数字/同步机转换器的设计方案

作者：潘美珍，余桂周，高群

0 引言

轴位控制系统是现代控制系统中应用领域非常广泛的一类系统，实现执行机构对位置指令的精确跟踪。数字/ 同步机转换器可把计算机输出的以数字形式表示的角度控制量转换成同步机能够接受的三相交流信号，用来驱动控制变压器、发送同步机和角度指示仪等。

数字/ 同步机转换器的主要用途之一是驱动控制变压器和力矩接收机，所以输出具有一定负载能力，为提高数字/ 同步机转换器的转化效率，设计一种高效数字/ 同步机转换器，把激磁电压转换成脉动电源提供给内部功率放大器的功率电源，减少外部直流电源使用数量，提高产品的工作效率。

1 构成与基本原理

数字/ 同步机转换器是将输入的14 位并行二级制数字角度经处理后转换成三相同步机角度模拟信号输出。输入二进制数字信号与DTL/TTL/CMOS 电平兼容，另包括一路单相交流励磁电压（VR=Vm sinωt），输出为3 线式自整角机信号。输出电压分别为：

式中： θ——为转子相对于定子的偏转角度；

ω——为角频率，ARC/t；

t——为时间，s；

α——激磁信号与输入信号间的相移。

三相同步机输出信号波形见图1。

图1 同步机输出信号

设计的该种数字/ 同步机转换器主要由三部分构成，第一部分为参考输入隔离变换，第二部分包含数字输入和内部的D/R 转换器，第三部分包含输出功率放大和为功率放大供电的脉动电源。主要原理框图如图2。

参考输入隔离变换由参考变压器和电源变压器完成，通过电源变压器转换，提供D/R 转换器直流供电电源，另参考输入通过参考变换器，为D/R 转化器提供符合要求的参考信号，D/R 转换器完成输入数字信号到模拟两路正弦信号的转换，因输出信号具有一定负载能力，所以两路正弦信号需要变换且功率放大，为提高转换效率，由参考信号通过电源变压器变化为脉动电源给功率发大器供电，最终完成数字输入信号到功率输出的同步机模拟信号转换，数字输入信号各位权值见表1，三相同步机输出信号波形见图3。

图3 脉动电源波形示意

输入数字信号时计算机输出的以数字形式表示的角度控制量。输入二进制数字各位的权值如表1。

表1 输入二进制数字各位的权值

2 关键电路的设计与实现

2.1 脉动电源设计

由图3 可看出，功率放大器供电电压采用常规的直流电源电压时，电源电压幅值大大超过输出正、余弦信号电压峰值，功率放大器功耗很大，效率降低。

而设计的该种高效数字/ 同步机转换器内部供电电路采取了脉动电源方式。此种供电电路用电源变压器接至参考，即输入功率来自参考电源。具体电路原理图见图4 所示。参考输入电压先经电源变压器降压，得到较低的交流电压，交流电压再由整流电路转换成脉动电源电压。

图4 脉动电源电路原理图

脉动电源产生两个未滤波，全波整流的正向和负向电压，该电压与放大器输出电压同相，幅度只需比功率放大器电压大几伏，因为当参考电压幅值改变时，脉动电源和放大器输出电压都会同步发生变换，正、负脉动电源电压始终低于直流电源的恒定直流电压值，由于电压幅值一直较低，功耗将大大减少。以热量形式散发的功耗等于放大器电流乘以电源和输出电压之差，以该种电路设计的数字/ 同步机转换器功耗降低约50%。如图5 为脉动电源仿真波形图，由仿真波形图完全满足供电电源电压要求。

图5 脉动电源仿真波形图

2.2 D/R转换设计

数字/ 同步机转换器技术核心是高精度转换的实现，函数发生器的设计优劣会直接影响产品的技术水平，转换过程通过象限分割、线性近似实现。

常规的象限划分是在360°范围内分为四个象限，每个象限90°。输入角度（ø）数据的最高两位（MSB和第2 位）用来控制象限选择器，从第3 位至LSB 各位加到正、余弦乘法器上，产生0-90°范围内的sinø和cosø 值。sinø 和cosø 在四个象限内的等效数学表达式分别为：

sinø（第Ⅱ象限）= +cos（ø-90°）

cosø（第Ⅱ象限）= -sin（ø-90°）

同理可得

sinø（第Ⅲ象限）= -sin（ø-180°）

cosø（第Ⅲ象限）= -cos（ø-180°）

sinø（第Ⅳ象限）= -cos（ø-270°）

cosø（第Ⅳ象限）= + sin（ø-270°）

参考电压（差分电压RH、RL）通过参考输入缓冲产生两个极性相反的电压±VR（VR=Vmsinωt），当MSB 和次高位为01 时，象限选择电路选择+ VR和- VR，与正、余弦乘法器相乘，产生VRcosθ 和- VRsinθ，当MSB 和次高位为10 时，象限选择电路选择-VR与正、余弦乘法器相乘，产生- VR sinθ 和-VRcosθ，当MSB 和次高位为11 时， 象限选择电路选择-VR和+VR，与正、余弦乘法器相乘，产生-VRcosθ 和 VRsinθ。这样从正、余弦乘法器中就输出两相正、余弦交流电压信号。

为提高转换精度，通过高四位输入控制模拟开关，进行象限选择，把0~360°分割成16 象限，每个象限22.5°。分割图如图6所示。

图6 16象限分割示意图

在16 象限分割的基础上，低10 位的扇区内角采用线性近似法建立函数数学模型，通过D/A线性近似转换，将低角度数字信号转换成对应的模拟角度信号。采用了精密电阻和运算放大器组成的网络式电路，进而设计模拟运算电路得到两路精密正交信号：

Asinωtsinφ

Asinωtcosφ（φ 为14 位并行二进制数字角）

实现了数字角度到模拟角度的转换即D/R 转换。

3 性能指标测试

对所研制的高效数字/ 同步机转换器进行测试，达到如下技术指标：

输入方式：14 位二级制数

参考电压：115 V

参考频率：400 Hz

供电电压：+5 V

输出方式：同步机三相交流信号

输出电压：90 V

精度：±4.2 角分

输出效率：45%

4 结语

首次设计并研制出高效供电的数字/ 同步机转换器具有体积小、效率高、单5 V 供电、实用性好和可靠性高等特点，满足了军用、工业领域使用的要求，适用于扫描、搜索、定位、导航、测量等功能要求的自动控制领域。随着各应用领域中的角度、位移测定与控制系统先进方案的使用， 该部件的应用将会愈加广泛。
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