多路同步机信号采集电路设计

摘 要 在高炮武器系统中，轴角采集传感器多是采用三相同步机，同步机信号常用的专用模块通常只针对某种固定激磁信号频率的信号，不能通用。采用电子SCOTT变换原理和多通道轴角数字转换（SDC）技术相结合，实现了多路多频率同步机信号的实时采集。

关键词 多路同步机 三相同步机

中图分类号：TN98；TP274+.2；TP274+.1 文献标识码：A

0引言

高炮同步联动信号是三相同步机信号，由角度传感器三相同步机产生，该同步机输出的三相电压与同步机转子的轴角成函数关系，火控系统通常通过改变同步机转子的机械轴角，改变其输出三相电压，将该电压输送到火炮，就实现了远距离传输角度等信息的目的。每种高炮系统采用的同步机信号的激磁频率和电压不尽相同，例如有的激磁频率50Hz，电压110V，三相输出电压的最大有效值为57V，有的激磁频率400Hz，电压115V，三相输出电压的最大有效值90V。同步机信号采集通常可用专用模块，也可用两相峰值采样+ADC+软件法实现。由于专用模块内部有SCOTT变压器，通常一种型号仅适用于某种特定频率，而不能兼容，例如：中船716所生产的12ZSZ系列转换器，通常只针对某种激磁信号频率的信号，不能通用。所以，设计采用两相峰值采样+ADC+软件法实现以上两种三相同步机信号采集。

1同步机信号分析与三相-两相变换

高炮三相同步机信号的激磁信号和输出三相信号形式分别如式（1-1）和（1-2）。

（1-1）

（1-2）

三相同步机与正余弦旋转变压器一样也是一种角度传感器，所不同的是正余弦旋转变压器是两相输出绕组，对应的输出信号是两相的，两相信号代表的轴角相差90啊F浼ご判藕诺姆匠逃肴嗤交谎词剑？-1），其两相输出信号由下列方程决定：

（1-3）

式中K为正余弦旋转变压器的变压比。由于三相同步机与正余弦旋转变压器同样都是一种角度传感器，二者结构相似，其中必有内在联系，这种联系表现在二者输出信号可以相互转换，即三相―两相变换。三相―两相变换是向量的等效变换，在电力系统也常采用，例如，电气化牵引铁路中，通常上行下行线路各用一相电，需要采用两相供电，比较合适，而电力供电通常是三相，为了保证三相平衡负载，电气化铁路采用将三相电源变为两相电源，既满足了使用要求，又保证了三相供电负载平衡。三相―两相变换变换的原理如下：将式（1-2）中自整角机输出电压的第一相不变，第二相与第三相相减，得：

（1-4）

整理（1-4）得

（1-5）

上式第一个方程两边同乘以，并令u=us，uc=w v，k=kz则有

（1-6）

通过上述变换，就把三相同步机信号，变成了两相正余弦旋转变压器形式的信号，这种三相―两相变换在工程上也称为 -变换，是用一种叫做SCOTT变压器的装置实现的，并且变换是可逆的。图1是实现上述变换的原理图和向量图。注意，在前面（1-6）的推导中，曾令u1乘以1.732即，从图1（b）可见，u扩大倍正好与w v向量的模相等，空间相差90啊？

测试设备要采集火控系统输出的以三相同步机信号表示的射击诸元，然后转换为数字量以便于设备进行处理实现测试，其关键就是完成模拟数字转换，通常称为轴角数字转换，简称SDC。SDC过程包括降压、三相同步机信号到两相正余弦旋转变压器形式信号的转换、峰值采样控制，模拟数字转换（ADC），最后通过软件实现轴角计算。下面分别进行介绍。

2星形分压器设计和电子SCOTT电路

星形分压器是先将三相同步机电压进行降压衰减，以达到ADC的模拟输入电平范围；电子SCOTT电路将三相同步机形式的信号转换为正余弦旋转变压器形式的信号，即三相-两相变换（ -变换）。

降压衰减可采用变压器，也可采用星形电阻分压网络。前者可以与第二步的三相-两相变换相结合进行，用所谓的SCOTT变压器，在进行三相-两相变换的同时进行降压。由于该方法需要体积庞大的变压器，而且，50Hz和400Hz激磁的同步机要用的变压器是不同的，所以，设计中未用此方案，而是采用星形电阻分压网络实现分压，用运算放大器组成电子SCOTT变换电路实现 -变换。按上述设计，具有星形电阻分压网络分压精度高、无传输失真的问题，并且具有体积小、重量轻、便于调试50Hz和400Hz激磁的同步机信号通用等优点。

图2：星形分压器和电子SCOTT变换电路

星形电阻分压网络是接成三相对称的星形电阻网络，星形网络形成一个中心点，叫做公共点，分压电压以此点为参考计算。图2是同步机信号形式的射击诸元信号采集电路。输入的三相同步机信号u，v，w经过星形分压器分压，作为A1和A2运算放大器的输入，A1实现w-v分压后的信号差分运算；A2实现u分压后的运算，u与公共点（相当于电力系统的零线）差分，且A2放大倍数是A1的≈1.732倍。这是因为正余弦旋转变压器两相信号的电压振幅是相等的，而A1输入的是线电压，A2输入的是相电压（相对公共点，即零线），二者相差正好是≈1.732。所以，通过A1、A2放大倍数不同而达到正余弦信号us、uc振幅相同。

正余弦信号输出接到采样保持电路，然后就进入ADC，ADC的输入电压范围是？0V，因此，星形分压器的分压比应满足这一要求。由于400Hz的同步机信号的线电压有效值为90V，50Hz的同步机信号线电压有效值为57V，星形分压器每一臂要增加一个电阻，分别适用于对90V和57V电压的分压。因为，上述电压为线电压，其星形分压器设计是按相电压进行的，即以公共点为参考，所以，上述电压先换算为相电压，线电压90V对应相电压是90V/1.732=51.96V，线电压57V对应相电压是57V/1.732=32.91V。ADC输入是针对电压的峰值，而上述电压是正弦电压的有效值，所以上述电压要再乘以1.414倍，再按峰峰值为？0V，设计计算分压网络。分压网络将同步机三相电压电压分压到相电压峰峰值为？.77V的电压幅度，经过电子SCOTT放大后，输出的电压峰峰值就是？0V，正好满足ADC输入电压的要求。适应两种电压的星形分压器如图3所示。

图3：适应两种输入电压的星形分压器电路图

3同步峰值采样保持和ADC变换

为了保证测试精度，测试设备要根据统一的时序采样射击诸元，时序信号利用激磁信号产生。激磁信号是正弦波，首先将其移相90度，保证在同步机信号（被调制的正弦波）的峰值处采样。为了获取采样脉冲，先将激磁信号整形为方波，然后，再变为窄脉冲，该窄脉冲一方面作为采样保持器的触发脉冲，另一方面也是设备启动ADC的标志信号。

通过电子SCOTT电路，已将同步机信号变为了（1-6）形式的两相正余弦旋转变压器形式的信号，如果令式（1-6）中的sinwt=1则变为

（3-1）

这就是所谓的二相正峰值采样，也称为解调，就是将代表轴角信息的电压中的正弦交流分量去掉，us和uc分别成为轴角 的正弦和余弦函数。由方程组（3-1）得

tan = （3-2）

由于正切函数tan 是周期为 的周期函数，其连续且单调区间为（，），n=0，？，？，？，…，因此tan 在上述区间内的反函数 =atan具有唯一性。然而，轴角 的工作范围是0-2 ，称为全轴角，为了求得全轴角 ，要通过us和uc的符号才可判断出 所在的区间。在使用软件计算角度 时，可以使用C语言库函数中的atan2（x，y），该函数返回的是0-2 之内的角度，其中x和y分别对应us和uc即可。

由以上分析不难看出，实现对正余弦旋转变压器形式信号的轴角数字转换，首先要保证在激磁电压的正峰点处采样正、余弦电压绕组的电压us和uc，然后对其进行ADC得到数字量形式的us和uc，利用软件计算得到全轴角 。由式（3-2）可以看出，用这种方法得到的角度 ，与Um和 无关，从而消除了激磁电压幅值、频率变化对角度测量的影响。

4结语

本文主要进行了多路同步机信号采集电路的设计。首先对同步机信号进行了分析，给出了三相―两相变换的原理，然后确定采用电子SCOTT变换原理和多通道SDC变换技术相结合，实现了多路多频率同步机信号的实时采集。

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