旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計

學士學位(論文)學士學位(論文)隨著工業(yè)、軍事以及民用設施的發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的一些控制裝置，需要用到諸如位置、速度、加速度等模擬量。它們一般包含于軸角量中或由軸角量變換而來。因此需要把計算機輸出的數(shù)字量變成控制系統(tǒng)所需的含有軸角量的模擬信號，旋轉(zhuǎn)變壓器就是一種常用的轉(zhuǎn)換器件。旋轉(zhuǎn)變壓器監(jiān)視旋轉(zhuǎn)單元(例如電機轉(zhuǎn)軸和齒輪)的軸間角，并將位置數(shù)據(jù)發(fā)送回運動控制系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變壓器的設計使它能夠顯著減少電噪聲和振動的影響。本設計通過模擬電路方法實現(xiàn)了簡單的旋轉(zhuǎn)變壓器的信息處理。本設計通過模擬旋變信號電路產(chǎn)生旋變信號，并通過相敏檢波濾波等處理電路，最終將角度信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號送入單片機，最后處理后的角度值在顯示電路中顯示。關(guān)鍵字：旋變信號角度信號處理學士學位(論文)學士學位(論文)Withtheindustrial,militaraccelerationandotsignals,resolverisacommonconvef學士學位(論文)學士學位(論文)1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和技術(shù)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代控制系統(tǒng)的一些控制裝置常常需要用到角度這個模擬量。角度測量在工業(yè)控制中應用十分廣泛，它在控制領(lǐng)域的作用不言而喻。隨著科技發(fā)展，出現(xiàn)了許多不同的角度測量方法以及測量元件，比如旋轉(zhuǎn)變壓器，自整角機等。早期的旋轉(zhuǎn)變壓器用于計算解答裝置中，作為模擬計算機中的主要組成部分之一。其輸出最常見的也是容易實現(xiàn)的。60年代起，旋轉(zhuǎn)變壓器逐漸用于伺服系統(tǒng)，作為角度信號的產(chǎn)生和檢測元件。旋轉(zhuǎn)變壓器的應用，近期發(fā)展很快。除了傳統(tǒng)的、要求可靠性高的軍用、航空航天領(lǐng)域之外，在工業(yè)、交通以及民用領(lǐng)域也得到了廣泛的應用。旋轉(zhuǎn)變壓器的應用已經(jīng)成為一種趨勢。旋轉(zhuǎn)變壓器用于運動伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的傳感和測量用。。實際上，旋轉(zhuǎn)變壓器目前主要是用于角度位置伺服控制系統(tǒng)中。由于兩相的旋轉(zhuǎn)變壓器比自整角機更容易提高精度，所以旋轉(zhuǎn)變壓器應用的更廣泛。特別是，在高精度的雙通道、雙速系統(tǒng)中，廣泛應用的多極電氣元件，原來采用的是多極自整角機，現(xiàn)在基本上都是采用多極旋轉(zhuǎn)變1.2課題研究的目的及意義這些年來，隨著工業(yè)自動化水平的提高，隨著節(jié)能減排的要求越來越高，效率高、節(jié)能顯著的永磁交流電動機的應用越來越廣泛。而永磁交流電動機的位置傳感器，原來是以光學編碼器居多，但這些年來，卻迅速地被旋轉(zhuǎn)變壓器代替。可以舉幾個明顯的例子，在家電中，不論是冰箱、空調(diào)、還是洗衣機，目前都是向變頻變速發(fā)展，采用的是正弦波控制的永磁交流電動機。目前各國都在非常重視的電動汽車中，電動汽車中所用的位置、速度傳感器都是旋轉(zhuǎn)變壓器。例如，驅(qū)動用電動機和發(fā)電機的位置傳感、電動助力方向盤電機的位置速度傳感、燃氣閥角度測量、真空室傳送器角度位置測量等等，都是采用旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)在應用于塑壓系統(tǒng)、紡織系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)以及其他領(lǐng)域里，所應用的伺服系統(tǒng)中關(guān)鍵部件伺服電動機上，也是用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置速度傳感器。。因此在實際測量與控制系統(tǒng)中，對于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號，即旋變信號的處理就是測量角位移學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)的重要方法，通過對旋變信號經(jīng)過處理以及反演變化推導出角度位移的方法對于許多需要節(jié)約成本的測量系統(tǒng)有重要意義。1.3各種角度測量的傳感器介紹以及比較自整角機是早期應用于測量角度系統(tǒng)中的，它利用自整步特性將轉(zhuǎn)角變?yōu)榻涣麟妷夯蛴赊D(zhuǎn)角變?yōu)檗D(zhuǎn)角的感應式微型電機，在伺服系統(tǒng)中被用作測量角度的位移傳感器。自整角機還可用以實現(xiàn)角度信號的遠距離傳輸、變換、接收和指示。兩臺或多臺電機通過電路的聯(lián)系，使機械上互不相連的兩根或多根轉(zhuǎn)軸自動地保持相同的轉(zhuǎn)角變化，或同步旋轉(zhuǎn)。電機的這種性能稱為自整步特性。在伺服系統(tǒng)中，產(chǎn)生信號一方所用的自整角機稱為發(fā)送機，接收信號一方所用自整角機稱為接收機(圖1-31)。自整角機廣泛應用于冶金、航海等位置和方位同步指示系統(tǒng)和火炮、雷達等伺服系統(tǒng)中。自整角機按用途分為力矩式和控制式(變壓器式)兩種。力矩式用于同步指示系統(tǒng)；控制式用作測角元件。因此我們主要介紹控制式自整角機。圖1-31控制式自整角發(fā)送機結(jié)構(gòu)大多數(shù)采用兩極凸極式結(jié)構(gòu)，只在頻率較高、尺寸較大時才采用隱極式結(jié)構(gòu)。定、轉(zhuǎn)子鐵芯上分別裝嵌單相激磁繞組和三相整步繞組。三相整步繞組為分布式星形接線，各相軸心線在空間相差120°。轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷引出接線的為接觸式自整角機；通過電磁耦合方法引出接線的為無接觸式自整角機，后者無接觸摩擦和無線電干擾，但結(jié)構(gòu)復雜，性能指標和利用率低。為了提高輸入阻抗，所用激磁繞組匝數(shù)較多?？刂剖阶哉墙邮諜C(自整角變壓器)多采用隱極式結(jié)構(gòu)，并在轉(zhuǎn)子上裝設高精度的正弦繞組。兩臺控制式自整角機與力矩式自整角學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)機相似可組成角度測量系統(tǒng)，也可以有差動工作方式。由于生產(chǎn)工藝方面的原因，自整角機有零位和角度等方面的誤差。60年代起，旋轉(zhuǎn)變壓器逐漸用于伺服系統(tǒng)，作為角度信號的產(chǎn)生和檢測元件。三線的三相的自整角機，早于四線的兩相旋轉(zhuǎn)變壓器應用于系統(tǒng)中。所以作為角度信號傳輸?shù)男D(zhuǎn)變壓器，有時被稱作四線自整角機。隨著電子技術(shù)和數(shù)字計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式計算機早已代替了模擬式計算機。所以實際上，旋轉(zhuǎn)變壓器目前主要是用于角度位置伺服控制系統(tǒng)中。由于兩相的旋轉(zhuǎn)變壓器比自整角機更容易提高精度，所以旋轉(zhuǎn)變壓器應用的更雙速系統(tǒng)中，廣泛應用的多極電氣元件，原來采用的是多極自整角機，現(xiàn)在基本由轉(zhuǎn)子上的滑環(huán)和定子上的電刷引進或引出。由于有刷結(jié)構(gòu)的存在，使得旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性很難得到保證。因此目前這種結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)變壓器應用的很少，目前無刷旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種稱作為環(huán)形變壓器式無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，另一種稱作為磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器。其中我們運用的是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，它是將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變換成與之成正余弦函數(shù)關(guān)系的電壓信號(圖1-32)。圖1-32旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測裝置有兩種應用方式：鑒相方式和鑒幅方式。學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)在旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正交繞組(正弦用s和和余弦用c表示),一般稱為正弦繞組和余弦繞組上，分別輸入幅值相等，頻率相同的正弦、余弦激磁電壓兩相激磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中會產(chǎn)生感應電動勢。根據(jù)線性疊加原理，假設電角度為中，電角度為θ,則在轉(zhuǎn)子繞組中感應電壓為其中K為變壓比，可知感應電壓的相位角就等于轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)角θ。因此只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，而且旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子是和伺服電機或傳動軸連接在一起的，從而可以求得執(zhí)行部件的直線位移或角位給定子的兩個繞組分別通上頻率、相位相同但幅值不同，即調(diào)幅的激磁電壓則在轉(zhuǎn)子繞組上得到感應電壓為=KUmCos(φ-θ)Sinwt并測量感應電壓幅值即可求得機械角位移θ。旋轉(zhuǎn)變壓器角度位置伺服控制系統(tǒng)下圖是一個比較典型的角度位置伺服控制系統(tǒng)。XF稱作旋變發(fā)送機，XB稱作旋變變壓器。旋變發(fā)送機發(fā)送一個與機械轉(zhuǎn)角有關(guān)的、作一定函數(shù)關(guān)系變化的電氣信號；旋變變壓器接受這個信號、并產(chǎn)生和輸出一個與雙方機械轉(zhuǎn)角之差有關(guān)的電氣信號。伺服放大器接受選變壓器的輸出信號，作為伺服電動機的控制信號。經(jīng)放大，驅(qū)動伺服電動機旋轉(zhuǎn)，并帶動接受方旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)軸及其它相連的機構(gòu)，直至達到和發(fā)送機方一致的角位置。學士學位(論文)學士學位(論文)輸入單相交流電壓；另一相短接，以抵消交軸磁通，改善精度。次級也是正交的兩相繞組。旋變變壓器的初級一般在定子上，由正交的兩相繞組組成；次級為單項繞組，沒有正交繞組(圖1-33)。圖1-33前面已經(jīng)介紹過，旋轉(zhuǎn)變壓器有旋變發(fā)送機和旋變壓器之分。作為旋變發(fā)送機它的勵磁繞組是由單相電壓供電，電壓可以寫為式(1)形式：產(chǎn)生的交變磁通，在次級輸出繞組中感生出電動勢。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由于勵磁繞組和次級輸出繞組的相對位置發(fā)生變化，因而次級輸出繞組感生的電動勢也發(fā)生變化。又由于次級輸出的兩相繞組在空間成正交的90°電角度，因而兩相輸出電壓如式(2)所示：U(t)=USin(wt+ap)SU?re(t)=USin(wt+ar)Cosθr出電壓的幅值；aF—勵磁方和次級輸出方電壓之間的相位角，θF—發(fā)送機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。1.33感應同步器感應同步器是利用電磁原理將線位移和角位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。它是一種精度很高的測量元件，是一種新型的控制電機。根據(jù)用途，可將感應同步器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于測量線位移和角位移。將角度或直線位移信號變換為交流電壓的位移傳感器，又稱平面式旋轉(zhuǎn)變壓器。它有圓盤式和直線式兩種。在高精度數(shù)字顯示系統(tǒng)或數(shù)控閉環(huán)系統(tǒng)中圓盤式感應同步器用以檢測學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)結(jié)構(gòu)：圓盤式感應同步器由定、轉(zhuǎn)子組成。其制作過程是先用0.1毫米厚的敷銅板刻制或用化學腐蝕方法制成繞組，再將它固定到10毫米厚的圓盤形金屬或玻璃鋼基板上，然后涂敷一層防靜電屏蔽膜。定轉(zhuǎn)子間間隙為0.2～0.3毫米。轉(zhuǎn)子繞組為單相連續(xù)扇形分布，每根導片相當于電機的一個極，相鄰導片間距為一個極距。定子繞組為扇形分段排布，極距與轉(zhuǎn)子的相同。直線式感應同步器與圓盤式結(jié)構(gòu)相似。不同的是它由定尺與滑尺組成，繞組為等距排列。工作原理：感應同步器工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理相同。圓盤式感應同步器的轉(zhuǎn)子共有N個導片。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度θ時，定子繞組A和B分別感應輸出電勢式中Em為定子繞組感應電勢最大值，w為激磁電源角頻率。其最高精度與繞組的極對數(shù)有關(guān)。感應同步器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化360°/N時定子的頻率變化1赫，因此精度大為提高，最高精度可達0.1”。直線式感應同步器的滑尺移動距離為x時，滑尺繞組中分別感應輸出電勢當極距T=1毫米時，測量精度為±25微米。感應同步器有鑒幅型和鑒相型兩種工作方式。把轉(zhuǎn)角或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的電感式高精度傳感元件。又稱感應整步機。它與多極旋轉(zhuǎn)變壓器相似，借助于定、動片上繞組之間的電磁耦合，使輸出電壓隨定、動片相對位移呈正(余)弦函數(shù)規(guī)律變化。感應同步器的極對數(shù)比多極旋轉(zhuǎn)變壓器多得多。感應同步器按作用分圓盤式(又稱旋轉(zhuǎn)式)和直線式兩種。感應同步器通常做成分裝式，主要由定片和動片組成。工作時定片和動片之間保持均勻氣隙。感應同步器動片為連續(xù)繞組，定片為兩相分段繞組。圓盤式感應同步器轉(zhuǎn)子連續(xù)繞組以交即轉(zhuǎn)子連續(xù)繞組導體數(shù)；θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。運行方式：感應同步器輸出電信大小，基本運行方式有以下4種：①單相勵磁，兩相輸出，采用鑒相方式，精確反映位移信號；②單相勵磁，兩相輸出，采用鑒幅方式，較精確反映位學士學位(論文)學士學位(論文)移信號；③兩相勵磁，單相輸出，采用鑒相方式，精確反映位移信號；④兩相勵磁，單相輸出，采用鑒幅方式，較精確反映位移信號?；诙鄻O元件對信號偏差的補償原理，因感應同步器極對數(shù)很多，所以其精度很高。由于其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，性能穩(wěn)定，已廣泛用于機床、航天測試技術(shù)等設備和裝置中，用來構(gòu)成角度或位移的精密測量、定位和隨動系統(tǒng)，其精度可高達1角秒或1微米以下。利用電磁感應原理將兩個平面型繞組之間的相對位移轉(zhuǎn)換成電信號的測量元件用于長度測量。感應同步器的優(yōu)點有①具有較高的精度與分辨力。其測量精度首先取決于印制電路繞組的加工精度，溫度變化對其測量精度影響不大。感應同步器是由許多節(jié)距同時參加工作，多節(jié)距的誤差平均效應減小了局部誤差的影響。目前長感應同步器的精度可達到±1.5μm,分辨力0.05μm,重復性0.2μm。直徑為300mm的圓感應同步器的精度可達±1”,分辨力0.05”,重復性0.1”。②抗干擾能力強。感應同步器在一個節(jié)距內(nèi)是一個絕對測量裝置，在任何時間內(nèi)都可以給出僅與位置相對應的單值電壓信號，因而瞬時作用的偶然干擾信號在其消失后不再有影響。平面繞組的阻抗很小，受外界干擾電場的影響很小。③使用壽命長，維護簡單。定尺和滑尺，定子和轉(zhuǎn)子互不接觸，沒有摩擦、磨損，所以使用壽命很長。它不怕油污、灰塵和沖擊振動的影響，不需要經(jīng)常清掃。但需裝設防護罩，防止鐵屑進入其氣隙。④工藝性好，成本較低，便于復制和成批生產(chǎn)。由于感應同步器具有上述優(yōu)點，長感應同步器目前被廣泛地應用于大位移靜態(tài)與動態(tài)測量中，例如用于三坐標測量機、程控數(shù)控機床及高精度重型機床及加工中測量裝置等。圓感應同步器則被廣泛地用于機床和儀器的轉(zhuǎn)臺以及各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)的個數(shù)表示位移的大小。而絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，因此它的值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。在增量式中編碼器獲得物體的相對位置。旋轉(zhuǎn)編碼器可以測量物體運動的角位移，它由一個發(fā)光二極管(LED)、一個碼盤，以及碼盤背面的一個光傳感器。這個碼盤安置在旋轉(zhuǎn)軸上，上面按一定編碼形式排列著不透光和透光的扇形區(qū)域。當碼盤轉(zhuǎn)動時，不透光扇區(qū)能夠遮擋光線，而透光扇區(qū)則允許光線透過。這樣就產(chǎn)生了方波脈沖，可以編譯成相應的位置或運動信息。編碼器每轉(zhuǎn)通常分為100到6000個扇區(qū)，100個扇區(qū)的編碼器可以提供3.6度的精度，而6000個扇區(qū)的編碼器則可以提供0.06度的精度。線性編碼器與旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理類似。它采用了一條固定的不透光帶取代了旋轉(zhuǎn)碼盤，在不透光帶表面上有一些透光縫隙，而LED探測器組件則被附在運動體上，這樣可以測量物體的線位移。絕對式編碼器能夠獲得目標的絕對位置。絕對式編碼器的不同之處在于編碼器的碼盤上，采用了多組分區(qū)形成同心碼道，如同靶環(huán)一樣。同心碼道從編碼器碼盤的中心出發(fā)，向外擴展直到碼盤外部，每一層碼道都比其內(nèi)層多了一倍的分區(qū)。第一層，即最內(nèi)層的碼道，只有一個透光扇區(qū)和一個不透光扇區(qū)；位于中心的第二層就具有兩個透光扇區(qū)和兩個不透光扇區(qū)。如果編碼器有10層碼道，那么最外圍的碼道就有512個扇區(qū)。因為絕對式編碼器的每層碼道都比它里面一層的碼道多了一倍數(shù)目的扇區(qū)，所以扇區(qū)的數(shù)目就形成了二進制計數(shù)系統(tǒng)。在這種編碼器中，碼盤上的每個碼道都對應一個光源和一個接收器。絕對式編碼器的優(yōu)勢在于可以降低編碼器的轉(zhuǎn)速，可以使編碼器的碼盤在整個機器運動周期中只轉(zhuǎn)一圈。如果機器運動距離為10英寸，而編碼器具有16位精度，那么機器位置的精度就是10/65,536,即0.00015英寸。如果機器的行程更長譬如6英尺，那么粗旋轉(zhuǎn)編碼器可以保證跟蹤每一英尺距離；第二級稱為細旋轉(zhuǎn)編碼器可以跟蹤1英尺以內(nèi)的距離。對于角度編碼器，有對于位移編碼器，有NIM系列數(shù)據(jù)采集卡所帶有的Counter可以滿足ABZ三相編碼器的測量，這三路脈沖信號需要直接連接到Counter的Source,Gate和Aux上，經(jīng)過設置編碼器類型，編碼方式等信息，可以直接換算成需要的旋轉(zhuǎn)角度或位移值。1.35各種角度傳感器的比較作為角度位置傳感元件，常用的有這樣幾種：自整角機、光學編碼器、磁性編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器。由于制作和精度的緣故，磁性編碼器沒有其他兩種普及。光學編碼器的輸出信號是脈沖，由于是天然的數(shù)字量，數(shù)據(jù)處理比較方便，因而得到了很好的應用。早期的旋轉(zhuǎn)變壓器，由于信號處理電路比較復雜，價格比較貴的原因，應用受到了限制。因為旋轉(zhuǎn)變壓器具有無可比擬的可靠性，以及具有足夠高的精度，在許多場合有著不可代替的地位，特別是在軍事以及航天、航空、航海等方面。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件集成化程度的提高，元器件的價格大大下降；另外，信號處理技術(shù)的進步，旋轉(zhuǎn)變壓器的信號處理電路變得簡單、可靠，價格也大大下降。而且，又出現(xiàn)了軟件解碼的信號處理，使得信號處理問題變得更加靈活、方便。這樣，旋轉(zhuǎn)變壓器的應用得到了更大的發(fā)展，其優(yōu)點得到了更大的體現(xiàn)。和光學編碼器相比，旋轉(zhuǎn)變壓器有這樣幾點明顯的優(yōu)點：①無可比擬的可靠性，非常好的抗惡劣環(huán)境條件的能力；②可以運行在更高的轉(zhuǎn)速下。(在輸出12bit的信號下，允許電動機的轉(zhuǎn)速可達60,000rpm。而光學編碼器，由于光電器件的頻響一般在200kHz以下，在12bit時，速度只能達到3,000rpm);③方便的絕對值信號數(shù)據(jù)輸出。1.4本章小結(jié)由于旋變信號在實際運用越來越廣泛，以旋轉(zhuǎn)變壓器旋變信號為重要的角度即旋變信號的處理就是測量角位移的重要方法，通過對旋變信號經(jīng)過處理以及反演變化推導出角度位移的方法對于許多需要節(jié)約成本的測量系統(tǒng)有重要意義。本章在介紹了各種角度傳感器(自整角機、光學編碼器、磁性編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器)的基本原理以及工作方式以后，對它們在精度，成本，可靠性，抗干擾等方面的優(yōu)勢和劣勢進行了比較。學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)2研究內(nèi)容和數(shù)字模擬方案比較機同軸連接的旋轉(zhuǎn)變壓器的角度測量就可以2.2數(shù)字模擬方案比較(1)提供有10位、12位、14位和16位的分辨率，用戶可通過兩個控制引腳自行選用不同的分辨率。具體見表2-21,(3)采用比率跟蹤轉(zhuǎn)換方式，使之能連續(xù)輸出數(shù)據(jù)而沒有轉(zhuǎn)換延遲并具有較(4)用戶可通過外圍元器件的選擇來改變帶寬、最大跟蹤速度等動態(tài)性能。(5)具有很高的跟蹤速度。當采用10位分辨率時，最大跟蹤速度達1040r/±0.1%,回差小于±0.3%,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測速發(fā)電機，提供高精度的速度信號。(7)具有過零標志信號(RIPPLECLOCK)和旋轉(zhuǎn)方向信號(DIRECTION)。(8)正常工作的參考頻率為0～20,000Hz。學士學位(論文)學士學位(論文)分辨率(bit)最大跟蹤轉(zhuǎn)速(r/sec)表2-21AD2S83外圍電路連接：旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁頻率取為7kHz,要求伺服電機的最大轉(zhuǎn)速6000r/min(100r/sec),故采用12位分辨率。其中，所選擇的分辨率與所能跟蹤的最大轉(zhuǎn)速的輸出數(shù)據(jù)的分辨率由控制引腳SC1、SC2的邏輯狀態(tài)決定，為獲得所需的帶寬、最大跟蹤速度等動態(tài)性能指標，可按以下方法來選擇外圍元器件：(1)旋變信號的正、余弦地均接在第6引腳(SIGNALGND)上，該引腳與第5須盡可能在靠近芯片的地方芯片的地方并聯(lián)一個100nF的解耦電容。(4)選擇不同的分辨率將影響電阻R4、R6的值，故當改變分辨率時必須保轉(zhuǎn)換結(jié)束時才可改變分辨率。阻接在+Vs(+12V),故當需要這些引腳為高電平時，使其懸空即可，不需額外學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)出的32位定點DSP控制器，是目前控制領(lǐng)域最先進的處理器之一。其頻率高達150MHz,大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度和芯片處理能力。TMS320F2812芯片是基于DSP的內(nèi)核，并提供浮點數(shù)學函數(shù)庫，從而可以在定點處理器上方便的實現(xiàn)浮點運算。在高精度伺服控制、可變頻電源、UPS電源等領(lǐng)域廣泛應用，同時是電機等數(shù)字化控制產(chǎn)品升級的最佳選擇。采用DSP實現(xiàn)數(shù)字化處理和控制已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢，其中TI公司于1982年推出第一個DSP以來，處理器的技術(shù)發(fā)展迅猛，其中的TMS320處理器具有較高的信號處理和控制功能，數(shù)據(jù)處理模塊由雙口RAMIDT7134、總線和主計算機連接起來，構(gòu)成主從式多處理器工作模式，如圖1所示。主從式處理器系統(tǒng)的設計關(guān)鍵在于處理器之間的數(shù)據(jù)交換，主從處理器間的數(shù)據(jù)交換主要四種交換方式。本方案采用IDT公司的雙口RAM學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)算機和C31之間數(shù)據(jù)交換的正確性。本方案中采用了在IDT7134中設置輸入輸出片基于TI公司開發(fā)的第二代高性能的超長指令字結(jié)構(gòu)VelociT].2,VelociTl2在8個功能單元里擴展了88條新的指令以增強其在視頻/圖像應用中的性能，并提高了視頻處理的并行性DM642的程序總線寬度為256bit,次取值操作可以讀取8條指令，并且片內(nèi)集成的8個功能單元能夠獨立的進行指令譯碼和執(zhí)行.二者一起形成了DM642的8條流水線處理機制。8個功能單元中有2個乘法器，每個乘法器在1個時鐘周期內(nèi)可以執(zhí)行2個16X6bit或4個8×8bit的乘法操作，因此DM642在每個時鐘周期內(nèi)可阻執(zhí)行4個16×16bit的乘法或8個8×8bit的乘法操作。其余6個功能單元是算術(shù)邏輯單元，能在每個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行2個16位或4個8位的加減、比較、移位等運算。在600MHz的時鐘頻率下，0M642每秒最多可以進行24億次16位的乘累加或48億次8位的乘累加操作。強大的運算能力使DM642可以同時進行多路高質(zhì)量的視頻處理。DM642系列可以在最高720MHz的時鐘頻率下工作，處理能力最高達到5760MIPS,所以隨著頻率的增}Jf1DM642的性能也會隨之大幅度提高。同時64位的EMIF使DM642具有最大或同步存儲器(如SDRAM)的擴展連接。良好的擴展能力使DM642可以更靈活、高學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)以方便的進行系統(tǒng)的軟件升級。。11公司的各種型號DSF專為實時信號而設計，在其各種型號的DSP中，TMS320F28x系列DSP將實時信號處理能力和控制器外設功能集于一身，為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個非常理想的解決方案?；谠撓到y(tǒng)對于速度，功耗，成本等方面的考慮，本課題采用了TMS320F28x系列中的TMS320F2812作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理器件.TMS320F2812的指令執(zhí)行速度高達150MIPS,作為控制器應用它具備良好的實時控制能力：它的供電電壓為3.3V,與單片機相比，具有更低的控制器功耗：它的指令系統(tǒng)提供了豐富的“乘累加”,“循環(huán)尋址”等指令，這使得實時信號處理中的濾波，頻譜分析，可以方便快速采用微處理器或者DSPde數(shù)字控制方式是目前涉及控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，主■由軟件程序修改而實現(xiàn)不同的控制方法，無須更改硬件電路?！隹山档腕w積、體重與功耗，同時價格也較低?！鼍哂休^高的可靠性。且易于維修與測試。■對噪聲與干擾有較強的抗干擾能力。采用DSPTMS320F240作主控CPU,它是專用于電機數(shù)字控制的高速數(shù)字信號處變壓器輸出的模擬位置信號(SIN,COS)轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)字信號，然后由DSP將數(shù)字位置信號讀入并進行處理。在靠近芯片第41引由于旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的位置信號(SIN,COS)滿足AD2S83信壓器輸出的正余弦信號轉(zhuǎn)換為滿足AD2S83的幅值與相位要求的信號。若將然不適于實時控制的要求。因此，筆者設計了一個即時讀取數(shù)據(jù)的接口電路。將學士學位(論文)學士學位(論文)INHIBIT引腳始終置為高電平(+5V),同時將ENABLE引腳接地，使三態(tài)輸出引置為邏輯高(懸空即可),使12位數(shù)據(jù)總線為輸出總線。為了使DSP能隨時讀取所產(chǎn)生的信號作為鎖存器的輸出允許信號(OE),這樣，當DSP需要讀取位置信號制的實時性。其接口電路原理圖如圖2-23所示。D416譯碼醬416譯碼醬采用這種接口方案可以實時地讀取位置信息，完全可滿足對轉(zhuǎn)子位置和速度進行實時快速控制的要求，所提供的移相觸發(fā)控制算法和順序觸發(fā)控制算法經(jīng)系統(tǒng)實際運行證明具有觸發(fā)可靠、準確的特點。實驗證明，在斜波電壓起動模式和限學士學位(論文)學士學位(論文)基于數(shù)字式信息處理旋變信號小結(jié)現(xiàn)代控制系統(tǒng)的發(fā)展，一般均采用專用數(shù)字控制系統(tǒng)，而專用數(shù)字控制系統(tǒng)的功能，相當一臺小型專用電腦。因此對反饋元件的要求，并不是簡單地送出電壓模擬量，而是要求得到旋轉(zhuǎn)變壓器型軸角編碼器的組件化產(chǎn)品。該組件集旋轉(zhuǎn)變輸出為標準的二進制碼Bi(θ)與測量角度θ的關(guān)系，可以直接插入主機控制板或與旋轉(zhuǎn)變壓器一體化。屆時，作為控制系統(tǒng)的用戶關(guān)心的是：旋轉(zhuǎn)變壓器的安裝尺寸，輸出的角度二進制編碼Bi(θ)的編碼精度及反饋組件的傳遞函數(shù)G(s)。與傳統(tǒng)的作法相比，可省去用戶的控制系統(tǒng)空間及時間。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器作為軸角位置測量元件，主要用于控制系統(tǒng)的角位置信息反饋、慣導系統(tǒng)的坐標分解器及移動指揮控制中心的定位等場合。近年來的新技術(shù)、新工藝和新材的大量應用促進了雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器與超大規(guī)模專用集成電路的結(jié)合——雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器型軸角編碼組件，使其無論在理論還是在實際應用中都有了極大的發(fā)展。這類軸角編碼組件的輸出信號為數(shù)字量形式，經(jīng)電氣誤差模型化的綜合補償，并通過電子技術(shù)處理，其電氣精度已達到相當可觀的等級，并可通過實時數(shù)據(jù)傳輸。同時，這類軸角編碼組件能在惡劣的環(huán)境下工作，具有較高的可靠性。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器型軸角編碼組件一直是軍事裝備系統(tǒng)中主要的角度位置測量、定位元件，其編碼采用按照跟蹤反饋法原理工作的專用編碼大規(guī)模集成電路(RDC)來處理，先對高頻高精度雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的粗、精通道分別進行編碼，然后經(jīng)粗、精通要求為角秒級精度，因此選用粗、精通道組合的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器、正余弦交流電源及兩套超大規(guī)模專用集成電路(RDC)組成軸角編碼組件。這時分別將粗、精通道旋轉(zhuǎn)變壓器的模擬輸出正、余弦信號轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字編碼信號輸出，兩路編碼信號經(jīng)同步邏輯組合輸出，其編碼信號的電氣精度應滿足用戶要求。精通道一路的輸出編碼可再經(jīng)過參數(shù)調(diào)整，使組件的電氣精度進一步提高。2.22基于模擬技術(shù)的旋變信息處理傳統(tǒng)的信號處理或控制系統(tǒng)是采用模擬技術(shù)進行設計和分析，處理設備和控制器采用模擬器件(電阻、電容和運算放大器等)實現(xiàn)。流程圖見圖2-24器相位補償相敏解調(diào)器乘法器單片機A/D轉(zhuǎn)換電路濾波電路圖2-24流程圖余弦信號正弦信號顯示電路因為本設計沒有運用旋轉(zhuǎn)變壓器，因為首先通過模擬電路模擬出旋變信號，然后將模擬出的旋變信號通過單片機作為主控單元進行分析后，通過編程解出角度的量值，最后在顯示單元中顯示機械角度值。2.3數(shù)字方式與模擬方式的比較可以看出，數(shù)字方式與模擬方式各有各自的特點，下面我們就它們的多個方1,硬件成本采用微處理器或者DSP的主要優(yōu)點就是能夠以軟件程序取代復雜的硬件電路。由于大規(guī)模集成電路(VLSI)發(fā)展迅速，高處理能力的CPU以及大容量的存儲器，它們均能夠以非?？斓乃俣葘崿F(xiàn)較復雜的控制算法，但是由于現(xiàn)在集成技術(shù)發(fā)展沒有所使用的模擬元件廣泛，導致專用的集成芯片相對于普通適用的模擬電路要貴幾十倍，整個數(shù)字方式采用的專用芯片外加DSP芯片成本相對于模擬方式總成本也貴了幾十倍。因此在成本這個角度考慮模擬電路在基本電路實現(xiàn)上有很大的優(yōu)勢。2,量化誤差大小物理系統(tǒng)的信號是模擬的，因此以微控制器或DSP為基礎的信號處理系統(tǒng)就必須采用A/D與D/A轉(zhuǎn)換器才能與外界的模擬信號進行溝通，由于這些模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器均有分辨率上的限制，通常為8位或者12位，因此，在采樣上也就學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)造成了量化誤差，由于量化誤差在信號上的大小造成的不連續(xù)與導致的誤差以及因為采樣在時間上造成的不連續(xù)均對信號造成失真，而這也就是數(shù)字信號處理系統(tǒng)的主要限制。因為這種量化與采樣對信號所造成的誤差極為明顯。如果DSP通過A/D轉(zhuǎn)換器將讀入的正弦信號再通過D/A轉(zhuǎn)換器送出，比較輸入與輸出信號即可觀察到所造成的誤差。當正弦的頻率逐漸增高時，這種現(xiàn)象則更為明顯。由采樣定理可知，如果采樣頻率高于信號頻率的兩倍，即可完全恢復原始信號，但實際上由于不可得到理想的采樣，再加上噪聲與量化所造成的誤差，一般而言，采樣頻率比信號頻率高10倍。3,軟件信號測量容易成都采用DSP進行信息處理，將以軟件程序?qū)崿F(xiàn)控制算法，因此其內(nèi)部變量與控制器的參數(shù)均不易于觀測，而不像模擬信號處理系統(tǒng)可以使用示波器觀測任何一點的信號，雖然控制器參數(shù)可以程序控制，但往往需要額外的軟硬件設計。4,可靠性復雜的數(shù)字處理系統(tǒng)應用于工業(yè)自動化，如CNC或者機器人，應用于國防工業(yè)如導彈與導航等，均需要高可靠性，采用高度集成的微控制器或DSP使系統(tǒng)的可靠性有了極大的提高。5,電磁干擾問題較少VLSI的高密度電路，降低了在電力電子系統(tǒng)中的高電壓與高電流變化對電路所形成的影響，控制芯片的屏蔽較為簡單，由電力線或信號線所產(chǎn)生的噪聲也容易濾掉。6,不會有漂移與參數(shù)變化在模擬電路十幾種遇到的一些問題，如溫度或環(huán)境變化而引起的漂移現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也會因為組件老化而發(fā)生，但在數(shù)字電路中則可以消除這些問題。以微處理或單片機軟件實現(xiàn)的數(shù)值計算不僅不會有參數(shù)變化，計算也會百分之百正確，而且截斷和溢出等問題也可以采用適當?shù)恼{(diào)整比例范圍來解決。7,通用的軟硬件平臺采用DSP實現(xiàn)數(shù)字處理系統(tǒng)，可以使系列產(chǎn)品具有相同或類是的硬件結(jié)構(gòu)，不僅易于維修，也簡化了生產(chǎn)制造的過程，同時對軟件設計而言。也因為有了共同的硬件標準而較易規(guī)劃與設計。學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)8,自動糾錯能力采用微電腦控制，可用軟件進行系統(tǒng)硬件額自動糾錯，不僅能確保系統(tǒng)正常工作，還由于具有自動糾錯能力而簡化了故障維修。例如可以檢測系統(tǒng)是否接線正確、功率是否有短路現(xiàn)象等。9,計算能力的限制雖然由于微電子技術(shù)的快速進展，微處理器與DSP執(zhí)行速度已大幅提高，但在執(zhí)行速度上仍無法與特定模擬電路所完成的硬件控制相比。由于特定硬件在信號處理上是以并行方式處理的，而在微處理器或DSP為基礎的數(shù)字控制是以串行方式執(zhí)行軟件，如果DSP有多個工作要做，則需要將各個任務劃分時間段進行處理，因而造成了采樣延遲，導致信號無法連續(xù)處理。無法獲取采樣之間的信號，這使得系統(tǒng)的帶寬也就受到了限制，這個限制雖然可由多個處理器并行處理，但本身采樣效應所造成的限制是無法去除的。2.4本章小結(jié)處理旋變信號主要有兩大方式，模擬方式和數(shù)字方式。其中，自20世紀六十年代以來，數(shù)字信號處理已經(jīng)日漸成為一項成熟的技術(shù)，并在多項應用領(lǐng)域逐漸取代了傳統(tǒng)模擬信號處理系統(tǒng)。數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ玫奶幚碓O備，以數(shù)值計算的方式對信號進行采集、變換、綜合、估計和識別等加工處理。數(shù)字信號處理技術(shù)具有靈活、精確、抗干擾能力強，設備尺寸小、速度快、性能穩(wěn)定和易于升級等優(yōu)點，所以目前大多設備采用數(shù)字技術(shù)設計實現(xiàn)。但是數(shù)字電路相對于模擬電路有著本身需要解決的問題例如計算能力的限制、軟件信號不易測量以及存在量化誤差，成本比較高，在基礎仿真中不容易實現(xiàn)等問題，因此我們應該選擇在模擬方式下進行旋變信號的處理，提高對于模擬電路的理解與應用，最終實現(xiàn)對旋變信號的全面了解。3方案設計根據(jù)上章的分析，綜合數(shù)字方式處理旋變信號以及模擬方式旋變信號處理的優(yōu)勢與劣勢，從各項因素以及自身條件出發(fā)，本設計決定選擇模擬方式進行旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理。學士學位(論文)學士學位(論文)在模擬方式處理旋變信號時，本設計設計了兩種模擬電路方案進行比較。兩種方案有所異同，但是最終得出機械角度測量的精度以及旋變信號處理中的相位會有所不同，最后將進行比較。總體來說，方案框架如下：相敏檢波波形檢測濾波以及相位補償電路AD轉(zhuǎn)換電路單片機圖3-1整體方案框圖下面將給出本設計的兩種方案的具體電路圖3.2方案一系統(tǒng)設計為了后面介紹各個部分電路的功能以及各個部分電路之間的關(guān)系，首先給出方案一的總體電路圖(圖3-2)。學士學位(論文)學士學位(論文)圖3-2方案一電路總圖3.21旋轉(zhuǎn)變壓器信號模擬電路設計由于鑒幅和鑒相方式時角度位移是一個受到電角度以及系統(tǒng)電磁量的影響，因此為了消除這些模擬方式上存在誤差，在模擬旋變信號時，設定角度位移是θ,同時人為引進變量φ,這個變量中僅僅受到人為調(diào)整，不受到系統(tǒng)其他參數(shù)的影響，因此提高了角度測量的精度。最后推導出的公式為：具體公式在后面推導，下面先給出實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器信號的模擬電路圖(圖學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)圖3-21旋變信號產(chǎn)生模擬電路圖可以由上圖中看出，兩個乘法器(U1和U2)實現(xiàn)了兩個信號相乘，其中U1的1號端口輸入的是人為給定的角度φ的正弦函數(shù)Sinφ,3號端口的輸入是SinwtCosθ,7號端口輸出的是SinwtCosθSinφ。其中U2的1號端口輸入的是人為給定的角度φ的余弦函數(shù)Cosφ,3號端口的輸入是SinwtSinθ,七號端口輸出的是SinwtSinθCosφ。特別要指出的是，由于乘法器內(nèi)部將信號衰減了10倍，因此本設計的后面放大電路將信號衰減的這10倍考慮在內(nèi)。下面給出AD633乘法器的內(nèi)部電路圖(圖3-22)。圖3-22AD633芯片內(nèi)部電路AD633是一款低成本的乘法器，它包括了一個核心的濾波器，并且連接了一個單位增益輸出，差分輸入X和Y轉(zhuǎn)換為差動電流的電壓電流轉(zhuǎn)換器，并配置各進R淡延進R淡延種模擬計算功能。同時AD633是一個功能完整，四象限模擬乘法器。它包括高阻抗，差分X和Y輸入和一個高輸入阻抗總結(jié)(Z)的。低的IM-pedance輸出電壓為10伏標稱穩(wěn)壓提供全面埋地。該AD633是第一個產(chǎn)品提供SOIC封裝，這些特征在價格適中的8引腳塑料DIP和。AD633是規(guī)模的激光校準，以充分保證了總的2%的精度。輸入非線性的Y-通常小于0.1%和噪音提到了輸出通常小于100μV的帶寬有效值在10赫茲到10千赫?？梢钥闯觯朔ㄆ鰽D633的公式為：兩個信號經(jīng)過一個減法器U3以后在1號端口得到信號。經(jīng)過和差化積以后為Vua=Sin(θ-φ)Sinwt即為所要的旋變信號。3.22減法電路設計本設計采用的是由LM158構(gòu)成的單運放基本減法電路，其電路圖如圖3-23所示。圖3-23減法電路圖該電路所用運放LM158。它為單片高增益雙運算放大器，可在較寬范圍的單電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓大小無關(guān)。LM158芯片引腳功能說明：1為輸出端，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接-Vcc,5為正向輸入端，6為反向輸入端，7為輸出，8接+Vcc,Vcc為電源電壓減法電路的分析和參數(shù)的設置：由基爾霍夫第一定律列電流等式有：4=L,+L,Z?=I?+?將上式用歐姆定律展開：x2R為了消除偏置電流引起的誤差，要求運算放大器兩輸入端的外電路其總電阻必須平衡，即Vu=SinwtCosθSinp-SinwtSinθCosp=Sin(θ-φ)Sinwt3.23相敏檢波電路相敏檢波是具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力的檢波電路。相敏檢波電路具備兩個重要特性：選頻與鑒相特性。其中，選頻特性指的是它對不同頻率的輸入信號有不同的傳遞特性。以參考信號為基波，所有偶次諧波在載波信號的一個周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對于n=1,3,5等各奇次諧波，輸出信號的幅值相應衰減為基波的1/n,即信號的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對高次諧波有一定抑制作用。鑒相特性指的是輸入信號與參考信號同頻信號，但有一定相位差，即輸出信號隨相位差的余弦而變化。由于在輸入信號與參學士學位(論文)學士學位(論文)器器考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號的大小與相位差有確定的函數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)輸出信號的大小確定相位差的值，相敏檢波電路的這一特性稱為鑒相特其中，我們重點使用的便是相敏檢波的鑒相特性，因為通過檢測信號的輸出即可以得到有關(guān)于相位差的信息，由于相位差中包含了角位移的信息，因此可以從中找出角度位移。和和貨裂機沖獸等東落溫資高的要喻過敬通名之說常圖3-24相敏檢波電路可以看到，模擬的旋變信號經(jīng)過乘法器(U5)的1管腳接入，3管腳接入了一個參數(shù)已定的載波信號，兩個信號經(jīng)過乘法器相乘后接入到濾波電路。3.24濾波電路無源濾波這指的是種電路主要有無源元件R、L和C組成的濾波電路，它通過電感和電容的匹配對某次諧波并聯(lián)低阻(調(diào)諧濾波)狀態(tài)，給某次諧波電流構(gòu)成一個低阻態(tài)通路。這樣諧波電流就不會流入系統(tǒng)。無源濾波的優(yōu)點為成本低，運行穩(wěn)定，技術(shù)相對成熟，容量大。有源濾波指的是由集成運放和R、C組成的濾波電路。具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。二者比較：有源濾波諧波濾除率一般只有80%,對基波的無功補償也是一定的。有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態(tài)補償無功功率。其優(yōu)點是反映動作迅速，濾除諧波可達到95%以上，補償無功細致。缺點為價格高，容量小。由于目前國際上大容量硅閥技術(shù)還不成熟，而且集成運放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。所以當前常見的有源濾波容量不超過600kvar。其運行可靠性也不及無源濾波電路。通過比較，本設計采用的是一階RC無源濾波電路。電路圖如下3-26所示：圖3-25:一階RC無源濾波電路一階RC高通濾波器其幅頻、相頻特性如下圖3-27所示：圖3-26一階RC低通濾波幅相頻特性設濾波器的輸入電壓為e,輸出電壓為e,,電路的微分方程為：這是一個典型的一階系統(tǒng)。令T=RC,稱為時間常數(shù)，對上式取拉氏變換，有：學士學位(論文)學士學位(論文)其幅頻、相頻特性公式為：p(f)=-arcig(2nft)分析可知，當f很小時，A(f)=1,信號不受衰減的通過；當f很大時，A(f)=0,信號完全被阻擋，不能通過。3.25反向放大電路電路如圖所示，輸入電壓通過R9作用于運放的反向端，R8跨接在運放的輸出端和反向段之間，同向端接地，由虛短的概念可知，Vn≈Vp=0,因此反向輸入端的電位接近于地電位，故為虛地。反向電路各項指標計算：反相端為虛地段，即Vn=0,由虛斷的概念可知可知：由上式可知，電路的電壓增益是電阻R8和R9的比值。符號表明輸出電壓Vo與輸入電壓Vi相位相反，當R8=R9時為反向電路，也就是說Vo=-Vi。學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)圖3-27反向電路圖反向電路輸出的信號即為旋變信號的幅值的常系數(shù)，其中包含了我們需要的角度的正弦值。因此我們將此信號送入單片機進行處理，當然由于單片機只能進行數(shù)字信號的處理，所以必須得將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能送入單片機進行處理。A/D電路即完成了信號的轉(zhuǎn)換功能，下面給出具體的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kbytes的可反復公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領(lǐng)域。它采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器。ADCO808引腳功能(外部特性):1～5和26～28(INO～IN7):8路模擬量輸入端。8、14、15和17～21:8位數(shù)字量輸出端。6(START):A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖(至少100ns寬)使其啟動(脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換)。7(EOC):A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。9(OE):數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此10(CLK):時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。12(VREF(+))和16(VREF(-)):參考電壓輸入端的一路·2個16位定時/計數(shù)器工作參數(shù)：引線焊接溫度：①氣相焊接(60s):215℃;②紅外焊接(15s):220℃抗靜電強度：400V法的的強法的的強安法遠稱通法的。的能的游形形指的0塑級獲殊密然編型梁章藍帶惑C心的定有亦空2345梁票實空指:7289圖3-28AD轉(zhuǎn)換電路3.27單片機處理電路本設計采用的是AT89C51單片機，ATMEL公司的89C51系列產(chǎn)品是近年來在我國非常流行的單片機，其主要功能如下：一個8位的微處理器；◆片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM有128B,21個特殊功能寄存器SFR;◆內(nèi)程序存儲器FlashROM有4KB;可尋址片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB◆可尋址片外64KB的RAM;◆4個8位并行I/0接口(PO—P3);一個全雙工通用異步串行接口UART;◆兩個16位的定時器/計數(shù)器；◆五個中斷源、兩個優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)；◆具有位操作功能的布爾處理機及位尋址功能；◆片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路。PO:PO口是一組8位漏極開路型雙向I/0口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在FIash編程時，PO口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1:P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。P2:P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(例如執(zhí)行口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行的內(nèi)容(也即特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容),在整個訪問期間不P3:P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流(IIL)。P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的學士學位(論文)學士學位(論文)控制信號。使單片機復位。輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。如有必要，可通過才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，PSEN:程序儲存允許(PSEN)輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù))時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩VPP外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為0000H—FFFFH),EA端必須保持低電平(接地)。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平(接VCC端),CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp,當然這必須是該XTAL1:振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。事指超的事指超的安黑事中照陸集集29235684,圖3-29單片機電路3.28顯示電路本設計采用的顯示模塊是LCD1602,它有體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。這種字符型液晶模塊是一種用5x7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等等。第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：VO為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”,使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：指令1:清顯示，指令碼01H,光標復位到地址00H位置。指令2:光標復位，光標返回到地址00H。指令3:光標和顯示模式設置I/D:光標移動方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。低電平表示關(guān)顯示C:控制光標的開與關(guān)，高電平表示標B:控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍指令5:光標或顯示移位S/C:高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光指令6:功能設置命令DL:高電平時為4位總線，低電平時為8位總線N:低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F:低電平時顯示5x7的點陣字符，高電位總線)。指令7:字符發(fā)生器RAM地址設置。指令9:讀忙信號和光標地址BF:為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不指令10:寫數(shù)據(jù)。指令11:讀數(shù)據(jù)。圖3-30LCD1602與單片機接口電路3.3方案二介紹方案二采用的是在模擬旋變信號信號時，對旋變信號進行相位補償方式的信號模擬，同方案一比較而言，方案二在前面乘法器合成機械角度θ與人為給定的角度中合成信號V=Sin(θ-φ)Sinwt的電路是一樣的，最主要的不同是在處理合成信號的電路部分，方案二采用的是另一種思想進行對合成信號中的載波信號進行處理，該方案采用的是給出兩個載波濾波兩次，最后補償相位以后濾波得到的電壓值就是包含機械角度的電壓值，之后進行送入AD以及單片機進行數(shù)據(jù)處理，最后將處理的數(shù)據(jù)再顯示出來。需要指出的是，方案二在最后處理角度信號的電路也是完全相同的。為了節(jié)約時間與不必要的冗余篇章，方案二只重點介紹方案一中沒有的和不同的電路部分。3.31方案二設計同介紹方案一類似，為了后面介紹各個部分電路的功能以及各個部分電路之間的關(guān)系，首先給出方案一的總體電路圖。圖3-31方案二整體電路圖3.31濾波電路在第二次濾波的時候(此次濾波要濾去的是乘法器U1和U2中的載波)方案二采用的不是簡單的RC無源濾波方式，本方案采用的是有源濾波方式，因為方案二采用的有源器件較多，采用有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態(tài)補償無功功率。其優(yōu)點是反映動作迅速，濾除諧波可達到95%以上，補償無功細致。相對于無源濾波缺點為價格高，容量小。學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)道照言然然意照常道照言然然意照常然泌在進x喻最延酒法酒照a老器的,器出公盛公器官公管道籍形或過的項的常過器君喻言河最過難有常v道票有喻愛道的然喻最的短喻盛將R12二G:北26T1寫粥|為淵溜課然圖3-32濾波電路口上。學士學位(論文)學士學位(論文)事6分和不形度惡不溶容容密浴意名密浴唐定常猶度定常形意便路……………亦容薄受的答謂f深物通地和悲W酒容的通答婭煙雙軌種法控6猶法花熱道流器體過謂旗排準的指懷游時旗法過猶亦林清44以R61然過猶T4器然然過猶T4器然道的袋-斯知指度受::流然斯棗圖型3在2然然名十寸講解講解夢分利用虛地和虛斷的概念：我們可以得到，運放的正負輸入端電壓為零，電流為零，因此流過電阻R91的電流等于流過電容C15的電流，電容器C51通過流經(jīng)它的電流進行充電。假設電容器的初始電壓為零，則：由上式可知，輸出電壓V為輸入電壓Vi對時間的積分，負號表示他們相位是相反的。可以看到，我們輸入是一個正弦信號，所以相位將會由于積分變成余弦信號，達到了補償相位的作用。這種電路經(jīng)常應用于掃描電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路或者模擬運算器等。3.4方案一與方案二比較選擇通過前面闡述兩種方案的詳細電路分析可知，方案一電路簡單，元器件少，不用考慮旋變信號的相位變化，相對于方案二來說容易實現(xiàn)。方案二通過兩次濾波以及補償相位進行旋變信號處理，這種方案適合于信號復雜，且要求精度高的要求下適用，同時，方案二存在相位補償電路可以手動進行調(diào)節(jié)，適合一些需要旋變信號變化的場合，當然，由于方案二減少了無源器件，使得干擾相對于方案一較少。綜上所述，由于本設計采用的是基本的正余弦信號進行模擬旋變信號，且要求電路簡單易實現(xiàn)，最后選擇方案一為最終決定的方案。3.5本章小結(jié)在模擬方式下進行旋變信號的處理，本章進行了兩種方式的設計與比較，在設計時候兩種方式在局部電路相同，但是在處理發(fā)出的旋變信號時候方式一直接進行一次載波相敏檢波，方式二進行的是兩次載波相位補償后進行相敏檢波，兩種方式各有優(yōu)勢與劣勢，方式一因為其電路簡單，元器件少易于仿真與調(diào)試等優(yōu)點最終在與方式二的比對中，我們把它作為最終的方案進行調(diào)試。4靜態(tài)調(diào)試該部分通過基本的波形顯示與數(shù)據(jù)計算闡述了旋變信號的處理過程，分成各個重要電路的輸出信號分析，由于在第三章已經(jīng)分析了各個部分電路的功能以及計算推導過程，因此靜態(tài)分析時給出的數(shù)據(jù)分析4.1方案一靜態(tài)調(diào)試當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ為定值轉(zhuǎn)動時，不防設θ為80°,可調(diào)φ初始值設為的頻率設為1k,幅值為10,4.11模擬旋變信號模擬信號經(jīng)乘法器相乘后輸出為：V?=sincotsin80°cos45”該輸出波形見圖4-11中的A通道以及B通道所示。4.12減法電路輸出信號模擬旋變信號的輸出接入減法電路后，進行減法計算，在電路中設RI=R,=8k,R2=R3=10k,能夠?qū)崿F(xiàn)其減法運算功能。經(jīng)過減法電路的表達輸出波形如圖4-12中的C通道所示。DigitalOscillo12824mV所圖4.12:波形圖4.13相敏檢波電路調(diào)試相敏檢波電路的調(diào)試主要是為了濾去載波，得到我們想要的包含機械角度的直流分量，并將它送至下一個電路所以在靜態(tài)時候，我們分析一下情況：在乘法器給入的解調(diào)信號的頻率不能大于載波信號1/10的頻率。經(jīng)相敏檢波后輸出信號的表達式為：=-5sinotsin(80°-45°)+5sinotsi式中sinoot為載波信號，頻率設為1K,幅值是10V。乘法器輸出電壓中包含的低頻分量-5sinotsin(80”-45“)及2oot的高頻分量。后者經(jīng)低通濾波器濾除。通過乘法器后的波形如圖4-13中的A通道所示，濾波后的波形B通道所示。學士學位(論文)學士學位(論文)pvzZ?mV2.27mV圖4-13相敏檢波波形4.14反向放大電路由于為了單片機處理數(shù)字信號，我們通過用兩次反向放大電路實現(xiàn)了電壓信號為正值以及將其放大到0-5v以內(nèi)，這樣在后續(xù)的單片機處理數(shù)據(jù)的時候方便容為了方便比對，我們將反向放大電路的輸入直流信號接入示波器A通道，如第一個反向放大器中信號通過電阻R4加至運放的反相輸入端，輸出電壓通過反饋電阻R5反饋到運放的反相輸入端，構(gòu)成電壓并聯(lián)負反饋放大電路。R6為平衡電阻應滿足R6=R4//R5。利用虛短和虛斷的概念進行分析，V,=0,Vx根據(jù)反相放大的原理可知：放大倍數(shù)A?=R5/R4,R4=(R4×R5)/(R4+R5)放大10倍即可。故設R6=10k,R5=1k,此時,經(jīng)放大電路后表達式為：V=-10sinotsin(80°-45“),其波形如圖4-14中B通道所示。實學士學位(論文)旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計學士學位(論文)際放大倍數(shù)為：設計要求。倍，跟理論相差0.3,在誤差范圍內(nèi)，滿足第二個反向放大電路基本原理和第一個完全相同，它的設立完全是為了使電壓值為正值而加設的電路，所以設置的阻值為R8=R9=10K,在調(diào)試的時候由于元器件的損耗，可以適當減少R8,以抵消元器件的電壓消耗。它的輸出見圖4-14BB圖4-14反向放大電路4.15電壓信號處理電路反向放大后的電路接入AD轉(zhuǎn)換電路后變成數(shù)字信號，再將其送入單片機進行反正弦計算，求出的角度值顯示在LCD上，這部分不存在波形，只涉及簡單的三角計算，就不詳細描述。下面給出最后處理后的顯示結(jié)果。見圖4-15.旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理硬件設計圖4-15最終結(jié)果顯示圖4.2方案二靜態(tài)調(diào)試同方案一一樣，假設當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ為定值轉(zhuǎn)動時，不防設θ為80”,可調(diào)φ初始值設為45°,sinot的頻率設為1k,幅值為10V由于很多方案二的電路和方案一一樣(模擬旋變信號，減法電路，相敏檢波電路，反向放大電路電路),在這里就不一一進行敘述，下面給出方案二中同方案一相比不同的電路(積分相位補償電路，濾波電路)的波形圖以及數(shù)據(jù)處理。4.21積分相位補償電路B通道表示的是調(diào)制波被包含在載波中的波形，在經(jīng)過RC低通濾波以后，C通信號相對于A通道的信號明顯有一個相位差，這個相位差是由于電容造成的，在經(jīng)過了積分電路以后，D通道顯示的信號已經(jīng)在相位上同A信號相同，這也就意味著，已經(jīng)將輸出波形補償為第一個載波信號的形式，于是我們可以進行下一步濾學士學位(論文)學士學位(論文)圖4-21相位補償電路波形圖4.22濾波電路載波信號sinoot濾掉，其電路圖如圖21所示。電容的容量不易超過luF,因大容量的電容器體積大，價格高，應盡量避免使用。截止頻率應該大于調(diào)制信號，小于載波頻率的1/10,故取C111=C22=0.luF,1kΩ<R1=R5<1MΩ,R20=3.14×R7=3.14×1.6k圖所示。理論輸出的最大電壓為V=-5×0.26≈1.3V,實際輸出最大電壓為學士學位(論文)學士學位(論文)1.37V,誤差為0.07V。經(jīng)濾波后就是一個直流信號，表達式為：V=2.5sin(60°-45”)。這一直流山和和國山和和國圖4-22濾波波形圖4.3本章小結(jié)學士學位(論文)學士學位(論文)重要的調(diào)試方面。總體上來說最終調(diào)試的結(jié)果達到了預期的效果，使得后面的功能實現(xiàn)提供了良好的保障。本設計通過比較多種方案，在對數(shù)字方式以及模擬方式下的旋變信號處理方法做了詳細介紹，最后采取的是一種簡單易操作的模擬方式實現(xiàn)了旋變信號的處理，這種方式采用了基本的模擬器件進行模擬旋變信號，并且用基本運放等組成的相敏檢波以及濾波等電路處理旋變信號，在模擬旋變信號的角度信號被轉(zhuǎn)變成包含機械角度的電壓信號的時候，采用AD轉(zhuǎn)換將信號轉(zhuǎn)換為能夠單片機能夠處理的數(shù)字信號。最終采用的電壓信號處理器是標準AT89C51單片機。顯示單元則采用了LCD1602。在調(diào)試仿真的時候，經(jīng)常出現(xiàn)預期的波形不能達到要求，因此就必須進行參數(shù)修改，進行反復比對調(diào)試，比如相位補償電路中，我們的相位在剛開始沒有補償?shù)脚c相敏檢波之前的信號一致，因此我們必須參照理論電路知識修改其中電容與電阻的值，在修改了以后再測試波形，直至達到要求。通過一學期的努力，在指導老師的幫助之下，我們的畢業(yè)設計即將完成。通過一個學期的設計，我對旋變信號處理以及單片機有了更深的體會。我了解和掌握了一些硬件連接與設計的基本知識。通過這次的設計，對模擬電路以及整個信號處理的基本方式有更深的理解，對許多基本芯片的各個管腳功能的理解也加深了，以及在各個電路功能以及管腳的連接方法方面都能向前邁了一大步。這次的課程設計讓我把所學到的模電數(shù)點以及單片機理論知識用在實踐中，實現(xiàn)了理論和實踐相結(jié)合，從中更懂得理論的是實踐的基礎，實踐有能檢驗理論的正確性，讓我受譽非淺，對我以后參加工作或者繼續(xù)學習將會產(chǎn)生巨大的幫助和影響。5.2展望由于使用的是以模擬原件作為核心的旋變信號產(chǎn)生與處理的電路設計，使得電路的可靠性比較高，成本比較低，而且可以在許多基礎軟件上進行調(diào)試仿真，能夠迅速得到實時模擬的機械角度。但是在我們設計和調(diào)試的過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，譬如單片處理浮點數(shù)的速度不夠迅速，以及模擬電路信號的處理上不能達到專用芯片的快速，以及輸出的處理旋變信號后輸出的電壓信號沒有專用芯學士學位(論文)致謝四年的大學生活就快走入尾聲，我們的校園生活就要劃上句號，心中是無盡的難舍與眷戀。從這里走出，對我的人生來說，將是踏上一個新的征程，要把所學的知識應用到實際工作中去。回首四年，取得了些許成績，生活中有快樂也有艱辛。感謝老師四年來對我孜孜不倦的教誨，對我成長的關(guān)心和愛護。學友情深，情同兄妹。三年的風風雨雨，我們一同走過，充滿著關(guān)愛，給我留下了值得珍藏的最美好的記憶。在我的十幾年求學歷程里，離不開父母的鼓勵和支持，是他們辛勤的勞作，無私的付出，為我創(chuàng)造良好的學習條件，我才能順利完成完成學業(yè)，感激他們一直以來對我的撫養(yǎng)與培育。最后，我要特別感謝萬文