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旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理的低成本 、低分辨率方案

2016-08-12
關鍵詞: ADI FPGA DSP

旋轉(zhuǎn)變壓器(resover)包含三個繞組,,即一個轉(zhuǎn)子繞組和兩個定子繞組,。轉(zhuǎn)子繞組隨馬達旋轉(zhuǎn),定子繞組位置固定且兩個定子互為 90 度角(如圖 1 所示),。這樣,,繞組形成了一個具有角度依賴系數(shù)的變壓器。

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圖 1:旋轉(zhuǎn)變壓器及其相關信號

將施加在轉(zhuǎn)子繞組上的正弦載波耦合至定子繞組,, 對定子繞組輸出進行與轉(zhuǎn)子繞組角度相關的幅度調(diào)制,。由于安裝位置的原因,兩個定子繞組的調(diào)制輸出信號的相位差為 90 度,。通過解調(diào)兩個信號可以獲得馬達的角度位置信息,, 首先要接收純正弦波及余弦波, 然后將其相除得到該角度的正切值,,最終通過“反正切”函數(shù)求出角度值,。由于一般情況下要使用 DSP進行算術處理, 因而需要將正弦及余弦波數(shù)字化,。 目前市面上有幾種具備這些功能的專用產(chǎn)品,,然而其價格昂貴,對于大多數(shù)應用而言需要尋求其他替代方案,。目前有一種最為常用的方法是,,檢測輸出信號中載波頻率的峰值來觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。如果總是在這一時間點轉(zhuǎn)換調(diào)制信號,,則將消除載波頻率,。由于更高分辨率的增量累加(Δ-∑)ADC 總是在一段時間內(nèi)對信號進行積分采樣,因此它將不僅僅轉(zhuǎn)換峰值電壓,,因而需要采用諸如 TI ADS7861或 ADS8361 等逐次逼近 ADC,,分辨率也被限制在 12~14 位。 這種方法還需要使用幾種電路模塊,,必須生成合適的正弦載波,,必須在合適的時間點觸發(fā)轉(zhuǎn)換過程,且 ADC 必須對信號進行同步轉(zhuǎn)換。這樣不僅增加了成本,,且分辨率有限,。

新概念使用過采樣方法,并將解調(diào)移至數(shù)字域內(nèi),,調(diào)制信號的過采樣采用雙通道 Δ-∑調(diào)制器 ADS1205,,數(shù)字濾波器芯片 AMC1210 用于調(diào)制器輸出的解調(diào)和抽取(decimation)。 調(diào)制器僅產(chǎn)生位流,,這不同于 ADC 中的數(shù)字概念,。為了輸出相當于模擬輸入電壓的數(shù)字信號,必須使用數(shù)字濾波器來處理位流,。 正弦濾波器是一種非常簡單,、 易于構建且硬件需求最少的一種濾波器。 那些頻率為調(diào)制器時鐘頻率除以過采樣率所得值的整數(shù)倍的信號將被抑制,, 這些被抑制的頻率點稱為陷波(notch),。在此新概念中,積分器的抽取率設定的原則是使載波頻率落入到某一陷波頻率,。 但首先需要對信號進行解調(diào),, 否則角度信息將與載波頻率一起被忽略。該任務由 AMC1210 完成,。AMC1210 具有四個通道,,每個通道均提供如圖 2 所示的濾波器結構。

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圖 2:AMC1210 的數(shù)字濾波器結構

AMC1210 也可用于測量電流,。在本例中,,我們將比較器濾波器(comparator filter)用于過電流保護,能夠在低分辨率情況下實現(xiàn)快速響應(如圖中藍色部分所示),。$部分在較低采樣率情況下能夠產(chǎn)生更高分辨率的輸出,,這部分用于控制環(huán)路。根據(jù)應用的需要,,在這里可以使用正弦濾波器及積分器來優(yōu)化濾波器的結構。此外,,該通路還可用于濾波及解調(diào),。 首先,AMC1210 中的正弦濾波器對調(diào)制器的位流進行濾波,,以將其轉(zhuǎn)換為中等分辨率,、中等速率的數(shù)據(jù)字。對 ADS1205 而言,,最高效的三階正弦濾波器的過采樣率(OSR)為 128,。過采樣率超過 128 時,OSR 每增加一倍,信噪比僅增加 3dB,。在解調(diào)過程后利用積分器可以達到同樣的效果,,而且還能縮短濾波器的延遲時間。將 OSR 設為 128 時會產(chǎn)生一個 14 位的數(shù)字調(diào)制信號,,其數(shù)據(jù)速率為:

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該等式中,,fmod 表示調(diào)制器的時鐘頻率,該時鐘頻率在調(diào)制器中降為原來的一半,。在下例中,,當時鐘信號頻率為 32.768MHz 時,三階正弦濾波器的數(shù)據(jù)速率為 128kHz?,F(xiàn)在需要對信號進行解調(diào)(如圖 3 所示),。

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圖 3:AMC1210 內(nèi)部的解調(diào)過程示例

這表示當未調(diào)制載波為正時,14 位數(shù)字信號須乘以+1,,若未調(diào)制載波為負則須乘以-1,。我們需要考慮到載波信號通過旋轉(zhuǎn)變壓器、 線圈,、 調(diào)制器以及正弦濾波器時產(chǎn)生的延時,。 因此,AMC1210 具有相移校驗功能,,能夠在相移 90 度內(nèi)正常工作,。若相移超過此范圍,則必須在寄存器中編程,。 最后,,積分器 OSR 的設定原則是:載波頻率是整個濾波器傳輸函數(shù)陷波的整數(shù)倍。在時域中,,這等同于在多個載波周期內(nèi)求積分,。這樣就完全抑制了載波頻率。在此例中,,如果積分器的 OSR 為 16,,則分辨率提高 2 位(0.5 位/因數(shù) 2)。然而輸出信號的幅度降低了 3dB(-0.5 位),,原因是積分器產(chǎn)生的是解調(diào)信號的平均電壓而非峰值電壓,。 總結:AMC1210 的輸出為數(shù)字正弦波或余弦波,數(shù)據(jù)速率為 8kHz,,噪聲性能為 15.5 位,。該信號的幅度比輸入調(diào)制信號降低了 3dB。



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