自整角机和旋转变压器均为测角微电机，即是将转角信号变为电信号的元件，但它的输出是一个模拟量，在数字化控制系统中必须将其变换为数字量。近年，随着大规模集成电路的发展，模块化的自整角机／旋转变压器一数字转换器(S/R-D)的出现，使各种轴角位置的检测、显示和闭环伺服控制变得很方便、灵活。美国AD公司已有系列化产品供应市场，国产系列化模块也已成熟，其原理、性能与美国AD公司产品相近，完全可以满足工业控制、数控机床、工业机器人、武器控制系统和机电一体化领域的应用。

    目前市场上所见到的模块化轴角／数字转换器主要有两种类型：跟踪式和采样逐次逼近式，前者可用来构成单通道轴角／数字转换系统，后者可用来构成多通道轴角／数字转换系统。在设计系统时只有正确地选用和设计转换系统，才能真正发挥模块化的特点。不正确的使用往往达不到器件所给定的性能指标。

    跟踪式或逐次逼近采样式同步机／分解器一数字转换器(S/R-D)模块在以同步机记录和分解器（旋转变压器）作轴角位置测量的系统中，对被测轴角位置进行数字显示或录或者为微处理器控制提供轴角位置的数据输入和反馈是十分方便的，是一种独立的、不依赖任何硬件与软件的直接编码。通常，只需要给模块提供参考电压和直流电源即可。转换器的数据输出如果具有三态缓冲器，即可直接与计算机的数据总线相连，它所需的控制信号取自系统控制总线。图1所示为一个同步机轴角／数字转换系统。在这一系统中，S/D转换器相当于控制式同步机系统中的接收机，它接受同步机（发送机）输出的三相交流信号，并输入同步机的励磁电压，从S/D转换器的输出端可直接得到被测角O的数字量和被测轴角速度鬈的模拟量，而无需进行任何中间解算，如果使用分解器作轴角传感器，则应用分解器／数字转换器(R/D)模块，系统其它部分不变。然而，在实际中为构成一个满足给定技术指标的、具有轴角／数字转换器作位置测量的系统，切不可盲目地确定模块，而应与系统总体性能相匹配。

    由于跟踪式转换器采用比率方式转换，所以它的精度指标可以在很宽的条件下满足。

    S/R-D转换器系统的分辨力定义为所能分辨的最小角度变化，它取决于传感器的静误差和转换器模块的分辨力。假设传感器的静误差，转换模块的分辨力为AOc，则组合系统的分辨力为：

    转换模块的分辨力常用其输出2进制数码的位数表示，一个C位转换模块，其分辨力为：

    在闭环伺服系统中，S/R-D转换系统的分辨力z/Ose限定了整个系统所能达到的控制精度。实际工程中，测角系统的分辨力△不应大于控制系统要求的静态误差角eo的1/2。根据这一基本要求可以求出转换模块应具有的分辨力，其字长C为：

    如计算值为非整数，C应取大于计算值的整数。当前，转换器模块的字长已达18位，分辨力优于0.1，而同步机或旋转变压器因制造工艺的限制，其零位误差△。不能做得很小，因此提高角位测量装置分辨力的主要障碍在于传感器。当不能满足时，可采用粗精组合的办法来提高分辨力。

   S/R-D转换系统的精度常用其输出数字的加权值与实际轴角之间的****差值表示。如同步机或分解器的电气误差，转换模块的误差。则转换系统的总误差为：

    轴角并不总是匀速变化，当加速或减速时，跟踪式转换将出现滞后误差，滞后量与轴角加速度成正比，并与转换模块的加速度品质因数成反比。加速度品质因数K。为：

曲角加速度

  在系统设计时，根据预知的轴角加速度和所用转换器的K。，可估算出转换模块可能出现的附加误差，也可根据系统所允许的附加误差和轴角加速度选择转换模块的K。

    理想情况下，对于以任意速率匀速转动的轴角信号，跟踪式转换器都没有速度误差，但实际上，由于转换模块中所用的压控振荡器(VCO)的****输出频率有限，转换器只能跟踪一定速度范围内的轴角变化，当轴角速度超过这个速度上限时，转换模块的数字输出将滞后于轴角变化，产生速度误差，这个上限速率称为转换器的****跟踪速率。跟踪速率与转换器所用的参考电压频率有关。使用参考电压的频率越高，则跟踪速率越大，例如，对于14位字长的SDC1704系列的转换器，跟踪速率如表1所示。

   

    由于同步机和分解器的输出信号与励磁信号之间存在不同程度的相移，前者相移小，后者相移大。结果使转换器产生动态误差，其值可由下式估算：

    若把施加到转换模块上的励磁参考电压预置一个适当的超前相位，则可抵销这一误差。许多转换器已在模块内部进行预补偿，因而也限定了所用传感器的相移上限，如果其相移超过补偿量，仍然会出现动态误差。

    在设计系统时，应从选定的转换模块产品数据表中查出这三个常数，以确定其闭环传递函数。

    转换模块的单位阶跃响应对闭环系统的动态特性影响很大。跟踪式转换器模块的阶跃响应特性如图2所示，它是具有一次超调的临界阻尼响应曲线，阶跃响应时间Ts由上升时间T，和超调时间Td两部分组成。产品数据表上给出的Ts值为179。阶跃输入时的大值。

    在使用同步机或分解器的轴角／数字伺服系统中，转换器模块应与传感器使用同一个励磁（参考）电压。对于转换模块，参考电压频率越高，其动态性能就越好。不同规格的转换器只适应于一定频率范围内的参考电压，不能随意提高或降低。实际选择时，成本是一个重要因素，转换模块本身的参考电压频率是可供选择的(通常有60、400、2 600Hz，更高的还有5～lokHz)，往往是轴角传感器的励磁电压频率受到限制，因为高频率励磁电压的传感器的价格比低频率的要高得多。

    转换器模块的输入信号包括传感器输出的交流信号电压和励磁交流电压，这些电压的输入端都设置有隔离电路，或者是变压器式的（低频），或者是电子式的。它们都只能承受一定幅度的电压，因此对各种规格的转换器模块都规定了信号电压和励磁电压的幅值，输入电压比额定值小得多时，转换器的精度指标和动态指标都不能保证。当输入电压比额定值高时，必须在每个信号输入端和励磁电压输入端串入适当的衰减电阻，电阻的阻值由每个信号回路的输入阻抗和应该衰减的电压值决定。

    需要注意的是，各个信号输入端的电阻的阻值及其电阻温度系数应保持匹配，否则，加到转换器模块各个信号输入端的电压值就会不对称，这将引起附加的转换误差，若各电阻的比率有百分之1的偏差，引起17分的附加转换误差，若电阻比率误差为百分之0. 1，则附加转换误差只有1.7分。

    在闭环伺服系统中，有时需要系统输出轴的速度反馈信号或者需要输入轴的指令速度前馈信号，在使用转换模块的系统中，模块中的积分器可以输出一个与轴角速度鬈成正比的速度模拟电压，其极性随着鬈的符号变化而变化。使用这个直流电压，可以取代系统中作为速度阻尼的直流测速发电机，亦可提供复合控制系统前馈补偿量。

    如果一个采样伺服系统中有几个轴角量需要测量和控制，可以为每个同步机（或分解器）配置一个跟踪式转换模块，但更合理更经济的方案是采用多通道转换器（逐次采样逼近式转换器）。若采用后者，则各个同步机（或分解器）应使用同一个励磁电压源，且具有相同幅值的信号输出。应注意，这种转换系统是按采样方式工作的，因而在两次采样之间轴角的变化无法得知，这种误差称为失时误差。

    图3为S/D转换器用于精读数、粗读数双通道同步处理系统的基本电路。两片跟踪型S/D转换器模块为精、粗（双速）数据处理系统提供信息。图中，TS1612是双速同步机／数字转换、处理模块，它以数字形式解决将双速同步机对多速输出组合为单速数字输出的问题。TSL1612用简单的输入／输出程序为非2进制速比(36：1或18：1，9:1)提供双速逻辑（自动地实现精、粗假零纠错），它接受SDC1704糟通道转换器的14位和SDC1702粗通道转换器的7位2进制角量输入，把它们逻辑组合、处理，输出一个高达19位的并行2进制数码来表示“粗”轴的实际角度，而转换时间仅500ns，为高精度同步跟踪伺服系统实现计算机数字控制提供了方便。

    在计算机控制系统中，S/D转换器与计算机在交换数据时，通常需外接寄存器，以使S/D转换器输出数据有序地传送到计算机的数据总线上。这里推荐一种S/D转换器与计算机的接口电路，如图4所示，它借助S/D子是永磁体，在定子上绕上线圈，霍尔器件在感磁后，讯号经放大给另外一组定子线圈充磁，使转子转动一个角度，然后再使输出讯号给前一组定子充磁，使转子又转动一个角度，这样反复进行，电机就转动起来，因此霍尔器件在这里的绦用是作为位置传感器。

    SS400/SS4/SS1系列双极传感器应在+90×10-4T(南极S)动作．在- 90×10-4T(北极N)时释放，SS400电源电压为3.8-24V，工作温区是- 40～150℃，SS4/SS1电源电压为4. 5024V，SS4工作温区为-55～+上50℃，SS1工作温区为-40～+125℃。图4 S/D转换器与计算机的接口电路转换器的“BUSY”脉冲信号(BUSY为一时，S/D正在转换；BUSY为“0”时，S/D转换结

束）去启动4位74173三态寄存器，实现S/D转换器与计算机的数据交换。    （待续）

 

 

 

  朱春波：男，1964年2月12日出生，讲师，主要从事自动化测试系统、系统控制及仿真等方面的研究。