光電編碼器因測量精度高，在伺服用永磁同步電機位置檢測中廣泛應(yīng)用,。但它有抗震性差的缺點,，難以適應(yīng)惡劣工況。旋轉(zhuǎn)變壓器具有抗震性好,、耐腐蝕,、耐高溫和易實現(xiàn)高速位置檢測的優(yōu)點，通常在礦山,、紡織用伺服系統(tǒng),、航空用電力作動系統(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,，它是一種機電元件,需要將其輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才可輸入到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)計了一套旋變解碼的接口電路板。同時基于永磁電機矢量控制平臺對該接口電路進行了實驗驗證,。實驗表明該設(shè)計方案確實可行,，并取得了較好的位置檢測效果。

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),，固定在電機定子上,，轉(zhuǎn)子與電機轉(zhuǎn)子同軸安裝。當(dāng)原邊的激磁繞組流過正弦電流時,，副邊輸出繞組兩端會感應(yīng)出同頻率的電勢,，電勢的大小與定轉(zhuǎn)子間的相對電角度有關(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)部是一個閉環(huán)系統(tǒng),。旋轉(zhuǎn)變壓器的四線端輸出來的信號通過調(diào)理電路進入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,。通過后級的加減電路，得vsr=kesinωt×sin(θ-)此時根據(jù)外部激勵r1,、r2端的同步相位檢測器的當(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，使該角等于待測模擬角并跟蹤θ,。當(dāng)調(diào)整到vsr=0時,，即有=θ。此時可逆計數(shù)器的字狀態(tài)齙淖喚峁?，紕?chuàng)砹誦溲蠱魘涑齙鬧嶠鉛鵲畝剖種?。该数追N悼梢運透撲慊允凈駾sp控制芯片進行處理。

au6802n1控制位設(shè)定

au6802n1可以通過設(shè)定對應(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四個引腳的電平來設(shè)定,，詳細設(shè)定參考文獻[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,，系統(tǒng)選擇加速模式,；反之，選擇正常模式,。通常運行時設(shè)定為正常模式,，當(dāng)角加速度較大時，切換到加速模式,，可以獲得更高的位置檢測精度,。

(3) 分辨率設(shè)置：mdsel=h時，輸出數(shù)據(jù)選擇12位,；反之,，輸出數(shù)據(jù)選擇10位。

(4) 極對數(shù)設(shè)置：電機的極對數(shù)設(shè)置可通過設(shè)定xsel1和xsel2引腳得到,，如下表2所示,。

(5) 勵磁頻率設(shè)置：勵磁信號rso頻率可通過設(shè)定fsel1和fsel2得到，如表3所示,。

(6) 測試模式設(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,，極對數(shù)設(shè)定為1,，勵磁頻率為10k，控制模式為正常模式,，測試位不使能,。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

為了給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁繞組提供滿足要求的高品質(zhì)正弦波勵磁信號,，同時使所接收到的旋轉(zhuǎn)變壓器正/余弦信號能夠滿足芯片對輸入信號幅值與相位的要求，需要加入額外的信號處理電路,。

au6802n1外圍主電路包括激勵調(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

激勵調(diào)理電路設(shè)計

激勵調(diào)理電路設(shè)計激勵信號調(diào)理電路是用來給旋轉(zhuǎn)變壓器提供激勵輸入信號,。au6802n1芯片的rso/com輸出的激勵信號是基于2.5v且vp-p=2v的31級內(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)動旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁繞組的,。因此需要設(shè)計激勵調(diào)理電路,，完成激勵信號放大的任務(wù)。

激勵調(diào)理電路的拓撲分為雙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,，再經(jīng)過后級的運放和npn、pnp三極管互補推挽電路進行功率放大,，最終得到正弦度較好的激磁電壓信號,。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加入cf來補償相位,。輸出勵磁信號的幅值可通過調(diào)節(jié)rext來實現(xiàn),。參數(shù)設(shè)計通常滿足以下原則：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)計方案參數(shù)選取分別為：運放選用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

旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正余弦信號是不能直接送給rdc的，里面可能含有許多干擾信號,，必須經(jīng)過調(diào)理濾波,，滿足要求之光電編碼器因測量精度高，在伺服用永磁同步電機位置檢測中廣泛應(yīng)用,。但它有抗震性差的缺點,，難以適應(yīng)惡劣工況,。旋轉(zhuǎn)變壓器具有抗震性好、耐腐蝕,、耐高溫和易實現(xiàn)高速位置檢測的優(yōu)點,，通常在礦山、紡織用伺服系統(tǒng),、航空用電力作動系統(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，它是一種機電元件,需要將其輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才可輸入到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)計了一套旋變解碼的接口電路板。同時基于永磁電機矢量控制平臺對該接口電路進行了實驗驗證,。實驗表明該設(shè)計方案確實可行,，并取得了較好的位置檢測效果。

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),，固定在電機定子上,，轉(zhuǎn)子與電機轉(zhuǎn)子同軸安裝。當(dāng)原邊的激磁繞組流過正弦電流時,，副邊輸出繞組兩端會感應(yīng)出同頻率的電勢,，電勢的大小與定轉(zhuǎn)子間的相對電角度有關(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)部是一個閉環(huán)系統(tǒng),。旋轉(zhuǎn)變壓器的四線端輸出來的信號通過調(diào)理電路進入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。通過后級的加減電路,，得vsr=kesinωt×sin(θ-)此時根據(jù)外部激勵r1,、r2端的同步相位檢測器的當(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，使該角等于待測模擬角并跟蹤θ,。當(dāng)調(diào)整到vsr=0時,，即有=θ。此時可逆計數(shù)器的字狀態(tài)齙淖喚峁?，紕?chuàng)砹誦溲蠱魘涑齙鬧嶠鉛鵲畝剖種?。该数追N悼梢運透撲慊允凈駾sp控制芯片進行處理。

au6802n1控制位設(shè)定

au6802n1可以通過設(shè)定對應(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四個引腳的電平來設(shè)定,，詳細設(shè)定參考文獻[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,，系統(tǒng)選擇加速模式；反之,，選擇正常模式,。通常運行時設(shè)定為正常模式，當(dāng)角加速度較大時,，切換到加速模式,，可以獲得更高的位置檢測精度。

(3) 分辨率設(shè)置：mdsel=h時,，輸出數(shù)據(jù)選擇12位,；反之，輸出數(shù)據(jù)選擇10位,。

(4) 極對數(shù)設(shè)置：電機的極對數(shù)設(shè)置可通過設(shè)定xsel1和xsel2引腳得到,，如下表2所示。

(5) 勵磁頻率設(shè)置：勵磁信號rso頻率可通過設(shè)定fsel1和fsel2得到,，如表3所示,。

(6) 測試模式設(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，極對數(shù)設(shè)定為1,，勵磁頻率為10k,，控制模式為正常模式，測試位不使能,。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

為了給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁繞組提供滿足要求的高品質(zhì)正弦波勵磁信號,，同時使所接收到的旋轉(zhuǎn)變壓器正/余弦信號能夠滿足芯片對輸入信號幅值與相位的要求,，需要加入額外的信號處理電路。

au6802n1外圍主電路包括激勵調(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

激勵調(diào)理電路設(shè)計

激勵調(diào)理電路設(shè)計激勵信號調(diào)理電路是用來給旋轉(zhuǎn)變壓器提供激勵輸入信號,。au6802n1芯片的rso/com輸出的激勵信號是基于2.5v且vp-p=2v的31級內(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)動旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁繞組的,。因此需要設(shè)計激勵調(diào)理電路,，完成激勵信號放大的任務(wù)。

激勵調(diào)理電路的拓撲分為雙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,，再經(jīng)過后級的運放和npn、pnp三極管互補推挽電路進行功率放大,，最終得到正弦度較好的激磁電壓信號,。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加入cf來補償相位,。輸出勵磁信號的幅值可通過調(diào)節(jié)rext來實現(xiàn),。參數(shù)設(shè)計通常滿足以下原則：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)計方案參數(shù)選取分別為：運放選用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

旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正余弦信號是不能直接送給rdc的，里面可能含有許多干擾信號,，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s1-s4斷線故障,。

輸入增益的選取原則為：根據(jù)旋變信號(s1-s4)電壓級別，將信號調(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g滿足如下計算公式：

(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,，電阻精度≤1%,；分辨率為12位時,，電阻精度≤0.25%,。

電路中, 兩個電容cc的參數(shù)相同,，起抑制共模干擾信號的作用,；電容cn 和兩個ri1電阻構(gòu)成了低通濾波器,，過濾外界噪音干擾,，濾波器定時常數(shù)由外部環(huán)境決定,，計算公式為：

(5)

直流電源vext和電阻rbh,、rbl起檢測信號線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。

旋變勵磁信號反饋給r1e、r2e時,，必須串入電阻進行分壓,，分壓之后的電壓不能超過au6802n1供電電源vcc。本設(shè)計取rr1=rr2=240k,。此外,，當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器信號s1-s3和s2-s4的激勵單元和激勵旋轉(zhuǎn)變壓器的外部輸入信號r1e與r2e間有相位差，則r/d轉(zhuǎn)換器的環(huán)路增益會相應(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，勵磁信號輸入相移<-5°,，可以不加電容進行相位補償,。

dsp接口電路設(shè)計

dsp接口電路為轉(zhuǎn)速數(shù)字信號提供了方便的接口。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)計采用后兩種方式,。由于au6802n1的輸出數(shù)字信號為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和旋變勵磁供電電壓±15v,，旋變信號接口提供旋變勵磁信號和接受正余弦反饋信號，同時該板兼容兩種轉(zhuǎn)速信號輸出方式：spi通信方式和abz脈沖信號方式,，實際應(yīng)用時可供不同需要靈活選取,，且互不沖突，易實現(xiàn)與dsp通信,。

仿真與實驗研究

利用saber對au6802n1外圍主電路電路圖進行仿真,，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)用在五對極永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)中,，此時試驗中給定旋變勵磁信號為10khz,，當(dāng)電機工作在5000rpm時，測試結(jié)果為：圖7為au6802n1接收到的旋變正弦信號和余弦信號波形圖,。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)計正確可行,。



圖6 激勵調(diào)理電路仿真波形



圖7 旋變正余弦信號波形



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)計的旋轉(zhuǎn)變壓器信號接口電路簡單可靠,，信號輸出模式靈活，與dsp數(shù)字信號處理器之間接口方便,。通過仿真和實驗可見,，該接口電路輸出的位置信號波形品質(zhì)好，無毛刺并具備很強抗干擾能力,，可實現(xiàn)位置檢測，并具有較高的精度,，因此本文設(shè)計的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行的交流伺服系統(tǒng)中，具有很高的應(yīng)用價值