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Entwurf eines linearen Rotationstransformators / digital zu synchro / resolver Konverter

Entwurf eines linearen Rotationstransformators / digital zu synchro / resolver Konverter

Zusammenfassung: lineare Rotationstransformatoren werden häufig zum Lösen von Mengen und mit hoher Präzision verwendet Servosysteme aufgrund ihrer hohe Präzision und starke Interferenz Fähigkeit Es gibt viele technische Lösungen für die Realisierung eines linearen Resolvers Lösen Schaltung. This In diesem Artikel wird ein Entwurfsverfahren für Umwandlungsschaltungen auf der Grundlage von ddc RD-19230 ausgearbeitet als Kernchip, der sich auf den Entwurfsprozess konzentriert und die Genauigkeit der Entwurfsmethode durch Experimente überprüft. .

Schlüsselwörter: linearer Rotationstransformator, RD-19230, digital zu Synchro / Resolver Konverter


1. Einleitung

Ein Rotationstransformator ist ein Steuermotor mit eine sehr detaillierte Struktur und Herstellungsprozess, und seine Präzision ist hoch. Die Resolver ist hauptsächlich in unterteilt zwei Typen: einen Sinus- und Cosinus-Rotationstransformator und einen linearen Rotationstransformator Die Die Ausgangsspannung des Sinus- und Cosinus-Rotationstransformators ist sinusförmig oder kosinusartig Es wird hauptsächlich bei Koordinatentransformationen und trigonometrischen Berechnungen verwendet Die Die Ausgangsspannung des linearen Transformators ist linear mit der Drehwinkel und wird hauptsächlich in Anwendungen verwendet, in denen Der Drehwinkel muss in umgewandelt werden ein elektrisches Signal. Die Der lineare Rotationstransformator macht die Ausgangsspannung des Rotors linear mit der Rotorwinkel, so dass er nur als lineare Transformation des mechanischen Winkels und des elektrischen Signals innerhalb eines bestimmten Drehwinkels verwendet werden kann

This In diesem Artikel werden die Grundstruktur und das Arbeitsprinzip eines linearen Rotationstransformators anhand der Perspektive der Anwendung vorgestellt. durch Analyse der Funktionseigenschaften und der internen Struktur des Wandlungstyps RD-19230, eines linearen Rotationstransformators, der digital zu Synchro / Resolver ist Konverter ist entworfen.

2-Schaltungs-Konstruktionsprinzip

2.1 Funktionsprinzip des linearen Rotationstransformators

Ein linearer Rotationstransformator ist eine Art Rotationstransformator dessen Die Ausgangsspannung steht in einem bestimmten Arbeitswinkelbereich linear im Verhältnis zum Rotordrehwinkel Die Das schematische Diagramm des linearen Rotationstransformators mit primärseitiger Kompensation ist unten aufgeführt



Abbildung 1 Diagramm des linearen Rotations- und Transformationsprinzips

Wann die Z3Z4-Wicklung des linearen Resolvers In Abbildung 1 ist offen, die Erregerwicklung und die Kosinuswicklung sind in Reihe mit der Stromquelle U geschaltet, und ein Strom fließt durch die beiden Wicklungen, um Bj zu erzeugen bzw. Bc. Die magnetische Dichte Bj ist echtes Uranmagnet, und bc kann eine direkte Achsenkomponente Bcd sein und eine Querachsenkomponente Bcq Seit Die Kompensationswicklung ist als primärseitige Kompensation kurzgeschlossen, es kann davon ausgegangen werden, dass die Querachse magnetische Komponentendichte Bcq wird vollständig kompensiert, so dass es keine Querachse gibt Magnetfeld im Luftspalt bei this Zeit gibt es nur eine synthetische direkte Achse magnetischer Fluss Ф∑d im Resolver welche wird nur durch das von Bj synthetisierte direkte Uranmagnetfeld erzeugt und Bcd. Die Direktachse magnetischer FlussФ∑d ist jeweils mit der Feldwicklung, der positiven und der Kosinus-Ausgangswicklung gekoppelt und erzeugt induzierte Potentiale Ej, Ec bzw. Es Diese Potentiale sind jeweils zeitlich in Phase

(1-1)

(1-2)

(1-3)

Wenn Der Impedanzabfall in der Wicklung wird dann ignoriert

(1-4)

Wann, dann:

(1-5)

Wann (1-5) ist mit verbunden (1-4)

(1-6)

gemäß Gleichung 1-6 in Abbildung 2 Ku beträgt 0,14, 0,46, 0,52, 0,67 und 0,95, die Eingangsspannungsamplitude beträgt 5 V und θ wird geändert von -180 ° auf 180 ° und die Ausgangsspannungsamplitude wird geändert es ist zu sehen, dass wenn Ku = 0,52 ~ 0,67, die Linearität des Rotationstransformators bei θ- [60 ° ~ 60 °] ist besser; während bei Ku = 0,97 die Linearitätscharakteristik offensichtlich verschlechtert ist


Abbildung 2 Leitungsleistung zum Ausgang von Transformator b

im tatsächlichen linearen Rotationstransformator, um die besten linearen Eigenschaften zu erhalten, wenn Der Innenwiderstand des Netzteils ist klein, das Verhältnis von Ku ist im Allgemeinen 0,56 bis 0,57.

2.2 Entwurfsmethode zur Realisierung eines linearen Rotationstransformators / digital Umwandlung

Mit Mit der Entwicklung der modernen elektronischen Technologie haben die Menschen höhere Anforderungen an die Konvertierungsgenauigkeit, Konvertierungsgeschwindigkeit und -zuverlässigkeit, Struktur und Preis des Wellenwinkels Digital to Synchro / Resolver gestellt Konverter basierend auf dem aktuellen Status quo, linearer Resolver / digital Die Konvertierung erfolgt hauptsächlich durch Nachverfolgung der Konvertierung, Digitalisierung und anderer Konvertierungsschemata Unter ihnen der digitale lineare Rotationstransformator / digital Schaltung hat die Nachteile eines langen Entwicklungszyklus und einer geringen Präzision Die Das Tracking-Typ-Konvertierungsschema weist die Eigenschaften einer starken Interferenz auf Fähigkeit und starke Echtzeitleistung Daher die meisten linearen Resolver Die digitale Konvertierung übernimmt this Schema

in this Papier vom Typ II Das Servo-Tracking-Prinzip wird zum Entwerfen der Schaltung verwendet. Die Zweidraht Wechselspannungsausgang von Der lineare Rotationstransformator wird durch den Wandlungstyp RD-19230 vom Tracking-Typ und den 12-Bit umgewandelt parallele binäre digitale Größe wird ausgegeben. Sein digitaler Ausgang verfolgt automatisch den Wellenwinkeleingang mit der ausgewählten maximalen Nachführrate mit keine statischen Fehler.

2.3 RD-19230 Chip-Arbeitsprinzip

Die RD-19230 ist ein gemischtes Signal CMDS ic, das einen Analogeingang Digitalausgang Abschnitt enthält. Die Präzisionsanalogschaltung wird mit kombiniert digitale Logik zur Bildung eines vollständigen Hochleistungs-Trackings Analog-Digital Konverter Die wichtigsten Betriebseigenschaften und Parameter sind wie folgt: + 5V Einzelstromversorgung; interne Ladungspumpe zur Bereitstellung von -5V Stromversorgung für extern; Umrechnungsgenauigkeit bis 1.3 Cent; programmierbar Auflösung, Bandbreite und Tracking Geschwindigkeit; mit interne integrierte Referenz ; kann den Drehzahlausgang des Drehzahlmessers ersetzen; parallele Datenausgabe, Ausgabe programmierbar Latch; programmierbar LVDT mode; Normalbetrieb im Temperaturbereich von -40 ~ +85 ° C.


Abbildung 3 RD-19230 Blockschaltbild

Abbildung 3 zeigt das interne Blockschaltbild des RD-19230. Die Im Prinzip wird eine Servoschleife vom Typ II verwendet, und ihre digitale Ausgangsgröße verfolgt kontinuierlich die Änderung der Eingangsspannung kontinuierlich. Die hochpräzise Die Proportionalbrücke im Blockschaltbild vergleicht das Eingangsreferenzsignal mit das Eingangssignal und vergleicht es mit die digitalen Daten Φ des reversiblen Zählers, um die Daten des Wechselstromfehlers phasensensitiv zu erhalten Demodulation, integrale Fehlerverarbeitung und VCO Korrektur reversibel Zähler. Bis θ-Φ tendiert zu 0, so dass das Eingangssignalverhältnis θ. entspricht

2.4 Offset-Binärcode

Das Konvertieren von positiven und negativen Daten wird oft als bipolare Arbeit bezeichnet Es gibt viele Methoden, um digitale Größen in einem Computer als bipolar auszudrücken, wie z. B. Originalcode, Komplement, inverser Code und Binärcode Unter In diesen Fällen werden die Komplement- und Offset-Binärcodes hauptsächlich für D / A verwendet Konverter Die RD-19230 Chip verwendet die RVDT Modus zum Übertragen der digitalen Methode als Paralleloffset-Binärcode. Die Der Offset-Binärcode wird unten beschrieben

Die Offset-Binärcode (auch Frame-Shift-Code genannt) ist ein Offset-Binärcode der Alpha-Bit-Binärzahl ± D erhalten durch Hinzufügen eines Offsets zum Binärcode as:


2n in der Gleichung ist der Versatz. Für Beispiel if a 3-Bit Binärzahl Di = + 110, dann ist der entsprechende Offset-Binärcode :


a 3-Bit Binärzahl Di = -110, dann ist der entsprechende Offset-Binärcode :


3. Schaltungsdesign

3.1 Eingangssignal-Konditionierungsschaltung

Die internes Verarbeitungssignal des RD-19230 Chip ist zwei orthogonale Signale. Normalerweise kann es direkt vom Resolver geliefert werden. Unter normalen Arbeitsbedingungen betragen die Spannungsanforderungen der beiden Eingangssignale 2 mg ± 15 %, und das Ausgangssignal des linearen Rotationstransformators beträgt zwei Leitungen Es ist notwendig, eine einfache und bequeme Konvertierungsschaltung zu entwerfen

Mit Bei verschiedenen Arten von linearen Resolvern sind die Referenz- und Signalspannungen unterschiedlich Daher ist es notwendig, das Eingangssignal in umzuwandeln ein Standardsignal RD-19230 Chipsignal, das vom RD-19230 erkannt werden kann durch eine bestimmte Signalaufbereitungsschaltung Im Eingang befindet sich ein Operationsverstärker, der vereinfacht die Schaltung und macht die Schaltungsanwendung bequemer


Abbildung 4 Proportionalumwandlungsschaltung des Eingangssignals des linearen Rotationstransformators

V1 Punkteinstellspannung Anforderung:

V2 Punkteinstellspannung Anforderung:

es kann von gesehen werden Abb 4, dass die Sinussignalspannung (VA + VB) / 2 ist und die cos-Signalspannung ist (VB-VA) / 2. C1 und C2 sind kompensierte Phasen und werden gemäß den Eigenschaften des linearen Resolvers eingestellt verwendet

Nehmen Sie den linearen Rotationstransformator 36XX6-1 Beispielsweise beträgt die Nennspannung 30 Veff, die Betriebsfrequenz 40 Hz und das Transformationsverhältnis 0,58. Die maximales Signal von 17.4 Vrms wird berechnet aus das Verhältnis. Normalerweise ist der lineare Rotationstransformator ein lineares Segment zwischen -60 ° und 60 °. Um die Systemsteuerung zu erleichtern, wird die überfüllte Die Eingangsschwelle kann entsprechend dem Eingangswinkel eingestellt werden This Das Schaltungsdesign verwendet den Wert 80 ° als Skalenendwert. es wird proportional sein, Nennspannung, sin80 ° und cos80 °. Ersetzen von in Gleichungen 1-6 kann geschlossen werden, dass die Signalspannung 80 ° entspricht ist 15.568 Vrms. Daher wird der Proportionalwiderstand von va auf R = 135 KΩ eingestellt und aR = 18 kΩ und die Proportionalwiderstände R = 135 kΩ und bR = 9KΩ gesetzt sind, so dass wenn der Eingabewinkel beträgt 80 °, der Ausgang entspricht dem Offset-Binärcode full scale value.

3.2 Arbeitsmoduseinstellung

Die RD-19230 Chip stellt die Auflösung und den Betriebsmodus über D0 ein und D1. in this Papier, D0 ist an -5V, D1 angeschlossen ist an + 5V angeschlossen und auf LVDT eingestellt Modus mit eine Auflösung von 12 Bit. Um den Eingangsleistungstyp und die Leistungsumwandlungsschaltung zu reduzieren, wird der interne Ausgang des RD-19230 Chip wird normalerweise zum Anschließen von -5V verwendet bis D0. Jedoch wenn mit dem internen -5V Ausgabe, die RD-19230 Die Signalspannung der Chipgeschwindigkeit wird auf 3,5 V begrenzt, welche wirkt sich auf die Verfolgungsrate aus Abbildung 5 zeigt eine externe Verbindung mit dem internen -5V des Chips. Die Pins 27, 58 und 33 sind mit + 5V verbunden DC; Die Pins 16, 17 und 23 sind mit dem Ausgang -5V und wie gezeigt mit 47uF verbunden und 10uF Entkopplungskondensatoren befinden sich an der Wurzel des Geräts.


Abbildung 5-5 Einstellungen der Konvertierungsschaltung

3.2 Auflösungseinstellung und Gewichtstabelle

Wann die RD-19230 Chip arbeitet in LVDT Im Modus sind das erste Bit und das zweite Bit überfüllt, das dritte Bit ist das MSB und die Auflösung beträgt 8, 10, 12 und 14 Bit programmierbar. Die Der Ausgabemodus verwendet den parallelen Offset binär. gemäß der Winkeleinstellung der Eingangssignal-Konditionierungsschaltung die entsprechende Beziehung zwischen dem 12-Bit Ausgabecode und der Eingabewinkel von this Die Schaltung ist in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1 12-Bit Ausgabecode

Winkel Ausgang (Über1 、 Over2 、 MSB-LSB)

80 ° 01 1111 1111 1111

60 ° 00 1110 0001 0011

0 ° 00 1000 0000 0000

-60 ° 00 0001 1111 0100

-80 ° 11 0000 0000 0000

nach dem linearen Resolver Eingangssignal, Tabelle 2 listet das 12-Bit auf Auflösung linear Resolver Eingangssignalgewicht Tabelle. Die Das Gewicht wird wie folgt berechnet

Bit3: 0,5 / 0,5 = 1 Bogen Tan (1) = 45 °

Bit4: 0,25 / 0,75 = 0,333 Bogen Tan (0,333) = 18,435 °

Bit5: 0,125 / 0,875 = 0,143 Bogen Tan (0,143) = 8,130 °

Tabelle 2 Gewichtstabelle

etwas eckig

3 45 °

4 18,435 °

5 8,130 °

6 3,814 °

7 1,848 °

8 0,911 °

9 0,451 °

10 0,225 °

11 0,122 °

12 0,056 °

3.3 Einstellung von Closed-Loop-Parametern

Die Design des RD-19230 Die Peripherieschaltung ist in Abbildung 3 dargestellt. seine Peripherieschaltungen bestehen aus gewöhnlichen Widerständen und Kondensatoren und ihren Genauigkeit ist nicht übermäßig hoch Einige wichtige Leistungsindikatoren des Systems, wie z. B. die Systembandbreite und die maximale Verfolgungsrate, können vom Benutzer entsprechend den tatsächlichen Anforderungen festgelegt werden Die Im Folgenden wird das Parameterdesign jedes Teils gemäß der Funktion beschrieben.

Bestimmen Sie zunächst die Arbeitsfrequenz des Entwurfsprodukts f = 400 Hz und wählen Sie die entsprechende Bandbreite f entsprechend der Arbeitsfrequenz f≥F. Aus Zweitens wird die Verfolgungsrate durch Einstellen von RSET bestimmt und RCLK Widerstände unter Bezugnahme auf die RD-19230 Gerät PDF, der Widerstandswert wird zu 30K gewählt, welche bedeutet, dass bei 12-Bit Auflösung beträgt die maximale Tracking-Rate 288 U / min. Die gleiche Einstellung kann ohne erreicht werden der Widerstand RSET verbunden sein, aber im Gegensatz dazu if Wird ein hochpräziser Widerstand verwendet, hat die Ausgangsspannung bessere Temperatureigenschaften Berechnen Sie abschließend die verbleibenden Widerstandsparameter

Unter ihnen steht f für die interne Abtastfrequenz, welche muss gemäß dem Widerstandswert von RCLK bestimmt werden. Die Je kleiner der Widerstandswert, desto höher die interne Zählfrequenz siehe RD-19230 Gerät PDF wenn RCLK = 30 kΩ, f = 67kHz. Bestimmen Sie gemäß den Entwurfsanforderungen die Verfolgungsrate, die entworfen werden muss. gemäß der obigen Formel sind die spezifischen Parameter von RV 、 CBW 、 RB 、 RB / 10 kann in wiederum berechnet werden.

3.4 dynamische Leistungsanalyse

Die Übertragungsfunktionsblockdiagramm des Wandlers mit RD-19230 Chip ist in Abbildung 6 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Schaltung zwei reine Integralverbindungen enthält und eine typische zweite Ordnung ist instationär System. Daher ist der Konverter Der Winkeleingang für die Stufe oder die gleichmäßige Rampe befindet sich nicht nur im stationären Zustand Umrechnungsfehler, und es gibt einen Hauptumwandlungsfehler für den Beschleunigungswinkel, der ist umgekehrt proportional zum offenen Regelkreis Gewinn des Systems.

Übertragungsfunktion mit offenem Regelkreis

einmal die Schleifenparameter RV 、 CBW 、 RB bestimmt werden, die Formel zur Berechnung von A1 und

Unter ihnen ist cs 10PF, Cvco ist 50PF, Verstärkungskoeffizient A = A1 * A2, A1 ist die Integratorverstärkung und A2 ist der VCO Gewinn jeweils LSB Fehlerverstärkung (einschließlich proportionaler Brückensteigung, Fehlerverstärkerverstärkung, phasensensitive Demodulation) ist 0,011. Es ist ersichtlich, dass der Systemgewinn hauptsächlich das Produkt von LSB ist Fehlerverstärkung, Integratorverstärkung und VCO Gewinn Die Verstärkungsfaktor a von this Schaltungsdesign ist 15700 / S2.

3 Testergebnisse

gemäß dem obigen Entwurf ein MLRDC4714-41-30 / 17 linearer Resolver / digital Konverter wurde entwickelt Die Die vom Produkt erreichten technischen Indikatoren sind in Tabelle 3 aufgeführt es kann von gesehen werden Die Testergebnisse zeigen, dass das Produkt die Eigenschaften einer hohen Umwandlungsgenauigkeit und eines geringen Stromverbrauchs aufweist Daher ist das Design angemessen und machbar

Tabelle 3 Technische Hauptindikatoren des Produkts,

Merkmale Symbol Istwert

Auflösungsverhältnis res 12bit

Ausgangsbit d 14bit

Linearität ERL 0.085 %

Umrechnungsgenauigkeit r 2LSB

Wiederholbarkeit θR 1LSB

Signaleingangsimpedanz Zi 140,1 KΩ

Referenzeingangsimpedanz Zo 137,7 kΩ

Ausgang hoher Referenzpegel VOH 4.996V

Ausgang niedriger Referenzpegel VOL 0,03 V

Verlustleistung pd 0,92W


4. Schlussfolgerung

in this Papier, durch Analyse des Arbeitsmechanismus des linearen Rotationstransformators, die Entwurfsmethode von RD-19230 im linearen Rotationstransformator / digital Umwandlung wird vorgeschlagen Die Hauptparameter Design und theoretische Berechnung der Schaltung sind angegeben Die Produkte von this Entwicklungsschema hat die Eigenschaften einer hohen Ausgangsgenauigkeit und guter dynamischer Eigenschaften und kann in großem Umfang auf Produkte wie Winkelmessung und automatische Steuerung angewendet werden


Referenzen:

[1] RD / RDC Anwendungshandbuch für Serienkonverter M] Data Devices Corporation, 1998.

[2] Datengeräte Corporation. Referenzhandbuch für Datenkonverter Band i [MI. USA, 1999

[3] Data Device Corporation 16-Bit-Monolith-Tracking Resolver-to-Digital Konverter [M] .1999

4] Zhang Weisheng et al. Entwurf eines Winkelmess- und Steuergeräts basierend auf einem linearen Resolver, Automation Instrumentation, Vol. 23, nein. 10. Oktober 2002

[5] lv Yunfeng et al. Design der Schnittstellenschaltung zur Selbstausrichtung Maschine basierend auf RD-19230, Electronic Design Engineering, No. 19, nein. 6. März 2011


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