一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统的制作方法
一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统的制作方法
【专利摘要】一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，包括变磁阻传感器（1）、轴角转换电路（2）、飞转报警电路（3）、监测接口电路（4）、监测CPU（5）、正负角度识别电路（6）、定时计数电路（7）、定数计时电路（8）、总线接口电路（9）和总线CPU（10）；轴角转换电路将变磁阻传感器的输出转换成脉冲信号，经过正负角度识别电路、定时计数电路、定数计时电路，总线接口电路输出到总线CPU，用于角度测量和方向识别；飞转报警电路用于判断被测物是否超速，并且将超速报警信号通过监测接口电路输出到监测CPU。本发明结构简单，具备飞转报警、角度测量与故障诊断功能，能够提高角度数据测量的可靠性。
【专利说明】一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种角度测量与故障诊断系统，用于加速度计角度测量、转台位置测量等测控系统。
【背景技术】
[0002]变磁阻传感器角度测量系统具有高精度、高可靠性等优点，广泛应用于各种仪表角度测试、转台位置测试等测控领域。随着现代电子测量技术的发展，系统采取不同策略以达到提高测量系统精度、可靠性、小型化、多重附加功能的目的，但在具体方案实施过程中会遇到不同的困难。如现有的角度测量系统多存在测量手段单一、故障诊断滞后等问题，不能同时完成角度测量与实时故障诊断的双重功能。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种结构简单具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，能够提高角度数据测量的可靠性。
[0004]本发明的技术方案是:
[0005]一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，包括变磁阻传感器、轴角转换电路、飞转报警电路、监测接口电路、监测CPU、正负角度识别电路、定时计数电路、定数计时电路、总线接口电路、总线CPU ;变磁阻传感器用于测量电机转速；轴角转换电路将变磁阻传感器的输出转换成角度脉冲信号、正反转逻辑信号和速度电压信号；所述角度脉冲信号和正反转逻辑信号经过正负角度识别电路的逻辑变换和信号处理，输出正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号至定时计数电路和定数计时电路；定时计数电路在总线CPU的控制下采集规定时间内正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号的脉冲数，并通过总线接口电路输出至总线CPU ;定数计时电路在总线CPU的控制下采集完成规定正向角度脉冲计数或负向角度脉冲计数的时间，并通过总线接口电路输出至总线CPU;轴角转换电路输出速度电压信号至飞转报警电路，飞转报警电路用于判断被测物是否超速，并且将超速报警信号经光耦隔离后输出至监测接口电路，监测接口电路输出监测信号至监测CPU，监测CPU将所述监测信号发送至总线CPU ;总线CPU完成角度测量、方向识别和故障诊断。
[0006]所述轴角转换电路采用专用集成电路芯片AD2S80A，通过AD2S80A的BUSY管脚输出所述角度脉冲信号；通过AD2S80A的DIR管脚输出所述正反转逻辑信号；通过AD2S80A的INT 0/P管脚输出所述变磁阻传感器的速度电压信号。
[0007]所述正负角度识别电路包括非门D1A，非门D1B，或门D2A，或门D2B，加减计数器D3和加减计数器D4 ;所述正反转逻辑信号输入至非门DlA的输入管脚I以及或门D2B的一个输入管脚4，非门DlA的输出端管脚2连接或门D2A的一个输入管脚I ;所述角度脉冲信号输入至非门DlB的输入管脚3，非门DlB的输出管脚4接或门D2B的另一个输入管脚5以及或门D2A的另一个输入管脚2 ;或门D2A的输出管脚3输出正向角度脉冲，所述正向角度脉冲输入至加减计数器D3进行计数后输出分频后的正向角度脉冲信号；或门D2B的输出管脚6输出负向角度脉冲，所述负向角度脉冲输入至加减计数器D4进行计数后输出分频后的负向角度脉冲信号。
[0008]所述加减计数器D3、D4为54LS193，加减计数器D3的CKU输入管脚5接所述正向角度脉冲；加减计数器D4的CKU输入管脚5接所述负向角度脉冲；加减计数器D3的输入管脚1，9，10，15，RST管脚14，短接到参考地GND，加减计数器D3的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，加减计数器D3的输出管脚2输出所述分频后的正向角度脉冲信号；加减计数器D4的输入管脚1，9，10，14，15短接到参考地GND，加减计数器D4的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，PSE输入管脚D4的输出管脚2输出所述分频后的负向角度脉冲信号。
[0009]所述飞转报警电路包括四个运算放大器N2A-N2D，电压比较器N3A，光电耦合器BI，电阻R9?R23，二极管Vl?V5 ;轴角转换电路输出的变磁阻传感器的速度电压信号与电阻R12的一端相连，另一端接运算放大器N2A同向输入端3 ;运算放大器N2A的反向输入端2接运算放大器N2A的输出端I ;电阻Rll —端接运算放大器N2A的输出端1，另一端接运算放大器N2B的同向输入端5;运算放大器N2B的反向输入端6接二极管V2的阳极，运算放大器N2B的输出端7接二极管V2的阴极；电阻R9 —端接二极管V2阳极，另一端接二极管Vl阴极；二极管Vl阳极接二极管V2阴极；电阻RlO —端接运算放大器N2A的输出端1，另一端接运算放大器N2C反向输入端9;电阻R14 —端接运算放大器N2C的同向输入端10，另一端接参考地GND ;二极管V3阳极接电阻R10，负端接运算放大器N2C输出端8 ;电阻R17—端接二极管V3阳极，另一端接二极管V4阴极；二极管V4阳极接运算放大器N2C输出端8，另一端接电阻R17 ；电阻R13 —端接电阻R9，另一端接运算放大器N2D同向输入端12 ；电阻R15 —端接运算放大器N2D反向输入端13，另一端接运算放大器N2D输出端14 ；电阻R16—端接电阻R15，另一端接参考地GND ;电阻R21—端接电阻R18，另一端接正电源+12V;电阻R19 —端接R21，另一端接负电源-12V ;电压比较器N3A的正输入端3接电阻R18，电压比较器N3A的负输入端2接运算放大器N2D的输出端14 ；电阻R20 —端接正电源+12V，另一端接电压比较器N3A输出端I ;二极管V5阳极接比较器N3A输出端1，负端接参考地GND ；电阻R22 —端接光电耦合器BI管脚1，另一端接参考地GND ;光电耦合器BI管脚2接二极管V5阳极，光电耦合器管脚3接监测接口电路的参考地MG ;电阻R23 —端接BI管脚4，另一端接监测接口电路的电源M05+。
[0010]本发明与现有技术相比优点在于:
[0011](I)本发明所使用的电路同时具备角度测量和故障诊断的功能。本发明采用轴角转换电路将变磁阻传感器的输出信号转换成角度脉冲信号、正反转逻辑信号，转速信号，通过正负角度识别电路获得正负路双向角度脉冲输出；采用正负路双向角度脉冲输出，且同时采用定时计数与定数计时功能对所测量的数据进行对比验证，提高了测量数据的有效性与可靠性；同时具备故障诊断功能:通过分析定时计数与定数计时功能模块的输出数据，辨识系统工作是否正常，特别是在同一时刻将被测物输出的正负向角度分别记录，避免了采用并行总线计数方式只能记录被测物的综合输出情况，导致难以识别系统是否出现异常量化角度脉冲故障，提高了故障诊断能力。
[0012](2)本发明所使用的电路具有飞转报警功能，可以在系统初始启动、正常工作的任何状态下判断被测物转动速度是否超过最大转速阈值，并通过监测接口向监测CPU反馈转速状态；提高了系统的安全性、可靠性。
[0013](3)本发明包括总线接口电路和监测接口电路，具备与总线通信的功能。通过该接口电路，计算机总线可以实时测量输出角度，分析测量数据、诊断系统故障，采取控制措施，从而实现自动化测量与控制，也可以实现系统的远程控制与远程监测。避免系统测试过分依赖操作人员，反映速度慢，自动化程度低等缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统方框图；
[0015]图2为本发明总线CPU与定时计数电路和定数计时电路的关系图；
[0016]图3为本发明轴角转换电路图；
[0017]图4为本发明正负角度识别电路图；
[0018]图5为本发明飞转报警电路图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合【专利附图】
【附图说明】系统【具体实施方式】。
[0020]如图1所示，本发明具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，包括变磁阻传感器1、轴角转换电路2、飞转报警电路3、监测接口电路4、监测CPU5、正负角度识别电路
6、定时计数电路7、定数计时电路8、总线接口电路9、总线CPUlO ;变磁阻传感器I用于测量电机转速；轴角转换电路2将变磁阻传感器I的输出转换成角度脉冲信号、正反转逻辑信号和速度电压信号；所述角度脉冲信号和正反转逻辑信号经过正负角度识别电路6的逻辑变换和信号处理，输出正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号至定时计数电路和定数计时电路；定时计数电路在总线CPU的控制下采集规定时间内正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号的脉冲数，并通过总线接口电路输出至总线CPUlO ;定数计时电路在总线CPU的控制下采集完成规定正向角度脉冲计数或负向角度脉冲计数的时间，并通过总线接口电路输出至总线CPU ;轴角转换电路输出速度电压信号至飞转报警电路，飞转报警电路3用于判断被测物是否超速，在任意时刻，当正负向转速超过被测物所能承受的最大转速时发出报警，并且将超速报警信号经光耦隔离后输出至监测接口电路4，监测接口电路4输出监测信号至监测CPU5，监测CPU5将所述监测信号发送至总线CPU ;总线CPUlO完成角度测量、方向识别和故障诊断。总线CPU根据故障信息时采取必要措施，例如切断电机的电源等。
[0021]传感器输出正常主要包括两个方面，一是当传感器处于顺时针转动时不允许有逆时针转动故障，或者当传感器处于逆时针转动时不允许有顺时针转动故障，二是传感器工作转速在一定的范围内，不大于320rps。
[0022]如图2所示，主要表明定时计数模块、定数计时模块与总线CPU之间的数据传输关系。总线CPU发出读、写、中断等指令，读取定时计数模块与定数计时模块输出，并通过一定的算法完成角度测量与故障诊断的功能。定时计数模块主要采集规定时间内的正向角度脉冲P+和负向角度脉冲P-数，并通过总线接口电路输出到总线CPU ;定数计时模块主要采集完成规定正向角度脉冲P+计数或负向角度脉冲P-计数的时间，并通过总线接口电路输出到总线CPU，用于完成角度测量、和故障诊断。
[0023]定时计数模块选用双路20位计数器BM2029，它内部集成了计数器与锁存器。其输入为角度脉冲信号P+与P-，内部计数器完成对P+与P-的计数，它是时时更新的；锁存器完成将采样时刻计数器输出锁存到锁存器中，供总线CPU读取，锁存器中的数据直到下一次采样时刻才会更新。总线CPU发出定时中断信号INTRQS，定时中断时间为2ms，10ms，IOOms不等,可根据具体要求确定。总线CPU根据地址address选中定时计数模块，向定时计数模块发出定时中断INTRQS和数据读取RD指令，读取定时计数模块数据data，完成一次数据采样。
[0024]在变磁阻传感器工作期间，始终有P+或P-输出，总线CPU设置中断采样时间，不断读取定时计数模块数据data。总线CPU将当前时刻的采样数据减去前一时刻的采样数据，得出采样时间内的角度脉冲数。将N次采样时间内的角度脉冲数累加求和，再与量化角度脉冲相乘，得到N次采样时间内变磁阻传感器的输出角度，完成角度测量功能。同时分析采样时间内的正向角度脉冲数与负向角度脉冲数，判断传感器输出是否正常，完成故障诊断功能。判断的依据是变磁阻传感器顺时针输出脉冲应该全部为P-，不允许有P+脉冲出现；或者是变磁阻传感器逆时针输出脉冲应该全部为P+，不允许有P-脉冲出现，否则认为传感器输出不正常，有故障。
[0025]定数计时模块选用可编程计数器82C54，CPU通过写指令WR设置82C54输出为3个16位计数器，2个计数器完成对输入P+、P-计数，为减计数器，I个计数器完成对时钟脉冲PLCK的计数，为加计数器。减计数器的预置数为16384，当其中一个减计数器完成计数，其输出端变为低电平，作为数据锁存中断INT，锁定其他2个计数器的当前数。同时CPU接收计数完成中断INT，发出读数指令RD，根据三个计数器的不同地址address分别读取3个计数器内数值data。总线CPU将P+计数器计数值与量化角度脉冲相乘，得到变磁阻传感器逆时针旋转角度。将P-计数器计数值与量化角度脉冲相乘，得到变磁阻传感器顺时针旋转角度。将PCLK计数器计数值与量化脉冲时间相乘，得到变磁阻传感器旋转一定角度的时间，完成角度测量功能。总线CPU同时分析P+计数器与P-计数器的计数值，判断传感器输出是否正常，完成故障诊断功能。判断的依据是P+减计数器完成计数输出中断信号时，P-计数器输出为16384，即此时变磁阻传感器单方向逆时针旋转；或者P-减计数器完成计数输出中断信号时，P+计数器输出为16384，即此时变磁阻传感器单方向顺时针旋转，否则认为传感器输出不正常，有故障，总线CPU完成故障诊断功能。
[0026]可以同时采用定时计数与定数计时两种功能模块判断测试数据的有效性，提高数据的可靠性。大多数电路测角系统多采用一种方式记录输出角度，当测试数据出现异常时，不易分清是测角系统计数故障还是变磁阻传感器本身输出故障，当采用两种方式同时测试变磁阻传感器角度时，可以相互验证测试数据的有效性，快速判断故障来源，提高数据的可靠性。
[0027]轴角转换电路优选地，可以采用专用集成电路AD2S80A轴角转换器。如图3所示，轴角转换电路主要由轴角转换器NI，电阻Rl?R7，电容Cl?C9组成。AD2S80A它的输入为单相激磁双向输出变磁阻传感器输出的信号，变磁阻传感器的双向输出信号为图3中NI的输入管脚7 (正弦SIN信号)和管脚4 (余弦COS信号)。图3中变磁阻传感器的激磁信号JC+为频率为4kHz，有效值为5.5V的正弦波，电阻R3与电容C3组成移相网络，补偿变磁阻器激磁与输出之间的相移。电容C1，C2，电阻R1，R2组成选频电路，保证输入到相敏解调器的有用信号频率为4kHz。电阻R7与电容C6为压控振荡器的相位补偿电路。电容C7，C8，C9用于电源滤波。在本设计中出于电磁兼容性的考虑，将AD2S80A的模拟信号参考地AGND,数字信号参考地GND分别布线，最终实现单点连接。
[0028]图中NI的输入激磁参考管脚I接电容C3和电阻R3，电容C3另一端接激磁信号JC+,电阻R3另一端接模拟参考地AGND。NI的相敏解调输入管脚2接电阻R2、电容C1、C2，电阻R2和电容C2的另一端接模拟参考地AGND。NI的减法器输出管脚3接电阻Rl，电阻Rl另一端接电容Cl。NI的管脚4为变磁阻输出余弦信号COS。NI的管脚5、6为集成电路的模拟参考地AGND。NI的管脚7为变磁阻输出正弦信号SIN。NI的负电源管脚8接模拟电源+12V，电容C7 —端接NI的负电源管脚8，另一端接模拟参考地AGND。NI的管脚9?24为A/D输出，本设计中不使用。NI的电源管脚25接数字电源+5V。NI的管脚26，29，30，31接数字参考地GND，NI的管脚27，28接数字电源+5V，电容C8 —端接数字电源+5V，另一端接数字参考地GND。NI的最小量化脉冲输出管脚33为BUSY，N1的方向识别管脚34为DIR。NI的模拟负电源管脚36接-12V，电容C9 一端接-12V，另一端接模拟参考地AGND。NI的压控振荡器输入管脚37接电阻R6，R7，电阻R6另一端接NI的解调器输出管脚40，电阻R7另一端接电容C6，电容C6另一端接模拟参考地AGND。NI的积分器输入管脚38接电阻R4、R5、电容C4，电阻R4另一端接电阻R6，电阻R5另一端接电容C5。NI的积分器输出管脚39接电容C4、C5。
[0029]AD2S80A能够识别传感器的角度大小与转动方向。本设计中传感器输出最小角度用BUSY表示，转动方向用DIR表示。当变磁阻传感器逆时针转动时，DIR为高电平，当变磁阻传感器顺时针转动时，DIR为低电平。
[0030]相对于采用分离元件实现的轴角转换电路，图3中的轴角转换电路具有高精度、小型化、高度集成化、可靠性高、设计简单等优点。轴角转换器AD2S80A内部包括模拟乘法器、减法器、相敏解调器、积分器、压控振荡器、可逆计数器、D/A转换器等环节。通过对外围参数的配置可以灵活地完成A/D最小分辨率、轴角转换器闭环增益、带宽、最大跟踪速度等参数的设计。管脚SCl (NI的管脚30)和SC2 (NI的管脚31)用于10/12/14/16bit A/D转换器配置，如图3所示当SCl与SC2接参考地时选择IObit的A/D,因此ILSB (相当于I个BUSY脉冲)相当于21角分的电角度。电阻R4用于闭环轴角转换器增益的设置，电阻R5，电容C4，C5用于闭环系统带宽的设计，电阻R6用于轴角转换系统最大跟踪速度的设计。因此可以根据所使用系统的特性，选择不同的阻容组合，完成系统动静态参数的设计。
[0031]AD2S80A输出有并行输出和BUSY输出两种形式，在本设计中主要采用AD2S80A的BUSY角度脉冲输出形式。将AD2S80A输出BUSY脉冲与DIR逻辑电平输出到正负角度识别电路;AD2S80A输出代表速度的电压信号VX到飞转报警电路。在进行角度输出方式上采用BUSY脉冲输出和DIR逻辑电平联合输出方式,相对于传统使用的并行总线输出方式，它可以实时准确地描述变磁阻传感器量化角度的变化，如大小、方向等，为后级电路进行角度测量和故障诊断做技术储备。
[0032]如图4所示，正负角度识别电路包括非门D1A，非门D1B，或门D2A，或门D2B，加减计数器D3和加减计数器D4 ;所述正反转逻辑信号输入至非门DlA的输入管脚I以及或门D2B的一个输入管脚4，非门DlA的输出端管脚2连接或门D2A的一个输入管脚I ;所述角度脉冲信号输入至非门DlB的输入管脚3，非门DlB的输出管脚4接或门D2B的另一个输入管脚5以及或门D2A的另一个输入管脚2 ;或门D2A的输出管脚3输出正向角度脉冲，所述正向角度脉冲输入至加减计数器D3进行计数后输出分频后的正向角度脉冲信号；或门D2B的输出管脚6输出负向角度脉冲，所述负向角度脉冲输入至加减计数器D4进行计数后输出分频后的负向角度脉冲信号。
[0033]所述加减计数器D3、D4为54LS193，加减计数器D3的CKU输入管脚5接所述正向角度脉冲；加减计数器D4的CKU输入管脚5接所述负向角度脉冲；加减计数器D3的输入管脚1，9，10，15，RST管脚14，短接到参考地GND，加减计数器D3的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，加减计数器D3的输出管脚2输出所述分频后的正向角度脉冲信号；加减计数器D4的输入管脚1，9，10，14，15短接到参考地GND，加减计数器D4的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，PSE输入管脚D4的输出管脚2输出所述分频后的负向角度脉冲信号。其中Dl的电源管脚14，D2电源管脚14，D3电源管脚16，D4电源管脚16接电源VCC，其中Dl的参考地管脚7，D2参考地管脚7，D3参考地管脚8，D4参考地管脚8接参考地GND，Dl, D2, D3, D4电源VCC参考地GND之间串联IOOnF电容。
[0034]正负角度识别电路分别记录变磁阻传感器输出的正向角度和负向角度，同时正负角度识别电路输出角度脉冲作为定时计数和定数计时电路的输入。采用64对级变磁阻传感器，当转动电角度大于21角分，机械角度大于19.7角秒时输出一个角度脉冲。通过判断变磁阻传感器顺时针转动过程中是否有负角度脉冲输出，或是逆时针转动过程中是否有正角度脉冲输出，可以判断变磁阻工作是否正常，是否有微小异常转动故障。若系统采用并行总线记录变磁阻传感器输出综合脉冲，则不能记录过程中是否有微小负向转动故障。因为采用并行总线记录综合脉冲的测角方式，只可以记录在采样时刻相对于前一时刻的角度增量，不能识别在采样时间内传感器是否有微小负向转动故障，例如系统采样时间为100ms，正常情况下可以记录1000个正向角度脉冲，若在采样时间内输出了 10个负向脉冲和1010个正向脉冲，输出的综合脉冲为1000个，符合技术要求，通常判断变磁阻工作正常。若采用正负角度识别电路就可以判断出此故障。
[0035]AD2S80A输出BUSY角度脉冲和DIR方向逻辑电平，作为角度识别电路的输入。当DIR为高电平时，变磁阻传感器输出逆时针转动，代表BUSY输出为正角度，DIR为低电平时，变磁阻传感器输出顺时针转动，代表BUSY输出为负角度。DIR经过非门DlA反向，BUSY经非门DlB反向，作为或门D2A的输入，经逻辑相加后或门D2A输出管脚3输出正向角度脉冲；BUSY经DlB反向后与DIR作为D2B的输入，经逻辑相加后D2B输出管脚6输出负向角度脉冲。根据系统量化脉冲角度设计要求，D3和D4为四分频电路，分频后输出正向脉冲P+和负向脉冲P-，作为后级定时计数和定数计时电路的输入。该正负角度识别电路充分利用AD2S80A的角度脉冲和旋转方向信息，经过简单的逻辑变换就完成了变磁阻传感器正负角度的识别，具有结构简单、功能完整的优点。
[0036]如图5所示，飞转报警电路包括轴角转换电路NI，四运算放大器N2，电压比较器N3，光电耦合器BI，电阻R9?R23，二极管Vl?V5。电阻R12—端接NI的管脚39，另一端接运算放大器N2A同向输入端管脚3 ;运算放大器N2A的反向输入端管脚2接输出管脚1，运算放大器N2A管脚4接正电源+12V，管脚11接负电源-12V ；电阻Rll —端接N2A的管脚I，另一端接运算放大器N2B同向输入端管脚5;运算放大器N2B的反向输入端管脚6接二极管V2阳极，输出管脚7接二极管V2阴极；电阻R9 —端接二极管V2阳极，另一端接二极管Vl阴极；二极管Vl阳极接V2阴极；电阻RlO —端接N2A的管脚1，另一端接运算放大器N2C反向输入端管脚9;电阻R14 —端接N2C的同向输入端管脚10，另一端接参考地GND ；二极管V3阳极接电阻R10，负端接N2C输出端8 ；电阻R17 —端接V3阳极，另一端接V4阴极；二极管V4阳极接N2C输出端8，另一端接电阻R17 ;电阻R13—端接R9，另一端接N2D同向输入端12 ;电阻R15 —端接N2D反向输入端13，另一端接N2D输出端14 ;电阻R16 —端接R15，另一端接参考地GND ；电阻R21 —端接R18，另一端接正电源+12V;电阻R19 —端接R21，另一端接负电源-12V ；比较器N3A的管脚3接R18，管脚2接R15 ;电阻R20 —端接正电源+12V，另一端接比较器N3A输出端管脚I;比较器N3A的管脚8接正电源+12V，管脚
4接负电源-12V ;二极管V5正端接R20，负端接参考地GND ；电阻R22 —端接光电耦合器BI管脚1，另一端接参考地GND ;光电耦合器BI管脚2接V5正端，管脚3接IIC自监测参考地MG ;R23—端接BI管脚4，另一端接IIC自监测电源M05+。其中N2，N3正负电源与参考地GND之间串联IOOnF电容。
[0037]为了保证被测物的安全性与可靠性，要求在任何时刻被测物的速度不能超过最大转速阈值电压VM，因此设计了飞转报警电路。AD2S80A速度输出引脚39输出模拟电压信号VX,它与被测物的转速成正比，当AD2S80A选择10位A/D转换器后，它的最大跟踪转速为1040rps，对应|VX|=9V。同时VX有正负之分，代表着传感器的转动方向，当VX < O时，变磁阻传感器顺时针转动，当VX > O时，变磁阻传感器逆时针转动。在本设计中要求变磁阻传感器的旋转速度小于320rps，即VX < 2.77V。
[0038]VX作为飞转报警电路的输入，由运算放大器N2A、电阻R2组成的电压跟随器，其比例系数为1，当N2A输入电压为VX时，其输出电压为VX。由运算放大器N2B，N2C，电阻R9、RIO、R11、R14、R17，二极管Vl?V4组成的绝对值处理电路，比例系数为I。当VX > O时，绝对值处理电路中的运算放大器N2B工作VI，V2导通，V3，V4截止，二极管Vl输出电压大小为VX ;当VX < O时，绝对值处理电路中的运算放大器N2C工作，V3，V4导通，V1，V2截止，二极管V4输出电压大小为-VX，因此经过绝对值处理电路后输出为|VX|。由运算放大器N2D，电阻R13，R15, R16组成放大电路，放大倍数为3，经过放大环节后，N2D输出管脚14的电压为Vg，其中Vg=3* IVXI。由比较器N3A,电阻R18?R21组成比较电路，其中VM由R21与R19分压得到，设计VM=8.31V，它正比于变磁阻传感器的最大安全转速。当Vg > VM时，N3A的管脚I输出-12V电压，此时光耦导通，PX为低电平，意味着变磁阻旋转超过安全转速，触发报警；当Vg < VM时，N3A的管脚I输出12V电压，此时光耦截止，PX为高电平，意味着变磁阻传感器安全工作，不触发报警。由光耦BI，电阻R22，R23，二极管V5组成光耦隔离电路，飞转报警信号经光耦隔离后输出PX逻辑电平到监测接口电路用于控制系统的信息反馈。当监测到PX为高电平时，监测CPU发出中断信号通知总线CPU变磁阻传感器超过安全转速(即飞转)，总线CPU采取有效措施，如控制总线发出指令使驱动变磁阻传感器输出的力矩电机不工作，因此变磁阻传感器的转速减低，保证变磁阻传感器始终工作在安全转速。该电路充分利用了 AD2S80A的转速输出信号，经过电压跟随器、绝对值处理电路、放大电路、比较器比较、光耦隔离输出PX逻辑电压，该电压的高低表征了变磁阻传感器是否工作在安全转速内，电路结构简单。同时该电路采用光耦隔离，将角度测量电路与监测电路隔离，提高了电路的抗干扰能力。
[0039]本【具体实施方式】中举例说明的为单相激磁双向输出的变磁阻传感器及其采用的轴角转换电路(以AD2S80A为主)，在实际中还存在其他类型的变磁阻传感器和轴角转换器，如双向激磁单向输出的变磁阻传感器等，也属于本发明的权利要求范围。本发明中的监测接口电路可以采用I2C监测总线，在实际中还可以采用RS422/RS485/RS232/SPI等串行总线。本发明中的总线接口电路可以采用包括PC1、PXI等并行总线，也可以采用其它形式总线。
[0040]本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
【权利要求】
1.一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，其特征在于:包括变磁阻传感器(I)、轴角转换电路(2)、飞转报警电路(3)、监测接口电路(4)、监测CPU (5)、正负角度识别电路(6)、定时计数电路(7)、定数计时电路(8)、总线接口电路(9)和总线CPU (10);变磁阻传感器(I)用于测量电机转速；轴角转换电路(2)将变磁阻传感器(I)的输出转换成角度脉冲信号、正反转逻辑信号和速度电压信号；所述角度脉冲信号和正反转逻辑信号经过正负角度识别电路(6)的逻辑变换和信号处理，输出正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号至定时计数电路和定数计时电路；定时计数电路在总线CPU的控制下采集规定时间内正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号的脉冲数，并通过总线接口电路输出至总线CPU (10)；定数计时电路在总线CPU的控制下采集完成规定正向角度脉冲计数或负向角度脉冲计数的时间，并通过总线接口电路输出至总线CPU;轴角转换电路输出速度电压信号至飞转报警电路，飞转报警电路(3)用于判断被测物是否超速，并且将超速报警信号经光耦隔离后输出至监测接口电路(4)，监测接口电路(4)输出监测信号至监测CPU (5)，监测CPU (5)将所述监测信号发送至总线CPU ;总线CPU (10)完成角度测量、方向识别和故障诊断。
2.根据权利要求1所述的一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，其特征在于:所述轴角转换电路采用专用集成电路芯片AD2S80A，通过AD2S80A的BUSY管脚输出所述角度脉冲信号；通过AD2S80A的DIR管脚输出所述正反转逻辑信号；通过AD2S80A的INT Ο/P管脚输出所述变磁阻传感器的速度电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，其特征在于:所述正负角度识别电路包括非门D1A，非门D1B，或门D2A，或门D2B，加减计数器D3和加减计数器D4 ;所述正反转逻辑信号输入至非门DlA的输入管脚I以及或门D2B的一个输入管脚4，非门DlA的输出端管脚2连接或门D2A的一个输入管脚I ;所述角度脉冲信号输入至非门DlB的输入管脚3，非门DlB的输出管脚4接或门D2B的另一个输入管脚5以及或门D2A的另一个输入管脚2 ;或门D2A的输出管脚3输出正向角度脉冲，所述正向角度脉冲输入至加减计数器D3进行`计数后输出分频后的正向角度脉冲信号；或门D2B的输出管脚6输出负向角度脉冲，所述负向角度脉冲输入至加减计数器D4进行计数后输出分频后的负向角度脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，其特征在于:所述加减计数器D3、D4为54LS193，加减计数器D3的CKU输入管脚5接所述正向角度脉冲；加减计数器D4的CKU输入管脚5接所述负向角度脉冲；加减计数器D3的输入管脚1，9，10，15，RST管脚14，短接到参考地GND，加减计数器D3的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，加减计数器D3的输出管脚2输出所述分频后的正向角度脉冲信号；加减计数器D4的输入管脚1，9，10，14，15短接到参考地GND，加减计数器D4的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，PSE输入管脚D4的输出管脚2输出所述分频后的负向角度脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，其特征在于:所述飞转报警电路包括四个运算放大器N2A-N2D，电压比较器N3A，光电耦合器BI，电阻R9~R23，二极管Vl~V5 ;轴角转换电路输出的变磁阻传感器的速度电压信号与电阻R12的一端相连，另一端接运算放大器N2A同向输入端3 ;运算放大器N2A的反向输入端2接运算放大器N2A的输出端I ;电阻Rll —端接运算放大器N2A的输出端1，另一端接运算放大器N2B的同向输入端5;运算放大器N2B的反向输入端6接二极管V2的阳极，运算放大器N2B的输出端7接二极管V2的阴极；电阻R9 —端接二极管V2阳极，另一端接二极管Vl阴极；二极管Vl阳极接二极管V2阴极；电阻RlO —端接运算放大器N2A的输出端1，另一端接运算放大器N2C反向输入端9;电阻R14 —端接运算放大器N2C的同向输入端10，另一端接参考地GND ;二极管V3阳极接电阻R10，负端接运算放大器N2C输出端8 ；电阻R17一端接二极管V3阳极，另一端接二极管V4阴极；二极管V4阳极接运算放大器N2C输出端.8，另一端接电阻R17 ;电阻R13—端接电阻R9，另一端接运算放大器N2D同向输入端12 ;电阻R15 —端接运算放大器N2D反向输入端13，另一端接运算放大器N2D输出端14 ；电阻R16一端接电阻R15，另一端接参考地GND ;电阻R21 —端接电阻R18，另一端接正电源+12V;电阻R19 —端接R21，另一端接负电源-12V ；电压比较器N3A的正输入端3接电阻R18，电压比较器N 3A的负输入端2接运算放大器N2D的输出端14 ；电阻R20 —端接正电源+12V，另一端接电压比较器N3A输出端I ;二极管V5阳极接比较器N3A输出端1，负端接参考地GND ；电阻R22 —端接光电耦合器BI管脚1，另一端接参考地GND ;光电耦合器BI管脚2接二极管V5阳极，光电耦合器管脚3接监测接口电路的参考地MG ；电阻R23 —端接BI管脚4，另一端接监测接口电路的电源M05+。
【文档编号】G01B7/00GK103776364SQ201410036435
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】岳辉, 严小军, 杨志超, 章丽蕾, 张沛晗, 周敏 申请人:北京航天控制仪器研究所
【专利摘要】一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，包括变磁阻传感器（1）、轴角转换电路（2）、飞转报警电路（3）、监测接口电路（4）、监测CPU（5）、正负角度识别电路（6）、定时计数电路（7）、定数计时电路（8）、总线接口电路（9）和总线CPU（10）；轴角转换电路将变磁阻传感器的输出转换成脉冲信号，经过正负角度识别电路、定时计数电路、定数计时电路，总线接口电路输出到总线CPU，用于角度测量和方向识别；飞转报警电路用于判断被测物是否超速，并且将超速报警信号通过监测接口电路输出到监测CPU。本发明结构简单，具备飞转报警、角度测量与故障诊断功能，能够提高角度数据测量的可靠性。
【专利说明】一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种角度测量与故障诊断系统，用于加速度计角度测量、转台位置测量等测控系统。
【背景技术】
[0002]变磁阻传感器角度测量系统具有高精度、高可靠性等优点，广泛应用于各种仪表角度测试、转台位置测试等测控领域。随着现代电子测量技术的发展，系统采取不同策略以达到提高测量系统精度、可靠性、小型化、多重附加功能的目的，但在具体方案实施过程中会遇到不同的困难。如现有的角度测量系统多存在测量手段单一、故障诊断滞后等问题，不能同时完成角度测量与实时故障诊断的双重功能。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种结构简单具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，能够提高角度数据测量的可靠性。
[0004]本发明的技术方案是:
[0005]一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，包括变磁阻传感器、轴角转换电路、飞转报警电路、监测接口电路、监测CPU、正负角度识别电路、定时计数电路、定数计时电路、总线接口电路、总线CPU ;变磁阻传感器用于测量电机转速；轴角转换电路将变磁阻传感器的输出转换成角度脉冲信号、正反转逻辑信号和速度电压信号；所述角度脉冲信号和正反转逻辑信号经过正负角度识别电路的逻辑变换和信号处理，输出正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号至定时计数电路和定数计时电路；定时计数电路在总线CPU的控制下采集规定时间内正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号的脉冲数，并通过总线接口电路输出至总线CPU ;定数计时电路在总线CPU的控制下采集完成规定正向角度脉冲计数或负向角度脉冲计数的时间，并通过总线接口电路输出至总线CPU;轴角转换电路输出速度电压信号至飞转报警电路，飞转报警电路用于判断被测物是否超速，并且将超速报警信号经光耦隔离后输出至监测接口电路，监测接口电路输出监测信号至监测CPU，监测CPU将所述监测信号发送至总线CPU ;总线CPU完成角度测量、方向识别和故障诊断。
[0006]所述轴角转换电路采用专用集成电路芯片AD2S80A，通过AD2S80A的BUSY管脚输出所述角度脉冲信号；通过AD2S80A的DIR管脚输出所述正反转逻辑信号；通过AD2S80A的INT 0/P管脚输出所述变磁阻传感器的速度电压信号。
[0007]所述正负角度识别电路包括非门D1A，非门D1B，或门D2A，或门D2B，加减计数器D3和加减计数器D4 ;所述正反转逻辑信号输入至非门DlA的输入管脚I以及或门D2B的一个输入管脚4，非门DlA的输出端管脚2连接或门D2A的一个输入管脚I ;所述角度脉冲信号输入至非门DlB的输入管脚3，非门DlB的输出管脚4接或门D2B的另一个输入管脚5以及或门D2A的另一个输入管脚2 ;或门D2A的输出管脚3输出正向角度脉冲，所述正向角度脉冲输入至加减计数器D3进行计数后输出分频后的正向角度脉冲信号；或门D2B的输出管脚6输出负向角度脉冲，所述负向角度脉冲输入至加减计数器D4进行计数后输出分频后的负向角度脉冲信号。
[0008]所述加减计数器D3、D4为54LS193，加减计数器D3的CKU输入管脚5接所述正向角度脉冲；加减计数器D4的CKU输入管脚5接所述负向角度脉冲；加减计数器D3的输入管脚1，9，10，15，RST管脚14，短接到参考地GND，加减计数器D3的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，加减计数器D3的输出管脚2输出所述分频后的正向角度脉冲信号；加减计数器D4的输入管脚1，9，10，14，15短接到参考地GND，加减计数器D4的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，PSE输入管脚D4的输出管脚2输出所述分频后的负向角度脉冲信号。
[0009]所述飞转报警电路包括四个运算放大器N2A-N2D，电压比较器N3A，光电耦合器BI，电阻R9?R23，二极管Vl?V5 ;轴角转换电路输出的变磁阻传感器的速度电压信号与电阻R12的一端相连，另一端接运算放大器N2A同向输入端3 ;运算放大器N2A的反向输入端2接运算放大器N2A的输出端I ;电阻Rll —端接运算放大器N2A的输出端1，另一端接运算放大器N2B的同向输入端5;运算放大器N2B的反向输入端6接二极管V2的阳极，运算放大器N2B的输出端7接二极管V2的阴极；电阻R9 —端接二极管V2阳极，另一端接二极管Vl阴极；二极管Vl阳极接二极管V2阴极；电阻RlO —端接运算放大器N2A的输出端1，另一端接运算放大器N2C反向输入端9;电阻R14 —端接运算放大器N2C的同向输入端10，另一端接参考地GND ;二极管V3阳极接电阻R10，负端接运算放大器N2C输出端8 ;电阻R17—端接二极管V3阳极，另一端接二极管V4阴极；二极管V4阳极接运算放大器N2C输出端8，另一端接电阻R17 ；电阻R13 —端接电阻R9，另一端接运算放大器N2D同向输入端12 ；电阻R15 —端接运算放大器N2D反向输入端13，另一端接运算放大器N2D输出端14 ；电阻R16—端接电阻R15，另一端接参考地GND ;电阻R21—端接电阻R18，另一端接正电源+12V;电阻R19 —端接R21，另一端接负电源-12V ;电压比较器N3A的正输入端3接电阻R18，电压比较器N3A的负输入端2接运算放大器N2D的输出端14 ；电阻R20 —端接正电源+12V，另一端接电压比较器N3A输出端I ;二极管V5阳极接比较器N3A输出端1，负端接参考地GND ；电阻R22 —端接光电耦合器BI管脚1，另一端接参考地GND ;光电耦合器BI管脚2接二极管V5阳极，光电耦合器管脚3接监测接口电路的参考地MG ;电阻R23 —端接BI管脚4，另一端接监测接口电路的电源M05+。
[0010]本发明与现有技术相比优点在于:
[0011](I)本发明所使用的电路同时具备角度测量和故障诊断的功能。本发明采用轴角转换电路将变磁阻传感器的输出信号转换成角度脉冲信号、正反转逻辑信号，转速信号，通过正负角度识别电路获得正负路双向角度脉冲输出；采用正负路双向角度脉冲输出，且同时采用定时计数与定数计时功能对所测量的数据进行对比验证，提高了测量数据的有效性与可靠性；同时具备故障诊断功能:通过分析定时计数与定数计时功能模块的输出数据，辨识系统工作是否正常，特别是在同一时刻将被测物输出的正负向角度分别记录，避免了采用并行总线计数方式只能记录被测物的综合输出情况，导致难以识别系统是否出现异常量化角度脉冲故障，提高了故障诊断能力。
[0012](2)本发明所使用的电路具有飞转报警功能，可以在系统初始启动、正常工作的任何状态下判断被测物转动速度是否超过最大转速阈值，并通过监测接口向监测CPU反馈转速状态；提高了系统的安全性、可靠性。
[0013](3)本发明包括总线接口电路和监测接口电路，具备与总线通信的功能。通过该接口电路，计算机总线可以实时测量输出角度，分析测量数据、诊断系统故障，采取控制措施，从而实现自动化测量与控制，也可以实现系统的远程控制与远程监测。避免系统测试过分依赖操作人员，反映速度慢，自动化程度低等缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统方框图；
[0015]图2为本发明总线CPU与定时计数电路和定数计时电路的关系图；
[0016]图3为本发明轴角转换电路图；
[0017]图4为本发明正负角度识别电路图；
[0018]图5为本发明飞转报警电路图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合【专利附图】
【附图说明】系统【具体实施方式】。
[0020]如图1所示，本发明具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，包括变磁阻传感器1、轴角转换电路2、飞转报警电路3、监测接口电路4、监测CPU5、正负角度识别电路
6、定时计数电路7、定数计时电路8、总线接口电路9、总线CPUlO ;变磁阻传感器I用于测量电机转速；轴角转换电路2将变磁阻传感器I的输出转换成角度脉冲信号、正反转逻辑信号和速度电压信号；所述角度脉冲信号和正反转逻辑信号经过正负角度识别电路6的逻辑变换和信号处理，输出正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号至定时计数电路和定数计时电路；定时计数电路在总线CPU的控制下采集规定时间内正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号的脉冲数，并通过总线接口电路输出至总线CPUlO ;定数计时电路在总线CPU的控制下采集完成规定正向角度脉冲计数或负向角度脉冲计数的时间，并通过总线接口电路输出至总线CPU ;轴角转换电路输出速度电压信号至飞转报警电路，飞转报警电路3用于判断被测物是否超速，在任意时刻，当正负向转速超过被测物所能承受的最大转速时发出报警，并且将超速报警信号经光耦隔离后输出至监测接口电路4，监测接口电路4输出监测信号至监测CPU5，监测CPU5将所述监测信号发送至总线CPU ;总线CPUlO完成角度测量、方向识别和故障诊断。总线CPU根据故障信息时采取必要措施，例如切断电机的电源等。
[0021]传感器输出正常主要包括两个方面，一是当传感器处于顺时针转动时不允许有逆时针转动故障，或者当传感器处于逆时针转动时不允许有顺时针转动故障，二是传感器工作转速在一定的范围内，不大于320rps。
[0022]如图2所示，主要表明定时计数模块、定数计时模块与总线CPU之间的数据传输关系。总线CPU发出读、写、中断等指令，读取定时计数模块与定数计时模块输出，并通过一定的算法完成角度测量与故障诊断的功能。定时计数模块主要采集规定时间内的正向角度脉冲P+和负向角度脉冲P-数，并通过总线接口电路输出到总线CPU ;定数计时模块主要采集完成规定正向角度脉冲P+计数或负向角度脉冲P-计数的时间，并通过总线接口电路输出到总线CPU，用于完成角度测量、和故障诊断。
[0023]定时计数模块选用双路20位计数器BM2029，它内部集成了计数器与锁存器。其输入为角度脉冲信号P+与P-，内部计数器完成对P+与P-的计数，它是时时更新的；锁存器完成将采样时刻计数器输出锁存到锁存器中，供总线CPU读取，锁存器中的数据直到下一次采样时刻才会更新。总线CPU发出定时中断信号INTRQS，定时中断时间为2ms，10ms，IOOms不等,可根据具体要求确定。总线CPU根据地址address选中定时计数模块，向定时计数模块发出定时中断INTRQS和数据读取RD指令，读取定时计数模块数据data，完成一次数据采样。
[0024]在变磁阻传感器工作期间，始终有P+或P-输出，总线CPU设置中断采样时间，不断读取定时计数模块数据data。总线CPU将当前时刻的采样数据减去前一时刻的采样数据，得出采样时间内的角度脉冲数。将N次采样时间内的角度脉冲数累加求和，再与量化角度脉冲相乘，得到N次采样时间内变磁阻传感器的输出角度，完成角度测量功能。同时分析采样时间内的正向角度脉冲数与负向角度脉冲数，判断传感器输出是否正常，完成故障诊断功能。判断的依据是变磁阻传感器顺时针输出脉冲应该全部为P-，不允许有P+脉冲出现；或者是变磁阻传感器逆时针输出脉冲应该全部为P+，不允许有P-脉冲出现，否则认为传感器输出不正常，有故障。
[0025]定数计时模块选用可编程计数器82C54，CPU通过写指令WR设置82C54输出为3个16位计数器，2个计数器完成对输入P+、P-计数，为减计数器，I个计数器完成对时钟脉冲PLCK的计数，为加计数器。减计数器的预置数为16384，当其中一个减计数器完成计数，其输出端变为低电平，作为数据锁存中断INT，锁定其他2个计数器的当前数。同时CPU接收计数完成中断INT，发出读数指令RD，根据三个计数器的不同地址address分别读取3个计数器内数值data。总线CPU将P+计数器计数值与量化角度脉冲相乘，得到变磁阻传感器逆时针旋转角度。将P-计数器计数值与量化角度脉冲相乘，得到变磁阻传感器顺时针旋转角度。将PCLK计数器计数值与量化脉冲时间相乘，得到变磁阻传感器旋转一定角度的时间，完成角度测量功能。总线CPU同时分析P+计数器与P-计数器的计数值，判断传感器输出是否正常，完成故障诊断功能。判断的依据是P+减计数器完成计数输出中断信号时，P-计数器输出为16384，即此时变磁阻传感器单方向逆时针旋转；或者P-减计数器完成计数输出中断信号时，P+计数器输出为16384，即此时变磁阻传感器单方向顺时针旋转，否则认为传感器输出不正常，有故障，总线CPU完成故障诊断功能。
[0026]可以同时采用定时计数与定数计时两种功能模块判断测试数据的有效性，提高数据的可靠性。大多数电路测角系统多采用一种方式记录输出角度，当测试数据出现异常时，不易分清是测角系统计数故障还是变磁阻传感器本身输出故障，当采用两种方式同时测试变磁阻传感器角度时，可以相互验证测试数据的有效性，快速判断故障来源，提高数据的可靠性。
[0027]轴角转换电路优选地，可以采用专用集成电路AD2S80A轴角转换器。如图3所示，轴角转换电路主要由轴角转换器NI，电阻Rl?R7，电容Cl?C9组成。AD2S80A它的输入为单相激磁双向输出变磁阻传感器输出的信号，变磁阻传感器的双向输出信号为图3中NI的输入管脚7 (正弦SIN信号)和管脚4 (余弦COS信号)。图3中变磁阻传感器的激磁信号JC+为频率为4kHz，有效值为5.5V的正弦波，电阻R3与电容C3组成移相网络，补偿变磁阻器激磁与输出之间的相移。电容C1，C2，电阻R1，R2组成选频电路，保证输入到相敏解调器的有用信号频率为4kHz。电阻R7与电容C6为压控振荡器的相位补偿电路。电容C7，C8，C9用于电源滤波。在本设计中出于电磁兼容性的考虑，将AD2S80A的模拟信号参考地AGND,数字信号参考地GND分别布线，最终实现单点连接。
[0028]图中NI的输入激磁参考管脚I接电容C3和电阻R3，电容C3另一端接激磁信号JC+,电阻R3另一端接模拟参考地AGND。NI的相敏解调输入管脚2接电阻R2、电容C1、C2，电阻R2和电容C2的另一端接模拟参考地AGND。NI的减法器输出管脚3接电阻Rl，电阻Rl另一端接电容Cl。NI的管脚4为变磁阻输出余弦信号COS。NI的管脚5、6为集成电路的模拟参考地AGND。NI的管脚7为变磁阻输出正弦信号SIN。NI的负电源管脚8接模拟电源+12V，电容C7 —端接NI的负电源管脚8，另一端接模拟参考地AGND。NI的管脚9?24为A/D输出，本设计中不使用。NI的电源管脚25接数字电源+5V。NI的管脚26，29，30，31接数字参考地GND，NI的管脚27，28接数字电源+5V，电容C8 —端接数字电源+5V，另一端接数字参考地GND。NI的最小量化脉冲输出管脚33为BUSY，N1的方向识别管脚34为DIR。NI的模拟负电源管脚36接-12V，电容C9 一端接-12V，另一端接模拟参考地AGND。NI的压控振荡器输入管脚37接电阻R6，R7，电阻R6另一端接NI的解调器输出管脚40，电阻R7另一端接电容C6，电容C6另一端接模拟参考地AGND。NI的积分器输入管脚38接电阻R4、R5、电容C4，电阻R4另一端接电阻R6，电阻R5另一端接电容C5。NI的积分器输出管脚39接电容C4、C5。
[0029]AD2S80A能够识别传感器的角度大小与转动方向。本设计中传感器输出最小角度用BUSY表示，转动方向用DIR表示。当变磁阻传感器逆时针转动时，DIR为高电平，当变磁阻传感器顺时针转动时，DIR为低电平。
[0030]相对于采用分离元件实现的轴角转换电路，图3中的轴角转换电路具有高精度、小型化、高度集成化、可靠性高、设计简单等优点。轴角转换器AD2S80A内部包括模拟乘法器、减法器、相敏解调器、积分器、压控振荡器、可逆计数器、D/A转换器等环节。通过对外围参数的配置可以灵活地完成A/D最小分辨率、轴角转换器闭环增益、带宽、最大跟踪速度等参数的设计。管脚SCl (NI的管脚30)和SC2 (NI的管脚31)用于10/12/14/16bit A/D转换器配置，如图3所示当SCl与SC2接参考地时选择IObit的A/D,因此ILSB (相当于I个BUSY脉冲)相当于21角分的电角度。电阻R4用于闭环轴角转换器增益的设置，电阻R5，电容C4，C5用于闭环系统带宽的设计，电阻R6用于轴角转换系统最大跟踪速度的设计。因此可以根据所使用系统的特性，选择不同的阻容组合，完成系统动静态参数的设计。
[0031]AD2S80A输出有并行输出和BUSY输出两种形式，在本设计中主要采用AD2S80A的BUSY角度脉冲输出形式。将AD2S80A输出BUSY脉冲与DIR逻辑电平输出到正负角度识别电路;AD2S80A输出代表速度的电压信号VX到飞转报警电路。在进行角度输出方式上采用BUSY脉冲输出和DIR逻辑电平联合输出方式,相对于传统使用的并行总线输出方式，它可以实时准确地描述变磁阻传感器量化角度的变化，如大小、方向等，为后级电路进行角度测量和故障诊断做技术储备。
[0032]如图4所示，正负角度识别电路包括非门D1A，非门D1B，或门D2A，或门D2B，加减计数器D3和加减计数器D4 ;所述正反转逻辑信号输入至非门DlA的输入管脚I以及或门D2B的一个输入管脚4，非门DlA的输出端管脚2连接或门D2A的一个输入管脚I ;所述角度脉冲信号输入至非门DlB的输入管脚3，非门DlB的输出管脚4接或门D2B的另一个输入管脚5以及或门D2A的另一个输入管脚2 ;或门D2A的输出管脚3输出正向角度脉冲，所述正向角度脉冲输入至加减计数器D3进行计数后输出分频后的正向角度脉冲信号；或门D2B的输出管脚6输出负向角度脉冲，所述负向角度脉冲输入至加减计数器D4进行计数后输出分频后的负向角度脉冲信号。
[0033]所述加减计数器D3、D4为54LS193，加减计数器D3的CKU输入管脚5接所述正向角度脉冲；加减计数器D4的CKU输入管脚5接所述负向角度脉冲；加减计数器D3的输入管脚1，9，10，15，RST管脚14，短接到参考地GND，加减计数器D3的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，加减计数器D3的输出管脚2输出所述分频后的正向角度脉冲信号；加减计数器D4的输入管脚1，9，10，14，15短接到参考地GND，加减计数器D4的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，PSE输入管脚D4的输出管脚2输出所述分频后的负向角度脉冲信号。其中Dl的电源管脚14，D2电源管脚14，D3电源管脚16，D4电源管脚16接电源VCC，其中Dl的参考地管脚7，D2参考地管脚7，D3参考地管脚8，D4参考地管脚8接参考地GND，Dl, D2, D3, D4电源VCC参考地GND之间串联IOOnF电容。
[0034]正负角度识别电路分别记录变磁阻传感器输出的正向角度和负向角度，同时正负角度识别电路输出角度脉冲作为定时计数和定数计时电路的输入。采用64对级变磁阻传感器，当转动电角度大于21角分，机械角度大于19.7角秒时输出一个角度脉冲。通过判断变磁阻传感器顺时针转动过程中是否有负角度脉冲输出，或是逆时针转动过程中是否有正角度脉冲输出，可以判断变磁阻工作是否正常，是否有微小异常转动故障。若系统采用并行总线记录变磁阻传感器输出综合脉冲，则不能记录过程中是否有微小负向转动故障。因为采用并行总线记录综合脉冲的测角方式，只可以记录在采样时刻相对于前一时刻的角度增量，不能识别在采样时间内传感器是否有微小负向转动故障，例如系统采样时间为100ms，正常情况下可以记录1000个正向角度脉冲，若在采样时间内输出了 10个负向脉冲和1010个正向脉冲，输出的综合脉冲为1000个，符合技术要求，通常判断变磁阻工作正常。若采用正负角度识别电路就可以判断出此故障。
[0035]AD2S80A输出BUSY角度脉冲和DIR方向逻辑电平，作为角度识别电路的输入。当DIR为高电平时，变磁阻传感器输出逆时针转动，代表BUSY输出为正角度，DIR为低电平时，变磁阻传感器输出顺时针转动，代表BUSY输出为负角度。DIR经过非门DlA反向，BUSY经非门DlB反向，作为或门D2A的输入，经逻辑相加后或门D2A输出管脚3输出正向角度脉冲；BUSY经DlB反向后与DIR作为D2B的输入，经逻辑相加后D2B输出管脚6输出负向角度脉冲。根据系统量化脉冲角度设计要求，D3和D4为四分频电路，分频后输出正向脉冲P+和负向脉冲P-，作为后级定时计数和定数计时电路的输入。该正负角度识别电路充分利用AD2S80A的角度脉冲和旋转方向信息，经过简单的逻辑变换就完成了变磁阻传感器正负角度的识别，具有结构简单、功能完整的优点。
[0036]如图5所示，飞转报警电路包括轴角转换电路NI，四运算放大器N2，电压比较器N3，光电耦合器BI，电阻R9?R23，二极管Vl?V5。电阻R12—端接NI的管脚39，另一端接运算放大器N2A同向输入端管脚3 ;运算放大器N2A的反向输入端管脚2接输出管脚1，运算放大器N2A管脚4接正电源+12V，管脚11接负电源-12V ；电阻Rll —端接N2A的管脚I，另一端接运算放大器N2B同向输入端管脚5;运算放大器N2B的反向输入端管脚6接二极管V2阳极，输出管脚7接二极管V2阴极；电阻R9 —端接二极管V2阳极，另一端接二极管Vl阴极；二极管Vl阳极接V2阴极；电阻RlO —端接N2A的管脚1，另一端接运算放大器N2C反向输入端管脚9;电阻R14 —端接N2C的同向输入端管脚10，另一端接参考地GND ；二极管V3阳极接电阻R10，负端接N2C输出端8 ；电阻R17 —端接V3阳极，另一端接V4阴极；二极管V4阳极接N2C输出端8，另一端接电阻R17 ;电阻R13—端接R9，另一端接N2D同向输入端12 ;电阻R15 —端接N2D反向输入端13，另一端接N2D输出端14 ;电阻R16 —端接R15，另一端接参考地GND ；电阻R21 —端接R18，另一端接正电源+12V;电阻R19 —端接R21，另一端接负电源-12V ；比较器N3A的管脚3接R18，管脚2接R15 ;电阻R20 —端接正电源+12V，另一端接比较器N3A输出端管脚I;比较器N3A的管脚8接正电源+12V，管脚
4接负电源-12V ;二极管V5正端接R20，负端接参考地GND ；电阻R22 —端接光电耦合器BI管脚1，另一端接参考地GND ;光电耦合器BI管脚2接V5正端，管脚3接IIC自监测参考地MG ;R23—端接BI管脚4，另一端接IIC自监测电源M05+。其中N2，N3正负电源与参考地GND之间串联IOOnF电容。
[0037]为了保证被测物的安全性与可靠性，要求在任何时刻被测物的速度不能超过最大转速阈值电压VM，因此设计了飞转报警电路。AD2S80A速度输出引脚39输出模拟电压信号VX,它与被测物的转速成正比，当AD2S80A选择10位A/D转换器后，它的最大跟踪转速为1040rps，对应|VX|=9V。同时VX有正负之分，代表着传感器的转动方向，当VX < O时，变磁阻传感器顺时针转动，当VX > O时，变磁阻传感器逆时针转动。在本设计中要求变磁阻传感器的旋转速度小于320rps，即VX < 2.77V。
[0038]VX作为飞转报警电路的输入，由运算放大器N2A、电阻R2组成的电压跟随器，其比例系数为1，当N2A输入电压为VX时，其输出电压为VX。由运算放大器N2B，N2C，电阻R9、RIO、R11、R14、R17，二极管Vl?V4组成的绝对值处理电路，比例系数为I。当VX > O时，绝对值处理电路中的运算放大器N2B工作VI，V2导通，V3，V4截止，二极管Vl输出电压大小为VX ;当VX < O时，绝对值处理电路中的运算放大器N2C工作，V3，V4导通，V1，V2截止，二极管V4输出电压大小为-VX，因此经过绝对值处理电路后输出为|VX|。由运算放大器N2D，电阻R13，R15, R16组成放大电路，放大倍数为3，经过放大环节后，N2D输出管脚14的电压为Vg，其中Vg=3* IVXI。由比较器N3A,电阻R18?R21组成比较电路，其中VM由R21与R19分压得到，设计VM=8.31V，它正比于变磁阻传感器的最大安全转速。当Vg > VM时，N3A的管脚I输出-12V电压，此时光耦导通，PX为低电平，意味着变磁阻旋转超过安全转速，触发报警；当Vg < VM时，N3A的管脚I输出12V电压，此时光耦截止，PX为高电平，意味着变磁阻传感器安全工作，不触发报警。由光耦BI，电阻R22，R23，二极管V5组成光耦隔离电路，飞转报警信号经光耦隔离后输出PX逻辑电平到监测接口电路用于控制系统的信息反馈。当监测到PX为高电平时，监测CPU发出中断信号通知总线CPU变磁阻传感器超过安全转速(即飞转)，总线CPU采取有效措施，如控制总线发出指令使驱动变磁阻传感器输出的力矩电机不工作，因此变磁阻传感器的转速减低，保证变磁阻传感器始终工作在安全转速。该电路充分利用了 AD2S80A的转速输出信号，经过电压跟随器、绝对值处理电路、放大电路、比较器比较、光耦隔离输出PX逻辑电压，该电压的高低表征了变磁阻传感器是否工作在安全转速内，电路结构简单。同时该电路采用光耦隔离，将角度测量电路与监测电路隔离，提高了电路的抗干扰能力。
[0039]本【具体实施方式】中举例说明的为单相激磁双向输出的变磁阻传感器及其采用的轴角转换电路(以AD2S80A为主)，在实际中还存在其他类型的变磁阻传感器和轴角转换器，如双向激磁单向输出的变磁阻传感器等，也属于本发明的权利要求范围。本发明中的监测接口电路可以采用I2C监测总线，在实际中还可以采用RS422/RS485/RS232/SPI等串行总线。本发明中的总线接口电路可以采用包括PC1、PXI等并行总线，也可以采用其它形式总线。
[0040]本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
【权利要求】
1.一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，其特征在于:包括变磁阻传感器(I)、轴角转换电路(2)、飞转报警电路(3)、监测接口电路(4)、监测CPU (5)、正负角度识别电路(6)、定时计数电路(7)、定数计时电路(8)、总线接口电路(9)和总线CPU (10);变磁阻传感器(I)用于测量电机转速；轴角转换电路(2)将变磁阻传感器(I)的输出转换成角度脉冲信号、正反转逻辑信号和速度电压信号；所述角度脉冲信号和正反转逻辑信号经过正负角度识别电路(6)的逻辑变换和信号处理，输出正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号至定时计数电路和定数计时电路；定时计数电路在总线CPU的控制下采集规定时间内正向角度脉冲信号和负向角度脉冲信号的脉冲数，并通过总线接口电路输出至总线CPU (10)；定数计时电路在总线CPU的控制下采集完成规定正向角度脉冲计数或负向角度脉冲计数的时间，并通过总线接口电路输出至总线CPU;轴角转换电路输出速度电压信号至飞转报警电路，飞转报警电路(3)用于判断被测物是否超速，并且将超速报警信号经光耦隔离后输出至监测接口电路(4)，监测接口电路(4)输出监测信号至监测CPU (5)，监测CPU (5)将所述监测信号发送至总线CPU ;总线CPU (10)完成角度测量、方向识别和故障诊断。
2.根据权利要求1所述的一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，其特征在于:所述轴角转换电路采用专用集成电路芯片AD2S80A，通过AD2S80A的BUSY管脚输出所述角度脉冲信号；通过AD2S80A的DIR管脚输出所述正反转逻辑信号；通过AD2S80A的INT Ο/P管脚输出所述变磁阻传感器的速度电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，其特征在于:所述正负角度识别电路包括非门D1A，非门D1B，或门D2A，或门D2B，加减计数器D3和加减计数器D4 ;所述正反转逻辑信号输入至非门DlA的输入管脚I以及或门D2B的一个输入管脚4，非门DlA的输出端管脚2连接或门D2A的一个输入管脚I ;所述角度脉冲信号输入至非门DlB的输入管脚3，非门DlB的输出管脚4接或门D2B的另一个输入管脚5以及或门D2A的另一个输入管脚2 ;或门D2A的输出管脚3输出正向角度脉冲，所述正向角度脉冲输入至加减计数器D3进行`计数后输出分频后的正向角度脉冲信号；或门D2B的输出管脚6输出负向角度脉冲，所述负向角度脉冲输入至加减计数器D4进行计数后输出分频后的负向角度脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，其特征在于:所述加减计数器D3、D4为54LS193，加减计数器D3的CKU输入管脚5接所述正向角度脉冲；加减计数器D4的CKU输入管脚5接所述负向角度脉冲；加减计数器D3的输入管脚1，9，10，15，RST管脚14，短接到参考地GND，加减计数器D3的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，加减计数器D3的输出管脚2输出所述分频后的正向角度脉冲信号；加减计数器D4的输入管脚1，9，10，14，15短接到参考地GND，加减计数器D4的CKD输入管脚4，PSE输入管脚11短接到电源VCC，PSE输入管脚D4的输出管脚2输出所述分频后的负向角度脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的一种具有飞转报警功能的角度测量与故障诊断系统，其特征在于:所述飞转报警电路包括四个运算放大器N2A-N2D，电压比较器N3A，光电耦合器BI，电阻R9~R23，二极管Vl~V5 ;轴角转换电路输出的变磁阻传感器的速度电压信号与电阻R12的一端相连，另一端接运算放大器N2A同向输入端3 ;运算放大器N2A的反向输入端2接运算放大器N2A的输出端I ;电阻Rll —端接运算放大器N2A的输出端1，另一端接运算放大器N2B的同向输入端5;运算放大器N2B的反向输入端6接二极管V2的阳极，运算放大器N2B的输出端7接二极管V2的阴极；电阻R9 —端接二极管V2阳极，另一端接二极管Vl阴极；二极管Vl阳极接二极管V2阴极；电阻RlO —端接运算放大器N2A的输出端1，另一端接运算放大器N2C反向输入端9;电阻R14 —端接运算放大器N2C的同向输入端10，另一端接参考地GND ;二极管V3阳极接电阻R10，负端接运算放大器N2C输出端8 ；电阻R17一端接二极管V3阳极，另一端接二极管V4阴极；二极管V4阳极接运算放大器N2C输出端.8，另一端接电阻R17 ;电阻R13—端接电阻R9，另一端接运算放大器N2D同向输入端12 ;电阻R15 —端接运算放大器N2D反向输入端13，另一端接运算放大器N2D输出端14 ；电阻R16一端接电阻R15，另一端接参考地GND ;电阻R21 —端接电阻R18，另一端接正电源+12V;电阻R19 —端接R21，另一端接负电源-12V ；电压比较器N3A的正输入端3接电阻R18，电压比较器N 3A的负输入端2接运算放大器N2D的输出端14 ；电阻R20 —端接正电源+12V，另一端接电压比较器N3A输出端I ;二极管V5阳极接比较器N3A输出端1，负端接参考地GND ；电阻R22 —端接光电耦合器BI管脚1，另一端接参考地GND ;光电耦合器BI管脚2接二极管V5阳极，光电耦合器管脚3接监测接口电路的参考地MG ；电阻R23 —端接BI管脚4，另一端接监测接口电路的电源M05+。
【文档编号】G01B7/00GK103776364SQ201410036435
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】岳辉, 严小军, 杨志超, 章丽蕾, 张沛晗, 周敏 申请人:北京航天控制仪器研究所
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