第八講模塊化軸角／數(shù)字轉(zhuǎn)換器的選用
朱春波 宋立偉 宋凌峰（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 150001）
1概述
自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器均為測角微電機(jī)，即是將轉(zhuǎn)角信號變?yōu)殡娦盘柕脑�，但它的輸出是一個模擬量，在數(shù)字化控制系統(tǒng)中必須將其變換為數(shù)字量。近年，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，模塊化的自整角機(jī)／旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換器(s/r-d)的出現(xiàn)，使各種軸角位置的檢測、顯示和閉環(huán)伺服控制變得很方便、靈活。美國ad公司已有系列化產(chǎn)品供應(yīng)市場，國產(chǎn)系列化模塊也已成熟，其原理、性能與美國ad公司產(chǎn)品相近，完全可以滿足工業(yè)控制、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、武器控制系統(tǒng)和機(jī)電一體化領(lǐng)域的應(yīng)用。
目前市場上所見到的模塊化軸角／數(shù)字轉(zhuǎn)換器主要有兩種類型：跟蹤式和采樣逐次逼近式，前者可用來構(gòu)成單通道軸角／數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，后者可用來構(gòu)成多通道軸角／數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在設(shè)計系統(tǒng)時只有正確地選用和設(shè)計轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，才能真正發(fā)揮模塊化的特點(diǎn)。不正確的使用往往達(dá)不到器件所給定的性能指標(biāo)。
2基本工作原理
跟蹤式或逐次逼近采樣式同步機(jī)／分解器一數(shù)字轉(zhuǎn)換器(s/r-d)模塊在以同步機(jī)記錄和分解器（旋轉(zhuǎn)變壓器）作軸角位置測量的系統(tǒng)中，對被測軸角位置進(jìn)行數(shù)字顯示或錄或者為微處理器控制提供軸角位置的數(shù)據(jù)輸入和反饋是十分方便的，是一種獨(dú)立的、不依賴任何硬件與軟件的直接編碼。通常，只需要給模塊提供參考電壓和直流電源即可。轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出如果具有三態(tài)緩沖器，即可直接與計算機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，它所需的控制信號取自系統(tǒng)控制總線。圖1所示為一個同步機(jī)軸角／數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，s/d轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于控制式同步機(jī)系統(tǒng)中的接收機(jī)，它接受同步機(jī)（發(fā)送機(jī)）輸出的三相交流信號，并輸入同步機(jī)的勵磁電壓，從s/d轉(zhuǎn)換器的輸出端可直接得到被測角o的數(shù)字量和被測軸角速度鬈的模擬量，而無需進(jìn)行任何中間解算，如果使用分解器作軸角傳感器，則應(yīng)用分解器／數(shù)字轉(zhuǎn)換器(r/d)模塊，系統(tǒng)其它部分不變。然而，在實際中為構(gòu)成一個滿足給定技術(shù)指標(biāo)的、具有軸角／數(shù)字轉(zhuǎn)換器作位置測量的系統(tǒng)，切不可盲目地確定模塊，而應(yīng)與系統(tǒng)總體性能相匹配。
3選用中的有關(guān)問題
由于跟蹤式轉(zhuǎn)換器采用比率方式轉(zhuǎn)換，所以它的精度指標(biāo)可以在很寬的條件下滿足。
3.1分辨力
s/r-d轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的分辨力定義為所能分辨的最小角度變化，它取決于傳感器的靜誤差和轉(zhuǎn)換器模塊的分辨力。假設(shè)傳感器的靜誤差，轉(zhuǎn)換模塊的分辨力為aoc，則組合系統(tǒng)的分辨力為：
轉(zhuǎn)換模塊的分辨力常用其輸出2進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示，一個c位轉(zhuǎn)換模塊，其分辨力為：
在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，s/r-d轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的分辨力z/ose限定了整個系統(tǒng)所能達(dá)到的控制精度。實際工程中，測角系統(tǒng)的分辨力△不應(yīng)大于控制系統(tǒng)要求的靜態(tài)誤差角eo的1/2。根據(jù)這一基本要求可以求出轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)具有的分辨力，其字長c為：
如計算值為非整數(shù)，c應(yīng)取大于計算值的整數(shù)。當(dāng)前，轉(zhuǎn)換器模塊的字長已達(dá)18位，分辨力優(yōu)于0.1，而同步機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器因制造工藝的限制，其零位誤差△。不能做得很小，因此提高角位測量裝置分辨力的主要障礙在于傳感器。當(dāng)不能滿足時，可采用粗精組合的辦法來提高分辨力。
3.2精度
s/r-d轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度常用其輸出數(shù)字的加權(quán)值與實際軸角之間的****差值表示。如同步機(jī)或分解器的電氣誤差，轉(zhuǎn)換模塊的誤差。則轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的總誤差為：
3.3加速度品質(zhì)因數(shù)
軸角并不總是勻速變化，當(dāng)加速或減速時，跟蹤式轉(zhuǎn)換將出現(xiàn)滯后誤差，滯后量與軸角加速度成正比，并與轉(zhuǎn)換模塊的加速度品質(zhì)因數(shù)成反比。加速度品質(zhì)因數(shù)k。為：
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