摘 要：針對伺服控制系統中對角度位置量高精度、高可靠性的測量需求，提出了一種基于雙通道旋轉變壓器的高精度單法蘭液位變送器的設計與實現。以 STM32F103 型單片機作為處理核心，重點闡述了旋轉變壓器的工作原理，詳細介紹了電路設計和軟件設計。測試結果表明，設計的單法蘭液位變送器精度指標高達 0.003mA，具有廣泛的應用前景。

 

0 引言

自動控制系統的組成單元必須包含測量元件、比較元件、放大元件、執行元件和校正元件，其中測量元件的精度直接影響控制系統的精度，因此，應盡可能采用精度高的測量元件和合理的測量線路[1]。在伺服控制系統中，單法蘭液位變送器作為測量元件，其功能是將旋轉變壓器輸出的機械角度量轉換為標準的4～20mA的電流信號，為伺服控制系統提供角度、速度等反饋參數，從而實現各類自動化控制設備和系統的跟蹤控制。隨著現代電子技術的飛速發展，對單法蘭液位變送器的精度、可靠性、線性度都提出了更高的要求。

本文提出了一種高精度的單法蘭液位變送器，基于雙通道旋轉變壓器-數字轉換技術，采集粗精兩個通道的模擬信號，完成粗精組合和糾錯，依據環路供電型DAC，搭建冗余切換機制，實現模擬直流量輸出，提高了系統的精度和可靠性。

 

1總體設計

1.1旋轉變壓器

旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子轉角按一定的函數關系變化的精密信號元件，結構與交流繞線式異步電動機相似，由定子和轉子組成[2]，如圖1(a)所示。定子的兩個繞組用R1、R2和R3、R4表示，轉子的兩個繞組用S1、S2和S3、S4表示。

當定子繞組中的一組繞組短接，如繞組R3、R4短路、繞組R1、R2加上單相平流電壓為U=UrefSinωt后(實際上旋轉變壓器的定子和轉子均可作為原邊施加激磁信號)，這時在該繞組中有電流流過，產生一個單相脈振磁場，當轉子繞過θ角時，在轉子繞組S1、S2和繞組S3、S4 中分別產生感應電壓 US 和 UC，其電壓大小分別與轉子轉角 θ 的正、余弦成比例，其矢量關系如圖 1(b)所示。

 

 

兩個轉子繞組輸出函數為：

Us=KUrefsin(ωt+αx)sinθ (1)

Uc=KUrefsin(ωt+αy)cosθ (2)

式(1)和式(2)中：

US- - 正弦繞組輸出電壓；

UC- - 余弦繞組輸出電壓；

K - - 比例系數；

Uref- - 激磁繞組輸入電壓；

ω--ω=2πf，f 為激磁信號頻率；

θ- - 相對于初始狀態的轉子轉角；

αx 和 αy- - 代表兩個繞組輸出信號的相移量，一般很小，可近似為零。

輸出繞組的電壓如圖 2 所示。顯然，定子輸出電壓與轉子轉角的正弦或余弦成正比。

 

 

 

單通道的旋轉變壓器由于受工藝和結構限制，分辨率和轉換精度有限，無法滿足高精度角度測量系統的要求[3]，本文提出的雙通道旋轉變壓器屬于組合電機，兩個旋轉變壓器一個作為粗通道，一個作為精通道，有固定的速比關系，類似于鐘表齒輪的小時和分鐘，從而達到有效地提高分辨率和精度的目的。

 

1.2系統組成單法蘭液位變送器的主要功能是角度變換，將雙通道旋轉變壓器A和B的模擬角度轉換為數字量，然后A、B按照固定的速比進行粗精組合，組合角度為0°～359.999°，轉換成一路與角度對應的模擬直流電流信號。微處理器實時監測旋轉變壓器A和B的狀態，當精通道旋轉變壓器A出現故障時，將粗通道旋轉變壓器B轉換輸出的數字量直接轉換為電流量，實現冗余切換功能。具體實現框圖如圖3所示。

 

 

2 硬件設計

2.1微處理器電路

微處理器選用STM32F103，具備高速ARM32位微處理器內核，2.0V~3.6V供電電壓，2個12位內置DA轉換器，支持SPI、I2C和UART等多種外設。主要完成的功能包括：

(1)旋轉變壓器A、旋轉變壓器B角度轉換后的數據采集；

(2)粗精組合與糾錯；

(3)旋轉變壓器A、B的狀態監控，并輸出故障指示信號；

(4)通過SPI接口發送組合數字角度量給DAC；

(5)通過RS232通訊實現與上位機的通訊，測試顯示兩個通道的角度數字量。

 

2.2旋轉變壓器-數字轉換電路

旋轉變壓器-數字轉換電路基于AD2S1210芯片搭建，AD2S1210是AD公司研制的一款小型、通用、低功耗的單片集成數字跟蹤環路型轉換芯片。分辨率10～16位可選，集成片上可編程正弦波振動器，為旋轉變壓器提供激磁信號，激磁頻率可設置為2kHz至20kHz范圍內的多個標準頻率，具備串行和并行兩種數據接口。

2.3數字-直流電源轉換電路

數字-直流轉換電路選用帶4～20mA輸出的DAC芯片，型號為AD421，電路圖如圖4所示，主要特點包括：

(1)16位分辨率和單調性；

(2)0.01%積分非線性；

(3)穩壓器輸出5V或者3.3V；

(4)2.5V和1.25V精密基準電壓源；

(5)可編程報警電流能力；

(6)靈活的高速串行接口。

 

 

3 軟件設計

單片機軟件用C語言編寫，流程圖如圖5所示，主要實現功能如下：

(1)數字I/O口狀態讀取和處理

通過I/O口實現旋轉變壓器-數字轉換后角度量的響應和控制。程序讀取相關狀態后，進行標志位設置和狀態信號輸出。并對采樣的角度量進行數據濾波，剔除異常點，保證數據運轉的連續性。

(2)角度數據雙速處理依據粗、精通道固定速比關系，對粗、精通道角度數據進行組合、糾錯處理，組合成一個20位的角度數據。

(3)SPI接口數據發送通過SPI接口實現，分別為CS(片選)、SCK(串行時鐘)、SDO(串行數據)引腳。將組合后的數字角度量(高16位)發送給DAC，實現模擬電流輸出。

(4)串口發送數據處理

串口發送處理只在有接收到上位機控制命令后才進行。此功能主要是輸出兩個通道的角度數據給上位機顯示，便于調試監測。

將組合角度數據高、中、低三字節和兩個通道的角度數據(各兩個字節)轉換成BCD碼。加入幀頭、幀尾，共11個字節組成一幀數據，設置串口波特率。

 

 

4 測試數據

為了驗證單法蘭液位變送器性能指標是否滿足設計要求，對主要指標 - 模擬電流量輸出精度進行了測試驗證。輸出的模擬直流量與輸入的角度成比例，測試結果如表1 所示。

 

 

測試結果表明，本文設計的基于雙通道旋轉變壓器的單法蘭液位變送器精度為0.003mA，與基于單通道旋轉變壓器的單法蘭液位變送器精度0.023mA相比較,精度提高了一個數量級，實現了高精度的設計要求。

 

5 結論

本文設計的高精度單法蘭液位變送器，基于雙通道旋轉變壓器技術，以STM32F103為處理核心，實現了旋轉變壓器到模擬電流量的高精度轉換，經測試驗證，其性能指標完全滿足設計要求，可廣泛應用于高精度的伺服控制系統，具有很高的實用價值。