为：
可以看到，谐波电势幅值与基波电势一样大小，因此，必须进行有效的滤波，滤去谐波，才能进行鉴相，取得与正弦波励磁同样的效果。
3同时检测多个角的电路
这种检测电路采用矩形波励磁，因为它不仅可以省去产生两相严格正交正弦波的麻烦，而且还可保证多个位置角检测的同步性，该电路框图如图1所示。
计数器部分采用了4片同步2进制计数器74LS161，使理论精度可达16位，但考虑到刷新时间的限制，只用其中的14位数据线。74LS161有两个使能端T和P，由于仅当T、P和4位数据位均为1时，进位输出C才为1，因此，可将T，P直接连到上级的进位输出端C上，如图2所示。
由于同步计数器中各个触发器用同一个脉冲源进行触发，使触发器状态韵改变与****的脉冲源同步，因此消除了异步计数器可能产生的毛刺误差，同时又可以保证各个位置角检测的同步性。
计数器****2位的信号异或之后即产生与****位相移90度的方波，这两路方波与一固定的电平比较，产生具有正负幅值的矩形波，经过限幅后即可直接作为励磁信号。
滤波器采用巴特沃斯( Butterworth)二阶低通滤波器，它的特点是频率在转折频率之前的信号可以原样通过滤波器，而其它信号则以-40dB/10倍频的幅度衰减。另外，低通滤波器对参数的选择要求不高，这样避免了采用带通滤波器带未的参数选择的困难。
滤波后产生的标准正弦波通过过零检测电路，在斜率为正的过零点处产生正跃变，作为位置角锁存信号，采用两片74LS374即可锁存全部数据，滤波器和过零检测电路如图3所示。
由于位置角数据全部用硬件产生，因此 的测角子程序如下：软件编程相当简单，采用8098汇编语言编程
在研制成功的这套三自由度电动机控制系统中，旋变型号为28XZW- 03，励磁电压为3.5V，额定频率为3kHz，位置角分辨率为0. 023度。在脉冲源振荡频率取24MHz时，采样周期为0. 67ms，由于位置角每隔0.67ms自动更新一次，CPU可以随时读取****位置角信息。
4结语
这种位置检测电路结构简单，精度高，抗干扰性好，成本低，对软件要求程度低，因而通用性强，可广泛应用于各种伺服系统，特别是需要同时检测多个位置角的场合。
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