光電編碼器因測(cè)量精度高，在伺服用永磁同步電機(jī)位置檢測(cè)中廣泛應(yīng)用。但它有抗震性差的缺點(diǎn)，難以適應(yīng)惡劣工況。旋轉(zhuǎn)變壓器具有抗震性好、耐腐蝕、耐高溫和易實(shí)現(xiàn)高速位置檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，通常在礦山、紡織用伺服系統(tǒng)、航空用電力作動(dòng)系統(tǒng)等惡劣環(huán)境中應(yīng)用。
旋轉(zhuǎn)變壓器與光電編碼器不同，它是一種機(jī)電元件,需要將其輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)才可輸入到dsp控制芯片。本文選用多摩川公司的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(rdc)au6802n1，設(shè)計(jì)了一套旋變解碼的接口電路板。同時(shí)基于永磁電機(jī)矢量控制平臺(tái)對(duì)該接口電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)方案確實(shí)可行，并取得了較好的位置檢測(cè)效果。
旋轉(zhuǎn)變壓器原理
圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)
旋轉(zhuǎn)變壓器是一種單相激勵(lì)雙相輸出無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。如圖1所示，激磁繞組(原邊)r1-r2和兩套輸出相互正交的繞組(副邊)s4-s2、s3-s1同在定子側(cè)，固定在電機(jī)定子上，轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝。當(dāng)原邊的激磁繞組流過正弦電流時(shí)，副邊輸出繞組兩端會(huì)感應(yīng)出同頻率的電勢(shì)，電勢(shì)的大小與定轉(zhuǎn)子間的相對(duì)電角度有關(guān)。
假設(shè)原邊輸入電壓為：
(1)
則副邊輸出電壓滿足：
(2)
(3)
其中，ω為激磁電源的角頻率；us4-s2,us3-s1為兩相正交繞組(正弦繞組和余弦繞組)的輸出電壓。k為傳輸電壓比，θ為轉(zhuǎn)子位置角。
本設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)變壓器選用多摩川公司的ts2640n321e64。其主要性能參數(shù)如表1所示。
au6802n1工作原理
圖2 au6802n1解碼原理圖
圖2給出了au6802n1芯片解碼的原理框圖。由圖可知，au6802n1內(nèi)部是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變壓器的四線端輸出來的信號(hào)通過調(diào)理電路進(jìn)入au6802n1芯片的s1、s2、s3和s4端，經(jīng)過處理輸出到余弦和正弦乘法器上。通過后級(jí)的加減電路，得vsr=kesinωt×sin(θ-)此時(shí)根據(jù)外部激勵(lì)r1、r2端的同步相位檢測(cè)器的當(dāng)前狀態(tài)，從代表了某一起始角鱟攀鄭黃魘醞劑鶻謔紙泅，使該角等于待測(cè)模擬角并跟蹤θ。當(dāng)調(diào)整到vsr=0時(shí)，即有=θ。此時(shí)可逆計(jì)數(shù)器的字狀態(tài)齙淖喚峁創(chuàng)砹誦溲蠱魘涑齙鬧嶠鉛鵲畝剖種怠８檬種悼梢運(yùn)透撲慊允凈駾sp控制芯片進(jìn)行處理。
au6802n1控制位設(shè)定
au6802n1可以通過設(shè)定對(duì)應(yīng)的控制位來選擇工作模式。其控制位主要分為以下幾種：
(1) 輸出模式設(shè)置：輸出模式分為三種——并行i/o口模式、spi通信模式、abz脈沖模式，可通過outmd、csb、rdb、intb四個(gè)引腳的電平來設(shè)定，詳細(xì)設(shè)定參考文獻(xiàn)[1]。
(2) 系統(tǒng)控制模式設(shè)置：通過設(shè)定acmd引腳電平得到。acmd=h時(shí)，系統(tǒng)選擇加速模式；反之，選擇正常模式。通常運(yùn)行時(shí)設(shè)定為正常模式，當(dāng)角加速度較大時(shí)，切換到加速模式，可以獲得更高的位置檢測(cè)精度。
(3) 分辨率設(shè)置：mdsel=h時(shí)，輸出數(shù)據(jù)選擇12位；反之，輸出數(shù)據(jù)選擇10位。
(4) 極對(duì)數(shù)設(shè)置：電機(jī)的極對(duì)數(shù)設(shè)置可通過設(shè)定xsel1和xsel2引腳得到，如下表2所示。
(5) 勵(lì)磁頻率設(shè)置：勵(lì)磁信號(hào)rso頻率可通過設(shè)定fsel1和fsel2得到，如表3所示。
(6) 測(cè)試模式設(shè)置：可通過引腳test1和test2設(shè)定。通常將兩引腳都拉高至vdd，不影響正常工作。
本設(shè)計(jì)選取au6802n1工作在脈沖輸出模式和spi通信模式，數(shù)據(jù)分辨率為12位，極對(duì)數(shù)設(shè)定為1，勵(lì)磁頻率為10k，控制模式為正常模式，測(cè)試位不使能。其電路圖如圖3所示，圖中所有電阻值均為33ω。
圖3 控制位設(shè)定電路圖
外圍主電路設(shè)計(jì)
為了給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組提供滿足要求的高品質(zhì)正弦波勵(lì)磁信號(hào)，同時(shí)使所接收到的旋轉(zhuǎn)變壓器正/余弦信號(hào)能夠滿足芯片對(duì)輸入信號(hào)幅值與相位的要求，需要加入額外的信號(hào)處理電路。
au6802n1外圍主電路包括激勵(lì)調(diào)理電路、反饋濾波調(diào)理電路和dsp接口電路。電路圖如圖4所示。
圖4 au6802n1外圍主電路電路圖
激勵(lì)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
激勵(lì)調(diào)理電路設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)調(diào)理電路是用來給旋轉(zhuǎn)變壓器提供激勵(lì)輸入信號(hào)。au6802n1芯片的rso/com輸出的激勵(lì)信號(hào)是基于2.5v且vp-p=2v的31級(jí)內(nèi)插正弦波(vrso=1.5v～3.5v的正弦波電壓)，輸出功率太小，是不能直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁繞組的。因此需要設(shè)計(jì)激勵(lì)調(diào)理電路，完成激勵(lì)信號(hào)放大的任務(wù)。
激勵(lì)調(diào)理電路的拓?fù)浞譃殡p電源和單電源供電兩種，本文選取雙電源booster功率放大電路，可節(jié)省器件開銷。電路基本工作原理為rso/com輸出經(jīng)過隔直電容ci后，取到有效的交流信號(hào)，再經(jīng)過后級(jí)的運(yùn)放和npn、pnp三極管互補(bǔ)推挽電路進(jìn)行功率放大，最終得到正弦度較好的激磁電壓信號(hào)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加入cf來補(bǔ)償相位。輸出勵(lì)磁信號(hào)的幅值可通過調(diào)節(jié)rext來實(shí)現(xiàn)。參數(shù)設(shè)計(jì)通常滿足以下原則：rex≤zro/10ω(zro為旋變輸入阻抗，見表1)，rf≥50kω，ri×ci>500μs，rf×cf<5μs。本設(shè)計(jì)方案參數(shù)選取分別為：運(yùn)放選用tl082c，±v為±15v，c0=470pf，ri=22k，ci=0.01uf，rf=100k，cf=100pf，r1=r2=3.3k，r3=r4=4.7ω，rext=10ω。
圖5 au6802n1接口電路板
反饋濾波調(diào)理電路設(shè)計(jì)
旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正余弦信號(hào)是不能直接送給rdc的，里面可能含有許多干擾信號(hào)，必須經(jīng)過調(diào)理濾波，滿足要求之光電編碼器因測(cè)量精度高，在伺服用永磁同步電機(jī)位置檢測(cè)中廣泛應(yīng)用。但它有抗震性差的缺點(diǎn)，難以適應(yīng)惡劣工況。旋轉(zhuǎn)變壓器具有抗震性好、耐腐蝕、耐高溫和易實(shí)現(xiàn)高速位置檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，通常在礦山、紡織用伺服系統(tǒng)、航空用電力作動(dòng)系統(tǒng)等惡劣環(huán)境中應(yīng)用。
旋轉(zhuǎn)變壓器與光電編碼器不同，它是一種機(jī)電元件,需要將其輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)才可輸入到dsp控制芯片。本文選用多摩川公司的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(rdc)au6802n1，設(shè)計(jì)了一套旋變解碼的接口電路板。同時(shí)基于永磁電機(jī)矢量控制平臺(tái)對(duì)該接口電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)方案確實(shí)可行，并取得了較好的位置檢測(cè)效果。
旋轉(zhuǎn)變壓器原理
圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)
旋轉(zhuǎn)變壓器是一種單相激勵(lì)雙相輸出無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。如圖1所示，激磁繞組(原邊)r1-r2和兩套輸出相互正交的繞組(副邊)s4-s2、s3-s1同在定子側(cè)，固定在電機(jī)定子上，轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝。當(dāng)原邊的激磁繞組流過正弦電流時(shí)，副邊輸出繞組兩端會(huì)感應(yīng)出同頻率的電勢(shì)，電勢(shì)的大小與定轉(zhuǎn)子間的相對(duì)電角度有關(guān)。
假設(shè)原邊輸入電壓為：
(1)
則副邊輸出電壓滿足：
(2)
(3)
其中，ω為激磁電源的角頻率；us4-s2,us3-s1為兩相正交繞組(正弦繞組和余弦繞組)的輸出電壓。k為傳輸電壓比，θ為轉(zhuǎn)子位置角。
本設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)變壓器選用多摩川公司的ts2640n321e64。其主要性能參數(shù)如表1所示。
au6802n1工作原理
圖2 au6802n1解碼原理圖
圖2給出了au6802n1芯片解碼的原理框圖。由圖可知，au6802n1內(nèi)部是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變壓器的四線端輸出來的信號(hào)通過調(diào)理電路進(jìn)入au6802n1芯片的s1、s2、s3和s4端，經(jīng)過處理輸出到余弦和正弦乘法器上。通過后級(jí)的加減電路，得vsr=kesinωt×sin(θ-)此時(shí)根據(jù)外部激勵(lì)r1、r2端的同步相位檢測(cè)器的當(dāng)前狀態(tài)，從代表了某一起始角鱟攀鄭黃魘醞劑鶻謔紙泅，使該角等于待測(cè)模擬角并跟蹤θ。當(dāng)調(diào)整到vsr=0時(shí)，即有=θ。此時(shí)可逆計(jì)數(shù)器的字狀態(tài)齙淖喚峁創(chuàng)砹誦溲蠱魘涑齙鬧嶠鉛鵲畝剖種怠８檬種悼梢運(yùn)透撲慊允凈駾sp控制芯片進(jìn)行處理。
au6802n1控制位設(shè)定
au6802n1可以通過設(shè)定對(duì)應(yīng)的控制位來選擇工作模式。其控制位主要分為以下幾種：
(1) 輸出模式設(shè)置：輸出模式分為三種——并行i/o口模式、spi通信模式、abz脈沖模式，可通過outmd、csb、rdb、intb四個(gè)引腳的電平來設(shè)定，詳細(xì)設(shè)定參考文獻(xiàn)[1]。
(2) 系統(tǒng)控制模式設(shè)置：通過設(shè)定acmd引腳電平得到。acmd=h時(shí)，系統(tǒng)選擇加速模式；反之，選擇正常模式。通常運(yùn)行時(shí)設(shè)定為正常模式，當(dāng)角加速度較大時(shí)，切換到加速模式，可以獲得更高的位置檢測(cè)精度。
(3) 分辨率設(shè)置：mdsel=h時(shí)，輸出數(shù)據(jù)選擇12位；反之，輸出數(shù)據(jù)選擇10位。
(4) 極對(duì)數(shù)設(shè)置：電機(jī)的極對(duì)數(shù)設(shè)置可通過設(shè)定xsel1和xsel2引腳得到，如下表2所示。
(5) 勵(lì)磁頻率設(shè)置：勵(lì)磁信號(hào)rso頻率可通過設(shè)定fsel1和fsel2得到，如表3所示。
(6) 測(cè)試模式設(shè)置：可通過引腳test1和test2設(shè)定。通常將兩引腳都拉高至vdd，不影響正常工作。
本設(shè)計(jì)選取au6802n1工作在脈沖輸出模式和spi通信模式，數(shù)據(jù)分辨率為12位，極對(duì)數(shù)設(shè)定為1，勵(lì)磁頻率為10k，控制模式為正常模式，測(cè)試位不使能。其電路圖如圖3所示，圖中所有電阻值均為33ω。
圖3 控制位設(shè)定電路圖
外圍主電路設(shè)計(jì)
為了給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組提供滿足要求的高品質(zhì)正弦波勵(lì)磁信號(hào)，同時(shí)使所接收到的旋轉(zhuǎn)變壓器正/余弦信號(hào)能夠滿足芯片對(duì)輸入信號(hào)幅值與相位的要求，需要加入額外的信號(hào)處理電路。
au6802n1外圍主電路包括激勵(lì)調(diào)理電路、反饋濾波調(diào)理電路和dsp接口電路。電路圖如圖4所示。
圖4 au6802n1外圍主電路電路圖
激勵(lì)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
激勵(lì)調(diào)理電路設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)調(diào)理電路是用來給旋轉(zhuǎn)變壓器提供激勵(lì)輸入信號(hào)。au6802n1芯片的rso/com輸出的激勵(lì)信號(hào)是基于2.5v且vp-p=2v的31級(jí)內(nèi)插正弦波(vrso=1.5v～3.5v的正弦波電壓)，輸出功率太小，是不能直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁繞組的。因此需要設(shè)計(jì)激勵(lì)調(diào)理電路，完成激勵(lì)信號(hào)放大的任務(wù)。
激勵(lì)調(diào)理電路的拓?fù)浞譃殡p電源和單電源供電兩種，本文選取雙電源booster功率放大電路，可節(jié)省器件開銷。電路基本工作原理為rso/com輸出經(jīng)過隔直電容ci后，取到有效的交流信號(hào)，再經(jīng)過后級(jí)的運(yùn)放和npn、pnp三極管互補(bǔ)推挽電路進(jìn)行功率放大，最終得到正弦度較好的激磁電壓信號(hào)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加入cf來補(bǔ)償相位。輸出勵(lì)磁信號(hào)的幅值可通過調(diào)節(jié)rext來實(shí)現(xiàn)。參數(shù)設(shè)計(jì)通常滿足以下原則：rex≤zro/10ω(zro為旋變輸入阻抗，見表1)，rf≥50kω，ri×ci>500μs，rf×cf<5μs。本設(shè)計(jì)方案參數(shù)選取分別為：運(yùn)放選用tl082c，±v為±15v，c0=470pf，ri=22k，ci=0.01uf，rf=100k，cf=100pf，r1=r2=3.3k，r3=r4=4.7ω，rext=10ω。
圖5 au6802n1接口電路板
反饋濾波調(diào)理電路設(shè)計(jì)
旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正余弦信號(hào)是不能直接送給rdc的，里面可能含有許多干擾信號(hào)，必須經(jīng)過調(diào)理濾波，滿足要求之后，才能送給rdc。反饋調(diào)理濾波電路有4個(gè)功能：設(shè)定輸入增益、抑制共模干擾、過濾外界噪音干擾、檢測(cè)s1-s4斷線故障。
輸入增益的選取原則為：根據(jù)旋變信號(hào)(s1-s4)電壓級(jí)別，將信號(hào)調(diào)整到大概為2-3倍的vp-p，才能送給au6802n1。由此可確定增益g的大小，同時(shí)g滿足如下計(jì)算公式：
(4)
電阻ri1、ri2選用精度與輸出數(shù)據(jù)分辨率有關(guān)。輸出數(shù)據(jù)分辨率為10位時(shí)，電阻精度≤1%；分辨率為12位時(shí)，電阻精度≤0.25%。
電路中, 兩個(gè)電容cc的參數(shù)相同，起抑制共模干擾信號(hào)的作用；電容cn 和兩個(gè)ri1電阻構(gòu)成了低通濾波器，過濾外界噪音干擾，濾波器定時(shí)常數(shù)由外部環(huán)境決定，計(jì)算公式為：
(5)
直流電源vext和電阻rbh、rbl起檢測(cè)信號(hào)線s1-s4斷線故障的作用，取值通常在小于旋變輸出阻抗范圍內(nèi)盡可能大。
結(jié)合表1、公式(4)和(5)，本設(shè)計(jì)選取反饋濾波調(diào)理電路各參數(shù)為：ri1=200k/1‰，ri2=20k/1‰，cn=100pf，rh=68k，rl=20k，cc=1000pf。
旋變勵(lì)磁信號(hào)反饋給r1e、r2e時(shí)，必須串入電阻進(jìn)行分壓，分壓之后的電壓不能超過au6802n1供電電源vcc。本設(shè)計(jì)取rr1=rr2=240k。此外，當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)s1-s3和s2-s4的激勵(lì)單元和激勵(lì)旋轉(zhuǎn)變壓器的外部輸入信號(hào)r1e與r2e間有相位差，則r/d轉(zhuǎn)換器的環(huán)路增益會(huì)相應(yīng)地下降。通常相位差>10°這可以通過增加電容調(diào)節(jié)電路相位差。由表1可知，勵(lì)磁信號(hào)輸入相移<-5°，可以不加電容進(jìn)行相位補(bǔ)償。
dsp接口電路設(shè)計(jì)
dsp接口電路為轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)提供了方便的接口。數(shù)據(jù)傳送方式分為三種：并行i/o口模式，abz脈沖模式，spi通信模式。本設(shè)計(jì)采用后兩種方式。由于au6802n1的輸出數(shù)字信號(hào)為5v電平，dsp為3.3v電平，因此中間需要加入電平轉(zhuǎn)換芯片，保證電平的匹配。
如圖5所示，為au6802n1硬件接口電路板。提供了四種接口：分別為電源接口、旋變接口、abz脈沖信號(hào)接口和spi通信接口。電源接口提供給au6902n1的供電電壓+5v和旋變勵(lì)磁供電電壓±15v，旋變信號(hào)接口提供旋變勵(lì)磁信號(hào)和接受正余弦反饋信號(hào)，同時(shí)該板兼容兩種轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出方式：spi通信方式和abz脈沖信號(hào)方式，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可供不同需要靈活選取，且互不沖突，易實(shí)現(xiàn)與dsp通信。
仿真與實(shí)驗(yàn)研究
利用saber對(duì)au6802n1外圍主電路電路圖進(jìn)行仿真，激磁調(diào)理電路仿真結(jié)果如圖6所示。將硬件電路板應(yīng)用在五對(duì)極永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，此時(shí)試驗(yàn)中給定旋變勵(lì)磁信號(hào)為10khz，當(dāng)電機(jī)工作在5000rpm時(shí)，測(cè)試結(jié)果為：圖7為au6802n1接收到的旋變正弦信號(hào)和余弦信號(hào)波形圖。圖8為au6802n1 以脈沖接口工作模式輸出給dsp控制器后，輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)子位置波形圖。由此可見，該硬件電路及其參數(shù)設(shè)計(jì)正確可行。
圖6 激勵(lì)調(diào)理電路仿真波形
圖7 旋變正余弦信號(hào)波形
圖8 轉(zhuǎn)子位置波形圖
結(jié)語
基于多摩川公司的au6802n1所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)接口電路簡(jiǎn)單可靠，信號(hào)輸出模式靈活，與dsp數(shù)字信號(hào)處理器之間接口方便。通過仿真和實(shí)驗(yàn)可見，該接口電路輸出的位置信號(hào)波形品質(zhì)好，無毛刺并具備很強(qiáng)抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)，并具有較高的精度，因此本文設(shè)計(jì)的au6802n1硬件接口電路及其參數(shù)正確可行。這在高可靠性和高速運(yùn)行的交流伺服系統(tǒng)中，具有很高的應(yīng)用價(jià)值
