基于AD2S83的角位置檢測(cè)系統(tǒng)及其在雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

1　引　言

　　基于電磁感應(yīng)原理的旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）是一種精密微控制電機(jī)，在雷達(dá)天線角位置伺服系統(tǒng)中，完成軸角位移信息的檢測(cè)功能。由于它是模擬機(jī)電元件，所以，用于計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字伺服系統(tǒng)中，就需要一定的接口電路，即旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字變換器（RDC），以實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)到控制系統(tǒng)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，美國AD公司已將它發(fā)展成為一系列的單片集成電路，從而彌補(bǔ)了過去由分立元件搭成的RDC體積大、可靠性低的不足，給工程應(yīng)用帶來了極大的方便。由旋轉(zhuǎn)變壓器和AD2S83就可以構(gòu)成高精度的雷達(dá)天線角位置檢測(cè)系統(tǒng)，而且AD2S83輸出的模擬速度信號(hào)還可以作為速度反饋信號(hào)以構(gòu)成雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的速度回路。

2　旋轉(zhuǎn)變壓器

　　旋轉(zhuǎn)變壓器是按照電磁感應(yīng)原理而工作的元件，其定、轉(zhuǎn)子上都有繞組，彼此同心安排，互相耦合聯(lián)系，旋轉(zhuǎn)變壓器采用正交的兩相繞組，它主要用于角度位置伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的產(chǎn)生和檢測(cè)元件。若旋變的勵(lì)磁電壓為Uf＝Ufmsinω·t，則正交的A、B兩相繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為

其中，θ為旋變的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，α為次級(jí)電動(dòng)勢(shì)與初級(jí)勵(lì)磁電壓之間的相位角。

3　AD2S83簡(jiǎn)介

　　AD2S83是美國AD公司推出的以BIMOSⅡ工藝制造的，將先進(jìn)的CMOS邏輯電路與高精度雙極線性電路相結(jié)合的單片集成電路。它功耗低（300mW），其數(shù)字輸出分辨率可被用戶設(shè)置成10，12，14或16位，并具有速度輸出信號(hào)可供用戶作為速度回路的速度反饋信號(hào)使用，以取代測(cè)速發(fā)電機(jī)等測(cè)速元件，從而縮小了系統(tǒng)的體積。
　　AD2S83按圖1連接后，就構(gòu)成一個(gè)工作于Ⅱ型伺服環(huán)的跟蹤式RDC，其數(shù)字輸出能以選取的最大跟蹤速率自動(dòng)跟蹤軸角輸入，沒有靜態(tài)誤差。由于它在把旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)時(shí)，采用比率式跟蹤方法，輸出數(shù)字角僅與SIN和COS輸入信號(hào)的比值有關(guān)，而與它們的絕對(duì)值大小無關(guān)，因此，AD2S83對(duì)輸入信號(hào)的幅值和頻率變化不敏感，不必使用穩(wěn)定、精確的振蕩器來產(chǎn)生參考信號(hào)，而仍能保證精確度。轉(zhuǎn)換環(huán)路中相敏檢測(cè)器的存在保證了對(duì)參考信號(hào)中的正交分量有很高的抑制能力。另外，它抑制噪聲、諧波的能力強(qiáng)。AD2S83最突出的優(yōu)點(diǎn)就在于它可由用戶選擇相應(yīng)的參數(shù)來優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能。

4　速度輸出與角位置檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

　　速度輸出與位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，就是要正確地選擇AD2S83的外圍元件。下面就介紹AD2S83外圍元件的選擇。應(yīng)注意選用最接近理想值的元件，并工作于允許的溫度范圍內(nèi)。選用誤差等級(jí)為5％的元件并不會(huì)降低變換器的性能。參見圖1。
4．1　高頻濾波器元件R1、R2、C1、C2的選擇
　　高頻濾波器的作用是消除直流偏置和減少進(jìn)入到AD2S83信號(hào)中的噪聲，因?yàn)樗鼈冇绊懴嗝魴z測(cè)器的輸出。在有來自開關(guān)電源和無刷電機(jī)的噪聲時(shí)，其作用尤其重要。元件參數(shù)的選擇如下：

其中，fREF為參考頻率。
當(dāng)取R2＝R3，C1＝C3時(shí)，R1、C2可以省略。
注意：由于該高頻濾波器對(duì)輸入到相敏檢測(cè)器的信號(hào)有3倍的衰減，因此，它會(huì)影響環(huán)路的增益。
4．2　增益比例電阻R4的選擇
若R1，C2滿足（3）式和（4）式，則
其中，100×10－9＝電流／LSB；
EDC＝160×10－3　10位分辨率；
＝40×10－3 12位分辨率；
＝10×10－3 14位分辨率；
　　＝2．5×10－3 16位分辨率。
4．3　R3，C3的選擇
合適的R3、C3使信號(hào)在參考頻率上沒有明顯的相位移，兩元件為： 4．4　最大跟蹤速率的選擇
　　VCO的輸入電阻R6用來設(shè)置變換器的最大跟蹤速率。若在最大跟蹤速率時(shí)，速度輸出為8V，則R6為： 其中，T不能超過最大跟蹤速率或參考信號(hào)頻率的1／16，n為輸出分辨率。
4．5　閉環(huán)帶寬的選擇
　　選擇閉環(huán)帶寬（fBW）時(shí)，必須保證參考頻率與閉環(huán)帶寬的比率不超過表1所示的指標(biāo)。 　　當(dāng)參考頻率為400Hz時(shí)，帶寬的典型值為100Hz，當(dāng)參考頻率為5kHz時(shí)，帶寬的典型值為500Hz到1000Hz。C4，C5，R5按下式選擇： 4．6　VCO相位補(bǔ)償
　　C6，C7，R7取以下的值：C6＝390pF，C7＝150pF，R7＝3．3kΩ。
4．7　偏置調(diào)整
　　積分器輸入端的漂移與偏置電流會(huì)引起變換器輸出端額外的位置漂移，如果能忽略漂移，則可省略R8，R9，否則應(yīng)取R8＝4．7MΩ，R9＝1MΩ（電位器）。為了減小零點(diǎn)漂移，首先選擇好AD2S83的外圍元件，并斷開AD2S83與旋轉(zhuǎn)變壓器的連接，然后連接COS與REFERENCEINPUT兩個(gè)引腳，SIN與SIGNALGROUND兩個(gè)引腳，加上電源與參考信號(hào)后，調(diào)節(jié)電位器R9，使輸出為全“0”。 4．8　輸出分辨率的選擇
　　AD2S83的輸出分辨率可以通過SC1，SC2兩個(gè)管腳的邏輯狀態(tài)被用戶設(shè)置為10，12，14，16位，具體見表2。 5　AD2S83在雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　雷達(dá)伺服系統(tǒng)必須滿足一定的精度要求，同時(shí)要確保其具有高的可靠性，而在某些雷達(dá)中還要求其體積小、重量輕?；跓o刷旋轉(zhuǎn)變壓器與AD2S83集成電路的優(yōu)點(diǎn)，選用高可靠性的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器與AD2S83 RDC構(gòu)成這些雷達(dá)的角位置檢測(cè)系統(tǒng)，并以AD2S83的模擬速度輸出信號(hào)來作為速度反饋信號(hào)構(gòu)成雷達(dá)伺服系統(tǒng)的速度回路是設(shè)計(jì)這些雷達(dá)伺服系統(tǒng)時(shí)較好的選擇。系統(tǒng)框圖見圖2。
　　根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，按照上述計(jì)算方法選定AD2S83的外圍元件后，即可設(shè)計(jì)出速度反饋與位置檢測(cè)電路。在具體實(shí)現(xiàn)該電路時(shí)應(yīng)注意＋Vs，－Vs與ANALOG GROUND之間，＋VL與DIGITAL GROUND之間要分別并聯(lián)100μF（陶瓷）和10μF（膽）的去耦電容，它們應(yīng)盡量靠近AD2S83變換器放置，而且每個(gè)變換器都應(yīng)有自己?jiǎn)为?dú)的去耦電容。旋變的兩個(gè)信號(hào)地應(yīng)連到變換器的SIGNAL GROUND管腳，以減少正、余弦信號(hào)間的耦合，另外，旋變的正、余弦信號(hào)以及參考信號(hào)最好分別使用雙絞屏蔽線。
　　下面介紹計(jì)算機(jī)對(duì)AD2S83 RDC的操作，在此之前先對(duì)AD2S83變換器的控制信號(hào)加以簡(jiǎn)單的說明：
　?。疘NHIBIT輸入：／INHIBIT信號(hào)只禁止可逆計(jì)數(shù)器向輸出鎖存器傳送數(shù)據(jù)，并不打斷跟蹤環(huán)的工作，釋放該信號(hào)將自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)BUSY，并刷新輸出鎖存器。
　　／ENABLE輸入：／ENABLE信號(hào)決定了輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)，高電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)管腳保持在高阻狀態(tài)。低電平時(shí)，允許輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)傳送到輸出管腳上。對(duì)／ENABLE的操作不會(huì)影響變換器的工作。
BYTESELECT輸入：無論該信號(hào)的狀態(tài)如何當(dāng)／ENABLE為低電平時(shí)，低位字節(jié)就將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DB9－DB16上。當(dāng)BYTESELECT為高電平時(shí)，高8位字節(jié)將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DB1－DB8上；當(dāng)BYTESELECT為低電平時(shí)，低8位字節(jié)將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DB1－DB8上，它們同時(shí)也出現(xiàn)在DB9－DB16上。
　　計(jì)算機(jī)對(duì)AD2S83讀取數(shù)據(jù)的過程：首先對(duì)AD2S83施加／INHIBIT信號(hào)，阻止鎖存器的刷新，當(dāng)／INHIBIT被置為低電平并延遲600ns后數(shù)據(jù)有效，把／ENABLE信號(hào)置為低電平后，即可讀取數(shù)據(jù)。讀完數(shù)據(jù)后，應(yīng)立即釋放／INHIBIT信號(hào)，把它置為高電平，以使輸出鎖存器能被刷新。

6　結(jié)束語

　　本文介紹了AD2S83 RDC集成電路的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了由該集成電路和旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成的雷達(dá)伺服系統(tǒng)中速度反饋與角位置檢測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、操作靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。 1　曲家騏，王季秩．伺服控制系統(tǒng)中的傳感器．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998，5