[优秀毕业设计]-旋转变压器信号处理硬件设计.docx

摘要随着工业、军事以及民用设施的发展，现代控制系统中的一些控制装置，需要用到诸如位置、速度、加速度等模拟量。它们一般包含于轴角量中或由轴角量变换而来。因此需要把计算机输出的数字量变成控制系统所需的含有轴角量的模拟信号，旋转变压器就是一种常用的转换器件。旋转变压器监视旋转单元（例如电机转轴和齿轮）的轴间角，并将位置数据发送回运动控制系统。旋转变压器的设计使它能够显著减少电噪声和振动的影响。本设计通过模拟电路方法实现了简单的旋转变压器的信息处理。本设计通过模拟旋变信号电路产生旋变信号，并通过相敏检波滤波等处理电路，最终将角度信号转变为数字信号送入单片机，最后处理后的角度值在显示电路中显示。关键字：旋变信号角度信号处理AbstractWiththeindustrial,militaryandcivilianfacilities,thedevelopmentofanumberofmoderncontrolsystemscontroldevices,needtousesuchasposition,velocity,accelerationandotheranalog.Theyaregenerallyincludedintheamountofshaftangle,ortheamountofchangefromtheshaftangle.Sonecessarytothedigitaloutputintothecomputercontrolsystemwiththerequiredamountofshaftangleanalogsignals,resolverisacommonconversiondevices.Rotatingrotarytransformermonitoringunit(suchasthemotorshaftandgear)betweentheshaftangle,andlocationdataissentbacktothemotioncontrolsystem.Rotarytransformerdesignallowsittosignificantlyreduceelectricalnoiseandvibration.Themethodofanalogcircuitdesignachievedbyasimplerotarytransformerofinformation.Thedesignofthecircuitthroughtheanalogresolversignalsgeneratedresolversignal,andphasesensitivedetectionfilteringthroughtheprocessingcircuit,theendpointofthesignalintothedigitalsignalintothemicrocontroller,theangleofthefinalvalueafterthecircuitshowninthedisplay.Keywords:ResolverSignal>AngleSignalProcessing1绪论1.1 国内外研究现状和技术的发展趋势现代控制系统的一些控制装置常常需要用到角度这个模拟量。角度测量在工业控制中应用十分广泛，它在控制领域的作用不言而喻。随着科技发展，出现了许多不同的角度测量方法以及测量元件，比如旋转变压器，自整角机等。早期的旋转变压器用于计算解答装置中，作为模拟计算机中的主要组成部分之一。其输出最常见的也是容易实现的。60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生和检测元件。旋转变压器的应用，近期发展很快。除了传统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外，在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。旋转变压器的应用已经成为一种趋势。旋转变压器用于运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用。实际上，旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度，所以旋转变压器应用的更广泛。特别是，在高精度的双通道、双速系统中，广泛应用的多极电气元件，原来采用的是多极自整角机，现在基本上都是采用多极旋转变压器。1.2 课题研究的目的及意义这些年来，随着工业自动化水平的提高，随着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用越来越广泛。而永磁交流电动机的位置传感器，原来是以光学编码器居多，但这些年来，却迅速地被旋转变压器代替。可以举几个明显的例子，在家电中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都是向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。目前各国都在非常重视的电动汽车中，电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。例如，驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。旋转在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里，所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上，也是用旋转变压器作为位置速度传感器。因此在实际测量与控制系统中，对于旋转变压器的输出信号，即旋变信号的处理就是测量角位移的重要方法，通过对旋变信号经过处理以及反演变化推导出角度位移的方法对于许多需要节约成本的测量系统有重要意义。1.3 各种角度测量的传感器介绍以及比较1.31 自整角机自整角机是早期应用于测量角度系统中的，它利用自整步特性将转角变为交流电压或由转角变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化，或同步旋转。电机的这种性能称为自整步特性。在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送机，接收信号一方所用自整角机称为接收机（图131）。自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。自整角机按用途分为力矩式和控制式（变压器式）两种。力矩式用于同步指示系统；控制式用作测角元件。因此我们主要介绍控制式自整角机。图1-31控制式自整角发送机结构大多数采用两极凸极式结构，只在频率较高、尺寸较大时才采用隐极式结构。定、转子铁芯上分别装嵌单相激磁绕组和三相整步绕组。三相整步绕组为分布式星形接线，各相轴心线在空间相差120。转子绕组通过滑环和电刷引出接线的为接触式自整角机；通过电磁耦合方法引出接线的为无接触式自整角机，后者无接触摩擦和无线电干扰，但结构复杂，性能指标和利用率低。为了提高输入阻抗，所用激磁绕组匝数较多。控制式自整角接收机（自整角变压器）多采用隐极式结构，并在转子上装设高精度的正弦绕组。两台控制式自整角机与力矩式自整角机相似可组成角度测量系统，也可以有差动工作方式。由于生产工艺方面的原因，自整角机有零位和角度等方面的误差。1.32 旋转变压器60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生和检测元件。三线的三相的自整角机，早于四线的两相旋转变压器应用于系统中。所以作为角度信号传输的旋转变压器，有时被称作四线自整角机。随着电子技术和数字计算技术的发展，数字式计算机早已代替了模拟式计算机。所以实际上，旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度，所以旋转变压器应用的更广泛。特别是，在高精度的双通道、双速系统中，广泛应用的多极电气元件，原来采用的是多极自整角机，现在基本上都是采用多极旋转变压器。根据转子电信号引进、引出的方式，分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器。在有刷旋转变压器中，定、转子上都有绕组。转子绕组的电信号，通过滑动接触,由转子上的滑环和定子上的电刷引进或引出。由于有刷结构的存在，使得旋转变压器的可靠性很难得到保证。因此目前这种结构形式的旋转变压器应用的很少，目前无刷旋转变压器有两种结构形式。一种称作为环形变压器式无刷旋转变压器，另一种称作为磁阻式旋转变压器。其中我们运用的是正余弦旋转变压器，它是将转子转角变换成与之成正余弦函数关系的电压信号（图-32）。图1-32旋转变压器的基本工作方式：旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式：鉴相方式和鉴幅方式。鉴相工作方式:在旋转变压器定子的两相正交绕组(正弦用S和和余弦用C表示)，一般称为正弦绕组和余弦绕组上，分别输入幅值相等，频率相同的正弦、余弦激磁电压Us-UmSintUc=UmCost两相激磁电压在转子绕组中会产生感应电动势。根据线性叠加原理，假设电角度为小，电角度为则在转子绕组中感应电压为U=KUsSin+KUcCos=KUmCos(t-)其中K为变压比，可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角0。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的直线位移或角位移。鉴幅工作方式：给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同，即调幅的激磁电压Us=UmSinSint,Uc-UmCosSint则在转子绕组上得到感应电压为U=KUsSin+kUcCos=KUmSint(SinSin+CosUcCos0)=KUmCos(-)Sint在实际应用中，是不断修改激磁调幅电压值的电气角,使之跟踪的变化,并测量感应电压幅值即可求得机械角位移0旋转变压器的工作原理：旋转变压器角度位置伺服控制系统下图是一个比较典型的角度位置伺服控制系统。XF称作旋变发送机，XB称作旋变变压器。旋变发送机发送一个与机械转角有关的、作一定函数关系变化的电气信号;旋变变压器接受这个信号、并产生和输出一个与双方机械转角之差有关的电气信号。伺服放大器接受选变压器的输出信号，作为伺服电动机的控制信号。经放大，驱动伺服电动机旋转，并带动接受方旋转变压器转轴及其它相连的机构，直至达到和发送机方一致的角位置。旋变发送机的初级，一般在转子上设有正交的两相绕组，其中一相作为励磁绕组,输入单相交流电压;另一相短接，以抵消交轴磁通，改善精度。次级也是正交的两相绕组。旋变变压器的初级一般在定子上，由正交的两相绕组组成;次级为单项绕组，没有正交绕组(图1-33)。图1-33前面已经介绍过，旋转变压器有旋变发送机和旋变压器之分。作为旋变发送机它的励磁绕组是由单相电压供电，电压可以写为式(1)形式：Ui(t)=UimSint其中，一励磁电压的幅值，一励磁电压的角频率。励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通，在次级输出绕组中感生出电动势。当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化。又由于次级输出的两相绕组在空间成正交的90°电角度，因而两相输出电压如式(2)所示：U2fs(t)=U2FnSin(t+f)SineFU2R(t)=U2FnSin(t+f)Cosf其中，U2Fs一正弦相的输出电压，U2Fc一余弦相的输出电压，U2Fm一次级输出电压的幅值；F一励磁方和次级输出方电压之间的相位角，F一发送机转子的转角。1.33 感应同步器感应同步器是利用电磁原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。它是一种精度很高的测量元件，是一种新型的控制电机。根据用途，可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量线位移和角位移。将角度或直线位移信号变换为交流电压的位移传感器，又称平面式旋转变压器。它有圆盘式和直线式两种。在高精度数字显示系统或数控闭环系统中圆盘式感应同步器用以检测角位移信号，直线式用以检测线位移。感应同步器广泛应用于高精度伺服转台、雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高精度位置检测系统中。结构：圆盘式感应同步器由定、转子组成。其制作