电动伺服旋转变压器的激磁放大电路研究

【前言】电动伺服旋转变压器的激磁放大电路研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。（Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology， Shanghai 201109， China） Abstract： The rotary transformer can obtain the high position accuracy with strong enough exciting signal， while the decoding chip provides poor exciting signal， ...

摘 要： 旋转变压器有足够大的激磁信号才能得到较高的位置精度，而解码芯片提供的激磁信号较小，因此需要设计放大电路对激磁信号进行放大。以解码芯片AD2S1200为基础，对旋转变压器TS2620N21E11的激磁放大电路进行研究，设计了四个激磁放大电路，并详细地介绍了它们的工作原理。采用高输出电流运放构成的放大电路结构简单，但成本较高，而采用普通运放加无输出电容的功率放大电路时，尽管电路结构略显复杂，但成本较低。仿真和实验结果均证实了所设计的激磁放大电路的正确性和实用性。

关键词： AD2S1200； TS2620N21E11； 激磁放大； OCL

中图分类号： TN710?34； TM351 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）24?0167?05

Research on exciting amplification circuit of rotary transformer for electric servo system

CUI Yebing， XU Jing， LI Yu， ZENG Fanquan， FU Junyong

（Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology， Shanghai 201109， China）

Abstract： The rotary transformer can obtain the high position accuracy with strong enough exciting signal， while the decoding chip provides poor exciting signal， it is necessary to design the amplifying circuit to amplify the exciting signal. On the basis of decoding chip AD2S1200， the exciting amplifying circuit of the rotary transformer TS2620N21E11 is studied. Four exciting amplifying circuits were designed， and their working principles are introduced in detail. The analysis results show that the amplifying circuit composed with the high output current amplifying circuit has simple structure but high cost； the power amplifying circuit with general operational amplifier and no output capacitance has slightly complex circuit structure but low cost. Both the simulation and experiment results verify that the exciting amplifying circuit is correct and practical.

Keywords： AD2S1200； TS2620N21E11； exciting amplification； OCL

0 引 言

在常用的光电编码器、霍尔传感器和旋转变压器（旋变）等转子位置传感器中，旋变是机械结构非常坚固的设备，可以在有灰尘、油、高温、振动以及放射性等非常恶劣的环境下情况下工作，且自身具有抑制共模干扰的能力，这使得旋变只需要4根线来传输角度信号，也使其非常适于应用在重型机械加工和航空工业[1?2]。旋转变压器TS2620N21E11需要的激磁电压为7 V，即峰峰值为19.8 V，频率为10 kHz，输入阻抗为70+j100 Ω，对应为阻感负载时，电阻为70 Ω，电感为1.6 mH。解码芯片AD2S1200产生两路共模电压2.5 V、峰峰值3.6 V、相位相反的正弦激磁信号，频率可设置为10 kHz，12 kHz，15 kHz以及20 kHz。如何设计一个放大电路将解码芯片产生的激磁信号放大为旋变需要的激磁信号是本文将要阐述的内容。解码芯片AD2S90自身不提供激磁信号，文献[3]和文献[4]采用AD2S99产生激磁信号，不过电路比较复杂，且AD2S99价格较高。文献[5]和文献[6]以AD2S1200为基础，但更加注重解码芯片与DSP的接口设计，而对激磁电路的设计讲解不多。文献[7]和文献[8]均以解码芯片AU6802N1为基础设计电路，文献[8]对所采用的激磁放大电路进行了详细的描述，但解码电路AD2S1200和AU6802N1对激磁信号的要求不同。文献[9]以解码芯片AD698为基础，设计的激磁放大电路驱动电流过小，不足以驱动本文所选用的旋变。本文在文献[10]和文献[11]的基础上，根据供电电压的不同设计了不同的激磁放大电路，通过比较各个电路发现不同供电条件下的较优方案。本文通过Multisim仿真软件对所设计的电路进行仿真，并搭建实物平台验证仿真结果。

1 旋转变压器原理

旋变是一个旋转的变压器，它能够产生与转子位置相对应的模拟信号，旋转一圈对应0°～360°。无刷旋变结构如图1所示，由环形变压器和旋转的变压器组成，环形变压器定转子上的磁场方向均为轴向，在气隙中的磁场方向为径向，这样定子的激磁电压就可以感应到转子上，而不受转子旋转的影响。

图2为无刷式旋变绕组，当从最左边向位于定子上的激磁绕组通入高频正弦激磁电流，进而产生激磁磁场，从而在位于环形变压器转子上的绕组中产生感应电压，那么环形变压器转子绕组和旋转的变压器转子绕组组成的闭合回路中将产生高频正弦电流，进而在旋转的变压器定子正余弦绕组上产生感应电势，其幅值大小与定转子相对位置（转子角）有关。通过环形变压器巧妙地将激磁信号由定子传递到转子上，值得注意的是，从图2中可看到旋转的变压器转子绕组也有两套。两套绕组结构完全相同，一套绕组是激磁绕组，也称为直轴绕组，另一套绕组为补偿绕组，也称为交轴绕组，在空间上与激磁绕组相差90°。

有两种方法可以获得与转子位置有关的电压信号。第一种方法是在转子绕组中通入周期性的励磁信号，定子绕组输出电压信号。当定子绕组放在合适的位置时，其输出的电压幅值与转子位置角的正弦和余弦成正比。正余弦信号与激磁信号同相位，只是幅值受转子角的正弦值和余弦值调制。第二种方法是通过给定子绕组励磁来获得与转子角相对应的输出信号。当两个绕组通入两个相位互差90°的周期信号时，如定子绕组S1?S3通入激磁信号Esin θ，定子绕组S2?S4通入激磁信号Esin（θ+90°）=Ecos θ，那么气隙中将形成圆形的旋转磁场，从而在转子绕组上产生感应电压，感应电压的幅值和频率恒定，但感应电压的相位与转子角有关。

旋变原理如图3所示，当转子绕组R2?R4的轴线与定子绕组S1?S3的轴线重合时，转子会输出与定子绕组S1?S3上励磁信号同相位的信号（从变压器的角度来理解），此时正弦信号相位为0°；当转子绕组R2?R4的轴线与定子绕组S2?S4的轴线重合时，转子会输出与定子绕组S2?S4上的励磁信号同相位的信号，此时正弦信号相位为90°。当转子角在这两位置之间时，转子输出信号的相位在0°～90°之间线性变化。通过旋转转子一圈，转子输出信号的相位也会从0°变为90°，180°，270°，360°，即回到0°。

2 激磁放大电路的设计

解码芯片AD2S1200所产生的两路激磁信号[EXC]和[EXC]可表示为：[2.5+1.8sinωt]和[2.5-1.8sinωt]。旋变TS2620N21E11的额定激磁电压有效值为7 V（峰峰值为19.8 V），将峰峰值为7.2 V的激磁信号放大为峰峰值19.8 V的激磁信号，放大系数为2.75。

2.1 激磁放大电路一

采用普通运放TL082搭建反比例放大电路，具体的电路如图4所示。

图4中R3和L1分别是旋变TS2620N21E11的等效输入电阻和电感，对应输入阻抗为70+j100 Ω。运放采用15 V单电源供电；R1，R2和R4，R5用于设置放大系数；电容C1和C2用于滤除激磁信号中的高频成分；可调电阻R1用于设置偏置电压Vb。通过调节偏置电压来调节输出电压[OUT]和[OUT]的平均值（共模电压），使其大约为供电电压的[12]。希望输出电压平均值为供电电压的[12]是因为这样可以获得较大的正弦幅值。如果输出电压平均值较小（大），那么输出电压的最小（大）值就会更小（大），很容易达到运放的输出限值。

激磁放大电路一的偏置电压Vb与输出电压Vo的计算公式如下：

选取电阻、电容等参数如图5中所示，则偏置电压为3.8 V，输出电压平均值为7.38 V，输出电压最小值为2.43 V，输出电压最大值为12.33 V，峰峰值为9.9 V。通过电路仿真软件Multisim搭建电路模型进行仿真，同时搭建实物电路进行实验验证。仿真波形和实验波形分别如图5和图6所示。

图6中曲线从上到下依次是CH1，CH2和CH3的波形，仿真结果显示输出波形畸变严重，这是因为运放的输出电流较小，不足以为旋变的输入阻抗提供足够大的电流。旋变的激磁电压有效值为7 V，输入阻抗为70+j100 Ω，则输入电流有效值为57.3 mA，峰值为81 mA，而TL072的输出短路电流只有40 mA。

2.2 激磁放大电路二

为解决输出电流太小的问题，可将运放TL082改为高输出电流运放AD8397。运放AD8397是具有3～24 V的较宽供电电压范围、轨对轨输出的运放，在负载为32 Ω时可以提供最大310 mA的负载电流。具体的电路原理图如图7所示，通过可调电阻来调节输出电压的平均值大约为供电电压的[12]，以获得尽量大的输出电压范围。采用Multisim搭建电路模型进行仿真，同时搭建实物电路进行实验验证。仿真波形和实验波形分别如图8和图9所示。

从仿真波形和实验波形均可看出，输出波形正弦度较好，且与输入波形相位相反，与理论结果相符。不过由于运放 AD8397的价格较高，使得放大电路的成本也比较高。

2.3 激磁放大电路三

提高输出电流的另一种方法是采用无输出电容的功率放大电路[11]，电路原理图如图10所示。

图10中只提供了一路激磁信号EXC的放大电路，激磁信号[EXC]的放大电路与此相同。电路将放大电路的输出作为反馈信号，通过电阻R1反馈至运放的反相输入端，这样可以保证输出电压与输入电压之间有较好的比例关系，而不会由于放大电路的三极管压降等因素导致输出电压畸变。

电路中偏置电压为3.8 V，放大系数为2.75，这些参数均与激磁放大电路一中的相同。负载电流为峰值81 mA的正弦波，查看BC846的数据手册知集电极电流Ic为80 mA时，放大系数最小为100，那么基极电流Ib只需0.8 mA，显然普通运放是可以输出0.8 mA的。电路中设计电阻R13，R14起抑制三极管温漂的作用，电阻值越大、抑制效果越好，但其上的压降越大，导致旋变的电压减小，因此应选择合适的射极电阻，本电路选择射极电阻为1 Ω。基极驱动电阻R9，R10越大，其压降越大，则运放的输出端电压越大，有可能超过运放的输出电压范围，本电路选择基极驱动电阻为100 Ω。

Multisim仿真波形和实验波形分别如图11和图12所示。

图11（a）和图11（b）的区别在于CH3的位置不同，此处展示两幅图能更清楚地表达两者之间的关系。以下波形均与此类似，将不再赘述。从图11中可看出OUT（放大电路的输出）电压基本为正弦，而AMP1（运放的输出）电压畸变较大。采用Multisim中THD分析模块分析得到OUT电压的THD为0.28%，而AMP1电压的THD为6.5%。

如图12所示，假设负载电流为正，则由于三极管Q1的基极与射极之间存在导通压降Ube，且基极驱动电阻R9和用于抑制温漂的射极电阻R13也产生压降，因此OCL电路的输入电压（AMP1）比输出电压（OUT）高一些；如果负载电流为负，输入电压会比输出电压低一些。由此可知，在负载电流极性发生变化时，输入电压与输出电压之差也会发生变化，如图13所示。这就是的交越失真现象，只不过此处通过运放对输出电压作闭环控制使得输出电压比较正弦而输入电压产生了失真，而一般书中所讲的交越失真均为输出电压失真。

2.4 激磁放大电路四

文献[11]提出另一种电路来解决交越失真的问题。该电路与文献[10]中的电路类似，具体电路如图14所示。

图14中两个二极管的压降与两个三极管的导通电压相近，R3，R10一般较小，用于设置三极管的静态工作点，R2，R11取值应使得三极管静态集电极电流约为1 mA。这样，OCL电路的输入电压和输出电压近似相等，从而消除了交越失真。文献[10]的电路中采用12 V电源供电，使用的运放为价格较高的轨对轨（Rail?to?Rail）运放AD8662。轨对轨运放的好处是输出电压能够接近电源电压，即有较大的输出电压摆幅（Output Voltage Swing）。根据此前的计算结果，激磁放大电路的输出电压峰峰值为9.9 V，在12 V电源供电条件下，普通运放的输出电压摆幅达不到9.9 V。如果将供电电压改为15 V，则TL072是可以满足要求的。仿真波形和实验波形分别如图15和图16所示。

3 结 语

本文以解码芯片AD2S1200为基础，对旋转变压器TS2620N21E11的激磁放大电路进行了研究，设计了四个激磁放大电路，阐释了4种放大电路的原理。通过实验证明，设计的激磁放大电路精度高、可靠性好、抗干扰能力强，完全能够满足高速电机伺服控制系统的要求。

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