一种基于双通道旋转变压器的高精度单法兰液位变送器

　　摘 要：针对伺服控制系统中对角度位置量高精度、高可靠性的测量需求，提出了一种基于双通道旋转变压器的高精度单法兰液位变送器的设计与实现。以 STM32F103 型单片机作为处理核心，重点阐述了旋转变压器的工作原理，详细介绍了电路设计和软件设计。测试结果表明，设计的单法兰液位变送器精度指标高达 0.003mA，具有广泛的应用前景。

　　0 引言

　　自动控制系统的组成单元必须包含测量元件、比较元件、放大元件、执行元件和校正元件，其中测量元件的精度直接影响控制系统的精度，因此，应尽可能采用精度高的测量元件和合理的测量线路[1]。在伺服控制系统中，单法兰液位变送器作为测量元件，其功能是将旋转变压器输出的机械角度量转换为标准的4～20mA的电流信号，为伺服控制系统提供角度、速度等反馈参数，从而实现各类自动化控制设备和系统的跟踪控制。随着现代电子技术的飞速发展，对单法兰液位变送器的精度、可靠性、线性度都提出了更高的要求。

　　本文提出了一种高精度的单法兰液位变送器，基于双通道旋转变压器-数字转换技术，采集粗精两个通道的模拟信号，完成粗精组合和纠错，依据环路供电型DAC，搭建冗余切换机制，实现模拟直流量输出，提高了系统的精度和可靠性。

　　1总体设计

　　1.1旋转变压器

　　旋转变压器是一种输出电压随转子转角按一定的函数关系变化的精密信号元件，结构与交流绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成[2]，如图1(a)所示。定子的两个绕组用R1、R2和R3、R4表示，转子的两个绕组用S1、S2和S3、S4表示。

　　当定子绕组中的一组绕组短接，如绕组R3、R4短路、绕组R1、R2加上单相平流电压为U=UrefSinωt后(实际上旋转变压器的定子和转子均可作为原边施加激磁信号)，这时在该绕组中有电流流过，产生一个单相脉振磁场，当转子绕过θ角时，在转子绕组S1、S2和绕组S3、S4 中分别产生感应电压 US 和 UC，其电压大小分别与转子转角 θ 的正、余弦成比例，其矢量关系如图 1(b)所示。

　　两个转子绕组输出函数为：

　　Us=KUrefsin(ωt+αx)sinθ (1)

　　Uc=KUrefsin(ωt+αy)cosθ (2)

　　式(1)和式(2)中：

　　US- - 正弦绕组输出电压；

　　UC- - 余弦绕组输出电压；

　　K - - 比例系数；

　　Uref- - 激磁绕组输入电压；

　　ω--ω=2πf，f 为激磁信号频率；

　　θ- - 相对于初始状态的转子转角；

　　αx 和 αy- - 代表两个绕组输出信号的相移量，一般很小，可近似为零。

　　输出绕组的电压如图 2 所示。显然，定子输出电压与转子转角的正弦或余弦成正比。

　　单通道的旋转变压器由于受工艺和结构限制，分辨率和转换精度有限，无法满足高精度角度测量系统的要求[3]，本文提出的双通道旋转变压器属于组合电机，两个旋转变压器一个作为粗通道，一个作为精通道，有固定的速比关系，类似于钟表齿轮的小时和分钟，从而达到有效地提高分辨率和精度的目的。

　　1.2系统组成单法兰液位变送器的主要功能是角度变换，将双通道旋转变压器A和B的模拟角度转换为数字量，然后A、B按照固定的速比进行粗精组合，组合角度为0°～359.999°，转换成一路与角度对应的模拟直流电流信号。微处理器实时监测旋转变压器A和B的状态，当精通道旋转变压器A出现故障时，将粗通道旋转变压器B转换输出的数字量直接转换为电流量，实现冗余切换功能。具体实现框图如图3所示。

　　2 硬件设计

　　2.1微处理器电路

　　微处理器选用STM32F103，具备高速ARM32位微处理器内核，2.0V~3.6V供电电压，2个12位内置DA转换器，支持SPI、I2C和UART等多种外设。主要完成的功能包括：

　　(1)旋转变压器A、旋转变压器B角度转换后的数据采集；

　　(2)粗精组合与纠错；

　　(3)旋转变压器A、B的状态监控，并输出故障指示信号；

　　(4)通过SPI接口发送组合数字角度量给DAC；

　　(5)通过RS232通讯实现与上位机的通讯，测试显示两个通道的角度数字量。

　　2.2旋转变压器-数字转换电路

　　旋转变压器-数字转换电路基于AD2S1210芯片搭建，AD2S1210是AD公司研制的一款小型、通用、低功耗的单片集成数字跟踪环路型转换芯片。分辨率10～16位可选，集成片上可编程正弦波振动器，为旋转变压器提供激磁信号，激磁频率可设置为2kHz至20kHz范围内的多个标准频率，具备串行和并行两种数据接口。

　　2.3数字-直流电源转换电路

　　数字-直流转换电路选用带4～20mA输出的DAC芯片，型号为AD421，电路图如图4所示，主要特点包括：

　　(1)16位分辨率和单调性；

　　(2)0.01%积分非线性；

　　(3)稳压器输出5V或者3.3V；

　　(4)2.5V和1.25V精密基准电压源；

　　(5)可编程报警电流能力；

　　(6)灵活的高速串行接口。

　　3 软件设计

　　单片机软件用C语言编写，流程图如图5所示，主要实现功能如下：

　　(1)数字I/O口状态读取和处理

　　通过I/O口实现旋转变压器-数字转换后角度量的响应和控制。程序读取相关状态后，进行标志位设置和状态信号输出。并对采样的角度量进行数据滤波，剔除异常点，保证数据运转的连续性。

　　(2)角度数据双速处理依据粗、精通道固定速比关系，对粗、精通道角度数据进行组合、纠错处理，组合成一个20位的角度数据。

　　(3)SPI接口数据发送通过SPI接口实现，分别为CS(片选)、SCK(串行时钟)、SDO(串行数据)引脚。将组合后的数字角度量(高16位)发送给DAC，实现模拟电流输出。

　　(4)串口发送数据处理

　　串口发送处理只在有接收到上位机控制命令后才进行。此功能主要是输出两个通道的角度数据给上位机显示，便于调试监测。

　　将组合角度数据高、中、低三字节和两个通道的角度数据(各两个字节)转换成BCD码。加入帧头、帧尾，共11个字节组成一帧数据，设置串口波特率。

　　4 测试数据

　　为了验证单法兰液位变送器性能指标是否满足设计要求，对主要指标 - 模拟电流量输出精度进行了测试验证。输出的模拟直流量与输入的角度成比例，测试结果如表1 所示。

　　测试结果表明，本文设计的基于双通道旋转变压器的单法兰液位变送器精度为0.003mA，与基于单通道旋转变压器的单法兰液位变送器精度0.023mA相比较,精度提高了一个数量级，实现了高精度的设计要求。

　　5 结论

　　本文设计的高精度单法兰液位变送器，基于双通道旋转变压器技术，以STM32F103为处理核心，实现了旋转变压器到模拟电流量的高精度转换，经测试验证，其性能指标完全满足设计要求，可广泛应用于高精度的伺服控制系统，具有很高的实用价值。