[发明专利]一种多圈旋转变压器

说明书

 

技术领域

本发明属于角度测量传感器技术领域，特别是一种多圈旋转变压器。

背景技术

旋转变压器（以下简称旋变）是一种输出电压随着转子转角变化的信号元件。原理上它相当于一个可以转动的变压器，结构上相当于两相线式异步电动机。旋变的定子绕组接受一定频率的交流电压激励，由于转子是两个轴线互成90电角度的分布绕组，在激励电压作用下能够产生一对相位相差90°、幅值和转子转角相关的模拟量信号。旋变解码芯片是一种用于实现旋转变压器—数字转换的专用芯片，是一种特殊的模数转换器（ADC），它的解码原理是通过检测两路正余弦信号进行正切法取得角度值                                               ，并采用实时跟踪反馈的原理测角，实现无静差地快速测得角度值。旋转变压器按输出电压与转子转角间的函数关系，主要分为三类：正-余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器。

旋变用于机器人等领域时会遇到多圈计数功能的需求，而目前市面上大多数旋变解码芯片没有这一功能。而少数公司如多摩川采用ASIC配合旋变解码芯片实现多圈计数功能，这种方案不仅成本很高，且对旋变解码芯片有特定型号的要求。由于特定型号的旋变解码芯片在分辨率等重要参数方面无法满足应用需求，因此开发一种不受解码芯片限制的旋变通用多圈方案成为迫切的需要。

韦根传感器是利用韦根效应制成的一种无源磁敏器件，一般包括韦根丝、检测线圈和外部永磁体三个部分。它可实现将变化的磁场转变为电脉冲信号。工作原理是：在交变磁场中，当平行于韦根丝的某极性磁场达到触发磁感应强度时，韦根丝中的内核由于磁矫顽力弱于外壳而受到激励而发生磁极翻转，磁化方向瞬间转为与外壳同一方向，同时在韦根丝周围空间磁场也发生瞬间变化，由此在检测线圈中感生出一个电脉冲。此后若该磁场减弱，内核的磁化方向将保持稳定不变，检测线圈也无电脉冲输出；但当相反极性磁场增强到触发磁感应强度时，韦根丝内核磁化方向又瞬间发生翻转，并在检测线圈中感生出一个方向相反的电脉冲。

Actel公司推出的ProASIC3系列器件自从问市以来就成为高性能便携设备的首选FPGA（现场可编程门阵列）芯片，其特点是低功耗、上电即运行和安全性极高。与传统FPGA采用的SRAM（静态随机存取存储器）技术不同，ProASIC3系列采用Flash LVCMOS（需给出对应的中文术语）工艺，上电无需加载逻辑，且带有的安全机制可防止外界对所有编程信息进行访问。此外，ProASIC3系列FPGA有非常小的芯片体积和足以媲美ASIC的价格，非常适合编码器等传感器使用。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种多圈旋转变压器，该旋变无需特定型号的旋变解码芯片即可实现多圈计数功能，并且无需外部电池就可实现多圈信息的保存。

本发明公开的一种多圈旋转变压器，包括旋转变压器、旋变解码芯片、FPGA芯片（FPGA：Field-Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列）、韦根传感器，韦根传感器连接到FPGA芯片，旋转变压器连接到旋变解码芯片再连接到FPGA芯片。旋转变压器用于将电机轴的转动角度θ转换为两路正余弦电压模拟量Sine和Cosine；旋变解码芯片，用于产生使旋变工作的激励信号，并通过正余弦信号计算出电机轴当前的角度值；韦根传感器，用于在电机轴转动中感应产生正负电压脉冲，为后续电路供电并提供圈数和方向信息；FPGA芯片，用于接收解码芯片发送的实时角度值和和霍尔传感器发送的表示圈数的同步位，并结合韦根感应脉冲的正负方向共同确定最终的圈数信息，将两者整合起来通过接口电路向外输出。

作为上述技术方案的进一步改进，所述多圈旋转变压器还包括霍尔传感器和外部NVRAM（非易失存储器），所述霍尔传感器和外部NVRAM均连接到FPGA芯片。霍尔传感器通过检测工作磁场的变化配合FPGA实现圈数信息与单圈角度θ的同步功能；NVRAM芯片，用于在圈数发生变化时将其保存，系统掉电时不丢失。

作为上述技术方案的另一种改进，所述韦根传感器和FPGA芯片之间还设置并联的稳压电路和整形电路。稳压电路，用于将韦根传感器感应脉冲经过稳压后给后级芯片供电；整形电路，用于消除感应电压脉冲的杂波，使FPGA芯片判断方向和计数工作更可靠。

作为上述技术方案的进一步改进，所述韦根传感器、霍尔传感器均连接到FPGA芯片的I/O口； NVRAM通过SPI口与FPGA芯片相连； FPGA芯片和旋转解码芯片之间利用并行I/O口进行连接。