旋轉變壓器的勵磁電源電路的製作方法

2023-10-09 16:51:54

專利名稱：：旋轉變壓器的勵磁電源電路的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種旋轉變壓器的勵磁電源電路，屬於驅動電源領域。
背景技術：
：旋轉變壓器因為具有超強的抗振、耐油、耐水及耐高低溫的能力和較長的使用壽命，而被廣泛地應用於軍工產品、機器人、航空航天及礦業開採等行業中作為精密的角度測量器件。旋轉變壓器屬於無源器件，它必須通過正弦的驅動電源對其進行勵磁才能產生模擬的位置信息輸出。因此正弦勵磁電源的頻率和幅值以及波形的失真度直接影響到旋轉變壓器的測量精度。勵磁電源的產生主要有三種方式早期，採用傳統的模擬無源器件搭建成一定頻率的振蕩電路，然後經過功率放大器產生正弦勵磁電源，這種方式產生的勵磁電源信號頻率較低、波形失真度大、穩定度差，且受環境溫度影響大，這使其應用範圍受到限制；近期，一些國外廠商生產了旋轉變壓器專用的正弦勵磁電源集成元件，如國外MicroLinear公司生產的ML2035系列晶片等，它將電壓比較器、數模轉換器和低通濾波器集成在一個晶片裡面，雖然集成度較高，產生的正弦勵磁電源的穩定度也有所提高，但溫度範圍只能保證在商業級水平，無法滿足苛刻的軍工及航天產品的使用要求；並且，由於所述系列晶片不能獨立工作，需要與控制器如DSP等配合使用，頻率的調節需要編程實現，這增加了額外的開發難度，同時它還需要佔用系統資源，並且價格非常昂貴，這都不利於推廣使用；目前，存在一種利用DSP通過採用SP麗技術和數字調製技術，產生數字的正弦信號，再經過模擬解調技術產生正弦勵磁電源的方式，如中國專利《基於正弦脈衝寬度調製SP麗的旋轉變壓器激磁電路》，公開號為CN101567658，公開日為2009.10.28，就是採用此類激磁產生方式。這種方式產生的正弦激磁信號波形穩定度好，頻率方便調整，然而需要佔用微控制器的片上資源，並且輸出波形的失真度與消耗的片上資源成正比，信號的模擬解調電路複雜，除了微控制器外，還至少需要一片運算放大器進行濾波處理和一片功率放大器進行功率放大，雖然與單片集成的正弦勵磁模塊相比成本有所降低，卻嚴重依賴於微控制器的資源，需要通過編程的方法產生歸一的正弦波形，增加了額外的人力成本，不具有普遍性。與此類似的方式還有通過FPGA可編程門陣列產生頻率可調的方波信號，再經過濾波和功率放大產生正弦勵磁信號，這種方法同樣存在信號模擬解調處理電路複雜的缺點，並且正弦勵磁電源的產生需要依賴於處理器而不能獨立工作。
發明內容本發明的目的是提供一種旋轉變壓器的勵磁電源電路，它解決了現有旋轉變壓器勵磁電源存在的電路複雜並且不能獨立工作的問題。本發明由正弦振蕩電路、幅值調整電路和功率放大電路組成，正弦振蕩電路由電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容Cl、電容C2、電容CSEL1、電容CSEL2、第一運算放大器和第二運算放大器組成，幅值調整電路由電阻R6、電阻R7、電阻RSEL、電容C3和第三運算放大器組成，功率放大電路包括電阻R8和功率放大器，電阻R1的一端連接模擬地，電阻R1的另一端連接第一運算放大器的反相輸入端，第一運算放大器的反相輸入端與輸出端之間連接電阻R2，第一運算放大器的同相輸入端連接電容C1的一端，電容C1的另一端連接模擬地，電容CSEL1與電容C1並聯，第一運算放大器的同相輸入端與輸出端之間連接電阻R3，第一運算放大器的輸出端與第二運算放大器的反相輸入端之間連接電阻R5，第二運算放大器的反相輸入端與輸出端之間連接電容C2，電容CSEL2與電容C2並聯，第一運算放大器的同相輸入端與第二運算放大器的輸出端之間連接電阻R4，第二運算放大器的同相輸入端連接模擬地；第二運算放大器的輸出端與第三運算放大器的反相輸入端之間串聯有電阻RSEL、電阻R6和電容C3，第三運算放大器的反相輸入端與輸出端之間連接電阻R7，第三運算放大器的同相輸出端連接模擬地；第三運算放大器的輸出端連接功率放大器的同相輸入端，功率放大器的反相輸入端與輸出端連接，功率放大器的輸出端與電阻R8的一端連接，電阻R8的另一端連接模擬地，功率放大器的輸出端為所述勵磁電源電路的輸出端。本發明的優點是本發明是一種高質量低成本的旋轉變壓器的勵磁電源電路，它不必依賴於微控制器的控制，可獨立工作，它由三個運算放大器及若干個阻容器件，構成了頻率和幅值可調的正弦振蕩電路和幅值調整電路，再由一片功率放大器實現功率放大，使輸出的電源信號具有足夠的驅動能力。本發明電路產生的正弦勵磁電源的頻率f可以通過選擇電容CSEL1和電容CSEL2的容值進行調解，正弦勵磁電源的幅值可以通過改變電阻RSEL的阻值進行調節。本發明電路具有電路簡單，低成本，高可靠性，直流分量小，對溫度變化不敏感，輸出信號穩定性好，輸出波形失真度低，正弦度好，且輸出的信號頻率及幅值方便調整等優點。圖1是本發明用於旋轉變壓器時的工作原理示意圖；圖2是本發明電路結構示意圖。具體實施例方式具體實施方式一下面結合圖1-圖2說明本實施方式，本實施方式由正弦振蕩電路1、幅值調整電路2和功率放大電路3組成，正弦振蕩電路1由電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容Cl、電容C2、電容CSEL1、電容CSEL2、第一運算放大器11和第二運算放大器12組成，幅值調整電路2由電阻R6、電阻R7、電阻RSEL、電容C3和第三運算放大器21組成，功率放大電路3由電阻R8、電阻R9和功率放大器31組成，電阻R1的一端連接模擬地，電阻R1的另一端連接第一運算放大器11的反相輸入端，第一運算放大器11的反相輸入端與輸出端之間連接電阻R2，第一運算放大器11的同相輸入端連接電容C1的一端，電容C1的另一端連接模擬地，電容CSEL1與電容C1並聯，第一運算放大器11的同相輸入端與輸出端之間連接電阻R3，第一運算放大器11的輸出端與第二運算放大器12的反相輸入端之間連接電阻R5，第二運算放大器12的反相輸入端與輸出端之間連接電容C2，電容CSEL2與電容C2並聯，第一運算放大器11的同相輸入端與第二運算放大器12的輸出端之間連接電阻R4，第二運算放大器12的同相輸入端連接模擬地；第二運算放大器12的輸出端與第三運算放大器21的反相輸入端之間串聯有電阻RSEL、電阻R6和電容C3，第三運算放大器21的反相輸入端與輸出端之間連接電阻R7，第三運算放大器21的同相輸出端連接模擬地；第三運算放大器21的輸出端連接功率放大器31的同相輸入端，功率放大器31的反相輸入端與輸出端連接，功率放大器31的輸出端與電阻R8的一端連接，電阻R8的另一端連接模擬地，功率放大器31的輸出端連接電阻R9的一端，電阻R9的另一端為輸出端。本實施方式中第一運算放大器11、第二運算放大器12和第三運算放大器21可選用一片雙電源供電的四路運算放大器實現，例如選用TEXASINSTRUMENTS公司的TL074運算放大器或其替代晶片，功率放大器31可選用一片雙電源供電的單路功率放大器實現，例如選用ANALOGDEVICES公司的AD842功率放大器或其替代晶片。所述的模擬地均為雙電源參考模擬地。所述正弦振蕩電路1用於產生頻率可調的正弦信號，經過幅值調整電路2後達到符合旋轉變壓器幅值頻率要求的正弦信號，再通過功率放大電路3進行功率放大，使輸出勵磁電源的驅動能力滿足旋轉變壓器的需要。根據圖2所示的連接方式，電阻Rl和電阻R2構成了正弦振蕩電路1的放大環節，放大倍數為(R1+R2)/R1;第一運算放大器11的輸出端和第二運算放大器12的輸出端分別通過電阻R3和電阻R4與第一運算放大器ll的同相輸入端連接，構成了正反饋網絡；選頻網絡由電容Cl、電容CSEL1、電容C2、電容CSEL2、電阻R3、電阻R4和電阻R5構成。勵磁電路產生的正弦勵磁電源信號的頻率f與電容Cl、電容CSEL1、電容C2、電容CSEL2、電阻R3、電阻R4和電阻R5之間的關係式為formulaseeoriginaldocumentpage5其中Cf為電容Cl和電容CSEL1並聯後的等效容值，C2*為電容C2和電容CSEL2並聯後的等效容值，取formulaseeoriginaldocumentpage5，CS^勺選取與正弦信號的起振時間有關，CSf越大，起振的時間就越長。電阻RSEL、電阻R6和電阻R7用來調節輸出正弦勵磁信號的幅值，電容C3起到隔離直流分量的作用。為方便使用，本發明電路參數可作如下選取表l:tableseeoriginaldocumentpage5tableseeoriginaldocumentpage6按照表1選取的器件阻容值，由於選取容值使CI=C2，又CI*=C2*，因此CSEL1=CSEL2=CSEL。利用表1提供的元器件的阻容值，可以得到本發明電路輸出正弦勵磁電源的頻率與CSEL的關係表達式為:纖=,,-100其中f的單位為Hz，CSEL的單位為pF。實際應用時，先根據使用的旋轉變壓器型號要求，選擇合適的正弦勵磁電源的頻率，頻率確定後，就可以利用頻率與CSEL的關係式求出電容CSEL1和電容CSEL2的容值。本發明穩定工作時的可調頻率範圍為0.4kHz至20kHz，因此電容CSEL1和電容CSEL2的可選範圍為17pF至5.75nF。圖2中輸出的電壓VS為正弦振蕩電路1產生的正弦電壓幅值，其大小與輸出的勵磁電源的勵磁頻率有關係。在運算放大器和功率放大器31選擇為正負15V雙電源供電情況下，VS的有效值與輸出的振蕩頻率存在非線性關係。為方便使用，表2給出了本發明電路輸出的振蕩頻率在三個典型值0.4kHz、10kHz和20kHz時對應的VS的有效值。選擇輸出頻率在0.4kHz至10kHz之間或在10kHz至20kHz之間時，可以對表2中給出的典型頻率下VS的有效值進行線性插值來獲取相應頻率的VS有效值。表2:tableseeoriginaldocumentpage6VS的有效值與用戶使用的旋轉變壓器要求的幅值有效值大小不同，需要利用圖2中幅值調整電路2對VS的幅值進行調整。本發明電路輸出端輸出的電壓VOUT的有效值與電阻RSEL的關係式為RSEL=30[(VS/V0UT)-l]，其中，RSEL的單位是kQ，VS根據所選擇的輸出頻率由表2插值得到，VOUT為期望輸出的正弦勵磁信號的有效值，VOUT的範圍可以通過改變電阻RSEL的阻值大小在OV至7V的範圍內調整。圖2中功率放大電路3輸出的VOUT為正弦勵磁電路經過功率放大器31後輸出的勵磁電源，可以直接驅動旋轉變壓器。在使用時，可以根據具體的旋轉變壓器對驅動電流的要求，選擇合適的功率放大器。如可以選擇價格低廉的AD842功率放大器，可使輸出勵磁信號的驅動能力達到100mA以上，能夠滿足多數情況下旋轉變壓器的驅動需求。電阻R8為平衡電阻，其作用是使靜態時同相輸入端和反相輸入端對地電阻相等。本發明的正弦勵磁電源電路的指標如下CN101714821A頻率範圍0.4kHz至20kHz，只需調整電容CSELl和電容CSEL2的容值即可調整頻率；幅值有效值範圍OV至7V，只需調整電阻RSEL的阻值就可以實現對輸出的正弦勵磁信號的幅值的調整；驅動能力驅動能力可以達到100mA以上。本發明與現有技術相比具有以下優點電路結構簡單；使用器件種類和數量少，成本低廉；電路可以獨立工作，激磁信號的頻率和幅值方便調整；波形穩定性好，失真度低，直流分量小，受溫度變化影響小，可以滿足軍工或航空航天惡劣環境條件下的需要。具體實施方式二本實施方式與實施方式一的不同之處在於所述功率放大電路3還包括電阻R9，電阻R9的一端連接功率放大器31的輸出端，電阻R9的另一端為所述勵磁電源電路的輸出端。其它組成及連接關係與實施方式一相同。電阻R9連接在功率放大器31的輸出端，阻值可在幾十歐姆的範圍內選取，主要起到匹配線路阻抗的作用，使產生的正弦勵磁信號在長距離傳輸過程中不會因阻抗不匹配產生串擾或信號反射現象。具體實施方式三本實施方式與實施方式一或二的不同之處在於所述電容均採用陶瓷無極電容。其它組成及連接關係與實施方式一或二相同。陶瓷無極電容的容值選擇範圍廣，同時價格低廉，在有利於選頻的同時降低了電路成本。權利要求一種旋轉變壓器的勵磁電源電路，其特徵在於它由正弦振蕩電路(1)、幅值調整電路(2)和功率放大電路(3)組成，正弦振蕩電路(1)由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容C1、電容C2、電容CSEL1、電容CSEL2、第一運算放大器(11)和第二運算放大器(12)組成，幅值調整電路(2)由電阻R6、電阻R7、電阻RSEL、電容C3和第三運算放大器(21)組成，功率放大電路(3)包括電阻R8和功率放大器(31)，電阻R1的一端連接模擬地，電阻R1的另一端連接第一運算放大器(11)的反相輸入端，第一運算放大器(11)的反相輸入端與輸出端之間連接電阻R2，第一運算放大器(11)的同相輸入端連接電容C1的一端，電容C1的另一端連接模擬地，電容CSEL1與電容C1並聯，第一運算放大器(11)的同相輸入端與輸出端之間連接電阻R3，第一運算放大器(11)的輸出端與第二運算放大器(12)的反相輸入端之間連接電阻R5，第二運算放大器(12)的反相輸入端與輸出端之間連接電容C2，電容CSEL2與電容C2並聯，第一運算放大器(11)的同相輸入端與第二運算放大器(12)的輸出端之間連接電阻R4，第二運算放大器(12)的同相輸入端連接模擬地；第二運算放大器(12)的輸出端與第三運算放大器(21)的反相輸入端之間串聯有電阻RSEL、電阻R6和電容C3，第三運算放大器(21)的反相輸入端與輸出端之間連接電阻R7，第三運算放大器(21)的同相輸出端連接模擬地；第三運算放大器(21)的輸出端連接功率放大器(31)的同相輸入端，功率放大器(31)的反相輸入端與輸出端連接，功率放大器(31)的輸出端與電阻R8的一端連接，電阻R8的另一端連接模擬地，功率放大器(31)的輸出端為所述勵磁電源電路的輸出端。2.根據權利要求1所述的旋轉變壓器的勵磁電源電路，其特徵在於所述功率放大電路(3)還包括電阻R9，電阻R9的一端連接功率放大器(31)的輸出端，電阻R9的另一端為所述勵磁電源電路的輸出端。3.根據權利要求1或2所述的旋轉變壓器的勵磁電源電路，其特徵在於所述電容均採用陶瓷無極電容。全文摘要旋轉變壓器的勵磁電源電路，屬於驅動電源領域。它解決了現有旋轉變壓器勵磁電源存在的電路複雜並且不能獨立工作的問題。它由正弦振蕩電路、幅值調整電路和功率放大電路組成，正弦振蕩電路由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容C1、電容C2、電容CSEL1、電容CSEL2、第一運算放大器和第二運算放大器組成，幅值調整電路由電阻R6、電阻R7、電阻RSEL、電容C3和第三運算放大器組成，功率放大電路包括電阻R8和功率放大器，本電路產生的正弦勵磁電源的頻率通過選擇電容CSEL1和電容CSEL2的容值調解，正弦勵磁電源的幅值通過改變電阻RSEL的阻值進行調節。本發明用作旋轉變壓器的驅動電源。文檔編號H02M5/10GK101714821SQ20091031179公開日2010年5月26日申請日期2009年12月18日優先權日2009年12月18日發明者介黨陽,倪風雷,党進,張慶利,郭闖強,顧義坤申請人:哈爾濱工業大學