0 引言

軸角編碼器多種多樣，此文是一種基于旋轉(zhuǎn)變壓器粗、精雙通道的移相器編碼工程設(shè)計(jì)，并得到成功應(yīng)用。

1 移相編碼器" title="移相編碼器" target="_blank">移相編碼器原理概述

1.1 原理及說明

本方案采用以旋轉(zhuǎn)變壓器作為軸角傳感器的機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換其與之成正比的相位移。首先用激磁信號(hào)作為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的開門信號(hào)，通過移相網(wǎng)絡(luò)與機(jī)械轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系的移相信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的關(guān)門信號(hào)。開門信號(hào)使計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，而關(guān)門信號(hào)使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。此時(shí)保存在計(jì)數(shù)器里的數(shù)碼大小，便為機(jī)械轉(zhuǎn)角成對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)碼。

1.2 框圖

1.3 所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

采用粗精雙通道組合，粗：精=20：1。粗、精計(jì)數(shù)器均采用10位，粗滿量程為6000密位，精滿量程為300密位。210=1024故在360°里對(duì)應(yīng)的數(shù)碼為1024。顯然計(jì)數(shù)器中相差一個(gè)數(shù)碼對(duì)應(yīng)的粗密位數(shù)密位。對(duì)應(yīng)的精密位數(shù)。

各個(gè)角度里的轉(zhuǎn)換結(jié)果誤差為1～2個(gè)脈沖，即相差0.3～0.6密位。

1.4 移相網(wǎng)絡(luò)原理

旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的互成90°的二相電壓：us=Asinωtsinθ,uc=Asinωtcosθ加到阻容網(wǎng)絡(luò)上，在滿足一定的條件下，就可得到與轉(zhuǎn)角θ成線性關(guān)系的輸出相位。這可以從下面的公式推導(dǎo)中得到證明。如圖2所示。

可見，在ωRC＝1的條件下，移相網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的幅值是一個(gè)常數(shù)，與轉(zhuǎn)角θ無關(guān)，而輸出電壓的相位與轉(zhuǎn)角θ成線性關(guān)系。但是輸出電壓相位相對(duì)于激磁電壓相位的相位差為，也就是說要使移相網(wǎng)絡(luò)輸出電壓相位相對(duì)于激磁電壓相位的相位差為零，就須使加到阻容網(wǎng)絡(luò)上旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓的相位為。對(duì)此在調(diào)整移相編碼器系統(tǒng)零位時(shí)，就必須將旋轉(zhuǎn)變壓器定子繞組旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)其移相網(wǎng)絡(luò)輸出電壓相位與激磁電壓相位的一致，即使二者的相位差為零。

2 移相編碼器的誤差分析

除原理誤差外，移相編碼器的誤差由好多因素構(gòu)成，其中主要由受信儀跟蹤誤差，400周傳信儀的誤差，移相網(wǎng)絡(luò)的誤差及比較電路的誤差等因素構(gòu)成。下面就分別加以研究：

2.1 移相網(wǎng)絡(luò)本身參數(shù)的影響

移相網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是指電阻R、電容C、輸入信號(hào)的頻率ω。雖然在設(shè)計(jì)中電阻R、電容C均采用了精密元件，但其移相網(wǎng)絡(luò)輸出電壓初始相位公式有：

可見，移相網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的相位誤差，不但與本身參數(shù)的變化有關(guān)，還與轉(zhuǎn)角的大小有關(guān)。在同樣參數(shù)的影響下：

顯然：當(dāng)有最小的誤差。

即：移相網(wǎng)絡(luò)中電阻R、電容C上無電流，所以此時(shí)R、C的變化不會(huì)影響移相網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的相位。

當(dāng)有最大誤差。

即：移相網(wǎng)絡(luò)中電阻R、電容C上有最大電流，所以此時(shí)R、C的變化就會(huì)對(duì)移相網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的相位有最大影響。

n=0、1、2……

2.2 比較器的影響

任何型號(hào)的比較器均存在一定的失調(diào)電壓，從其理論而言，這種失調(diào)電壓會(huì)造成微小的相位變動(dòng)。但在本設(shè)計(jì)中開門比較器和關(guān)門比較器均采用同一型號(hào)的比較器。這樣可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓器的定子繞組消除這種微小的相位變動(dòng)。因此這種因素造成的影響就忽略不計(jì)了。

2.3 激磁電壓的影響

激磁電壓的各種性能指標(biāo)的好壞會(huì)直接影響移相編碼器的精度。尤其是激磁電壓零點(diǎn)處若有毛刺尖峰(如圖3所示)，會(huì)出現(xiàn)3000密位冒點(diǎn)現(xiàn)象。

移相編碼器的開門計(jì)數(shù)，關(guān)門停止計(jì)數(shù)信號(hào)均為上升沿觸發(fā)。顯然在激磁電壓零點(diǎn)處若有毛刺(如圖3所示)，就會(huì)導(dǎo)致在400周內(nèi)二次開門或者二次關(guān)門，造成3000密位冒點(diǎn)現(xiàn)象。就此問題，在設(shè)計(jì)中將比較器的門坎電平由原來的56 mV提高到360 mV(如圖4所示)，抑制了±360 mV以下的零點(diǎn)毛刺干擾。從而基本上解決了3000密位冒點(diǎn)現(xiàn)象。

3 移相編碼器調(diào)試方法

粗精分劃盤零位對(duì)齊。首先調(diào)整旋轉(zhuǎn)變壓器本身電氣零位，即sin繞組輸出為零，cos繞組輸出最大。然后將旋轉(zhuǎn)變壓器定子繞組轉(zhuǎn)動(dòng)。使移相編碼器計(jì)數(shù)器中的數(shù)碼為0密位，這樣移相編碼器的系統(tǒng)零位就調(diào)整好了。根據(jù)：當(dāng)有最大誤差，即此處R，C的變化對(duì)移相網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的相位有最大影響。顯然調(diào)整移相網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使ωRC=1就須在處調(diào)整，只有在此處調(diào)整才能保證360°內(nèi)的精度，而且不會(huì)影響調(diào)整好的系統(tǒng)零位。故對(duì)移相編碼器調(diào)整時(shí)須在移相編碼器的系統(tǒng)零位調(diào)整好后，再將旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)再對(duì)移相網(wǎng)絡(luò)中的電位器進(jìn)行調(diào)整，使移相編碼器計(jì)數(shù)器中的數(shù)碼為1500密位。這樣整個(gè)移相編碼器就調(diào)整好了。

4 移相編碼器可靠性分析

所用的器件

集成片：37片10-8；二極管：15個(gè)10-7；電位器：18個(gè)10-6；電阻：105個(gè)10-8；電容；107個(gè)10-7；接插件：2個(gè)10-5；焊點(diǎn)：500個(gè)10-7

其中：λb基本失效率；ηE環(huán)境因素；ηA應(yīng)用因素；ηQ質(zhì)量因素。
　　選用的為軍用器件，故選取：ηε為2，ηA為1，ηQ為1.5
　　將上述參數(shù)代入①得：

其中：ηi某元器件數(shù)；λi某元器件的失效率。
　　將所有元器件的數(shù)量級(jí)及失效率代入②得：

平均無故障間隔時(shí)間
　　保證可靠性的要求：

(1)選用軍用元器件，并對(duì)個(gè)別質(zhì)量較低的元器件要嚴(yán)格篩選老化處理。
　　(2)接插件要按軍用要求加固。
　　(3)制作印制板，印制板加工，焊接裝配整個(gè)工藝過程都要按軍用要求處理。
　　(4)嚴(yán)格做五項(xiàng)試驗(yàn)。

5 結(jié)論

本文為一篇純工程原理設(shè)計(jì)的參考文章，理論推導(dǎo)正確，誤差分析到位，可提供工程技術(shù)人員和學(xué)校教學(xué)使用，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。