摘 要：針對伺服控制系統(tǒng)中對角度位置量高精度、高可靠性的測量需求，提出了一種基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的高精度單法蘭液位變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。以 STM32F103 型單片機(jī)作為處理核心，重點(diǎn)闡述了旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理，詳細(xì)介紹了電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的單法蘭液位變送器精度指標(biāo)高達(dá) 0.003mA，具有廣泛的應(yīng)用前景。

 

0 引言

自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成單元必須包含測量元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和校正元件，其中測量元件的精度直接影響控制系統(tǒng)的精度，因此，應(yīng)盡可能采用精度高的測量元件和合理的測量線路[1]。在伺服控制系統(tǒng)中，單法蘭液位變送器作為測量元件，其功能是將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的機(jī)械角度量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA的電流信號，為伺服控制系統(tǒng)提供角度、速度等反饋參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)各類自動(dòng)化控制設(shè)備和系統(tǒng)的跟蹤控制。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對單法蘭液位變送器的精度、可靠性、線性度都提出了更高的要求。

本文提出了一種高精度的單法蘭液位變送器，基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)，采集粗精兩個(gè)通道的模擬信號，完成粗精組合和糾錯(cuò)，依據(jù)環(huán)路供電型DAC，搭建冗余切換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)模擬直流量輸出，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。

 

1總體設(shè)計(jì)

1.1旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角按一定的函數(shù)關(guān)系變化的精密信號元件，結(jié)構(gòu)與交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成[2]，如圖1(a)所示。定子的兩個(gè)繞組用R1、R2和R3、R4表示，轉(zhuǎn)子的兩個(gè)繞組用S1、S2和S3、S4表示。

當(dāng)定子繞組中的一組繞組短接，如繞組R3、R4短路、繞組R1、R2加上單相平流電壓為U=UrefSinωt后(實(shí)際上旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子均可作為原邊施加激磁信號)，這時(shí)在該繞組中有電流流過，產(chǎn)生一個(gè)單相脈振磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞過θ角時(shí)，在轉(zhuǎn)子繞組S1、S2和繞組S3、S4 中分別產(chǎn)生感應(yīng)電壓 US 和 UC，其電壓大小分別與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角 θ 的正、余弦成比例，其矢量關(guān)系如圖 1(b)所示。

 

 

兩個(gè)轉(zhuǎn)子繞組輸出函數(shù)為：

Us=KUrefsin(ωt+αx)sinθ (1)

Uc=KUrefsin(ωt+αy)cosθ (2)

式(1)和式(2)中：

US- - 正弦繞組輸出電壓；

UC- - 余弦繞組輸出電壓；

K - - 比例系數(shù)；

Uref- - 激磁繞組輸入電壓；

ω--ω=2πf，f 為激磁信號頻率；

θ- - 相對于初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角；

αx 和 αy- - 代表兩個(gè)繞組輸出信號的相移量，一般很小，可近似為零。

輸出繞組的電壓如圖 2 所示。顯然，定子輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的正弦或余弦成正比。

 

 

 

單通道的旋轉(zhuǎn)變壓器由于受工藝和結(jié)構(gòu)限制，分辨率和轉(zhuǎn)換精度有限，無法滿足高精度角度測量系統(tǒng)的要求[3]，本文提出的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器屬于組合電機(jī)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器一個(gè)作為粗通道，一個(gè)作為精通道，有固定的速比關(guān)系，類似于鐘表齒輪的小時(shí)和分鐘，從而達(dá)到有效地提高分辨率和精度的目的。

 

1.2系統(tǒng)組成單法蘭液位變送器的主要功能是角度變換，將雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器A和B的模擬角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后A、B按照固定的速比進(jìn)行粗精組合，組合角度為0°～359.999°，轉(zhuǎn)換成一路與角度對應(yīng)的模擬直流電流信號。微處理器實(shí)時(shí)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)變壓器A和B的狀態(tài)，當(dāng)精通道旋轉(zhuǎn)變壓器A出現(xiàn)故障時(shí)，將粗通道旋轉(zhuǎn)變壓器B轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量直接轉(zhuǎn)換為電流量，實(shí)現(xiàn)冗余切換功能。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

 

 

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1微處理器電路

微處理器選用STM32F103，具備高速ARM32位微處理器內(nèi)核，2.0V~3.6V供電電壓，2個(gè)12位內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器，支持SPI、I2C和UART等多種外設(shè)。主要完成的功能包括：

(1)旋轉(zhuǎn)變壓器A、旋轉(zhuǎn)變壓器B角度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)采集；

(2)粗精組合與糾錯(cuò)；

(3)旋轉(zhuǎn)變壓器A、B的狀態(tài)監(jiān)控，并輸出故障指示信號；

(4)通過SPI接口發(fā)送組合數(shù)字角度量給DAC；

(5)通過RS232通訊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊，測試顯示兩個(gè)通道的角度數(shù)字量。

 

2.2旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路基于AD2S1210芯片搭建，AD2S1210是AD公司研制的一款小型、通用、低功耗的單片集成數(shù)字跟蹤環(huán)路型轉(zhuǎn)換芯片。分辨率10～16位可選，集成片上可編程正弦波振動(dòng)器，為旋轉(zhuǎn)變壓器提供激磁信號，激磁頻率可設(shè)置為2kHz至20kHz范圍內(nèi)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率，具備串行和并行兩種數(shù)據(jù)接口。

2.3數(shù)字-直流電源轉(zhuǎn)換電路

數(shù)字-直流轉(zhuǎn)換電路選用帶4～20mA輸出的DAC芯片，型號為AD421，電路圖如圖4所示，主要特點(diǎn)包括：

(1)16位分辨率和單調(diào)性；

(2)0.01%積分非線性；

(3)穩(wěn)壓器輸出5V或者3.3V；

(4)2.5V和1.25V精密基準(zhǔn)電壓源；

(5)可編程報(bào)警電流能力；

(6)靈活的高速串行接口。

 

 

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件用C語言編寫，流程圖如圖5所示，主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

(1)數(shù)字I/O口狀態(tài)讀取和處理

通過I/O口實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換后角度量的響應(yīng)和控制。程序讀取相關(guān)狀態(tài)后，進(jìn)行標(biāo)志位設(shè)置和狀態(tài)信號輸出。并對采樣的角度量進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，剔除異常點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)性。

(2)角度數(shù)據(jù)雙速處理依據(jù)粗、精通道固定速比關(guān)系，對粗、精通道角度數(shù)據(jù)進(jìn)行組合、糾錯(cuò)處理，組合成一個(gè)20位的角度數(shù)據(jù)。

(3)SPI接口數(shù)據(jù)發(fā)送通過SPI接口實(shí)現(xiàn)，分別為CS(片選)、SCK(串行時(shí)鐘)、SDO(串行數(shù)據(jù))引腳。將組合后的數(shù)字角度量(高16位)發(fā)送給DAC，實(shí)現(xiàn)模擬電流輸出。

(4)串口發(fā)送數(shù)據(jù)處理

串口發(fā)送處理只在有接收到上位機(jī)控制命令后才進(jìn)行。此功能主要是輸出兩個(gè)通道的角度數(shù)據(jù)給上位機(jī)顯示，便于調(diào)試監(jiān)測。

將組合角度數(shù)據(jù)高、中、低三字節(jié)和兩個(gè)通道的角度數(shù)據(jù)(各兩個(gè)字節(jié))轉(zhuǎn)換成BCD碼。加入幀頭、幀尾，共11個(gè)字節(jié)組成一幀數(shù)據(jù)，設(shè)置串口波特率。

 

 

4 測試數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證單法蘭液位變送器性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，對主要指標(biāo) - 模擬電流量輸出精度進(jìn)行了測試驗(yàn)證。輸出的模擬直流量與輸入的角度成比例，測試結(jié)果如表1 所示。

 

 

測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的單法蘭液位變送器精度為0.003mA，與基于單通道旋轉(zhuǎn)變壓器的單法蘭液位變送器精度0.023mA相比較,精度提高了一個(gè)數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)了高精度的設(shè)計(jì)要求。

 

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的高精度單法蘭液位變送器，基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器技術(shù)，以STM32F103為處理核心，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器到模擬電流量的高精度轉(zhuǎn)換，經(jīng)測試驗(yàn)證，其性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求，可廣泛應(yīng)用于高精度的伺服控制系統(tǒng)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。