一種旋轉變壓器位置解碼系統(tǒng)的設計方案

1.引言

隨著永磁同步電機在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天等各領域的廣泛應用，永磁同步電機在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)領域也得到同步發(fā)展。眾所周知，永磁同步電機的穩(wěn)定可靠運行，需要安裝位置傳感器來檢測位置信號。因旋轉變壓器(簡稱旋變)通過與相應的解碼芯片配合即可對電機轉子位置進行檢測，所以旋變作為較為可靠的絕對位置傳感器被廣泛采用。目前很多專家學者開始研究旋變位置解碼系統(tǒng)[1-4]，隨著旋變及其解碼芯片技術的不斷發(fā)展，旋變的可靠性更高，解碼電路也更加緊湊。本文采用當前最新一代可變磁阻旋變和與之配合的解碼芯片AD2S1205，設計了相應的旋變位置解碼系統(tǒng)，并通過測試系統(tǒng)驗證了系統(tǒng)的可靠性。

2.旋變工作原理

旋變的通常配置是初級繞組位于轉子上，兩個二次繞組位于定子上。本系統(tǒng)采用的可變磁阻旋變的轉子上則不存在繞組，如圖1所示，初級繞組和二次繞組均位于定子上，轉子的這種特殊設計可使得次級耦合隨著角位置變化而發(fā)生正弦變化。

無論何種配置，旋變正弦繞組的輸出電壓是S1-S3，余弦繞組的輸出電壓是S2-S4，如(1)式和(2)式所示。其中：θ為軸角，ω為轉子激勵角頻率，E0為轉子激勵幅度。

可變磁阻旋變初級繞組采用交流基準源激勵，兩個次級繞組機械上交叉90°。定子二次繞組上耦合出的電壓幅度是轉子相對于定子角位置θ的函數(shù)，旋變輸出信號如圖2所示。

轉換器跟蹤軸角θ的原理為，轉換器產(chǎn)生輸出角φ，然后反饋φ以與輸入角θ相比較。當轉換器正確跟蹤輸入角度時，二者之間的誤差將被驅(qū)動至0。為了測量誤差，將(1)式乘以cosφ，(2)式乘以sinφ，其差值為：

當角度誤差(θ-φ)的值很小時，(4)式即近似等于0E(θ-φ)。AD2S1205具備一個由相位敏感解調(diào)器、積分器和補償濾波器形成的閉環(huán)系統(tǒng)，可力求使誤差信號歸零。當該目標實現(xiàn)時，在轉換器的額定精度范圍內(nèi)，輸出角φ即等于旋變角度θ。

3.硬件電路設計

硬件電路的設計是圍繞AD公司的解碼芯片AD2S1205展開的。首先，該芯片是一款完整的12位分辨率跟蹤分解器數(shù)字轉換器，內(nèi)置可編程正弦波振蕩器，為旋變提供正弦波激勵，工作頻率范圍為8.192MHz±25%。該芯片采用Type II跟蹤環(huán)路，可用于跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉換為角度和速率所對應的數(shù)字量，其最大跟蹤速率是外部時鐘頻率的函數(shù)。Type II跟蹤環(huán)路能夠連續(xù)輸出位置數(shù)據(jù)，且沒有轉換延遲，它還能提供噪聲抑制，以及參考和輸入信號的諧波失真容限。

圖3為旋變解碼電路原理圖。首先由AD2S1205解碼芯片產(chǎn)生差分正弦勵磁信號，經(jīng)過運放放大、跟隨后，通過推挽的方式輸出到電機旋變。電機旋變返回的差分信號S1-S3、S2-S4，經(jīng)IC26運算后送AD2S1205進行處理。SINLO和COSLO同時接入到REFOUT的目的是增強信號的穩(wěn)定性，信號放大倍數(shù)為1.5。

針對故障檢測，芯片內(nèi)部有相關的故障檢測功能，其相關故障的優(yōu)先等級和故障碼如表1所示。

電平轉換芯片采用74ALVCH164245，此芯片把旋變信號轉為3.3V后送單片機，其電路如圖4所示。

4.軟件設計

4.1 復位時序

圖5為AD2S1205復位驅(qū)動時序。

當AD2S1205的電源電壓小于4.5V時，AD2S1205處于低電壓復位狀態(tài)，LOT/DOS同時為低電平指示，系統(tǒng)復位無信號。當電源電壓超過4.5V以后，RESET管腳需保持有效電平至少10μs以上，使得AD2S1205芯片復位。在復位無效后，AD2S1205需要至少20ms時間，使得內(nèi)部電路能夠穩(wěn)定工作，并且追蹤電路能夠穩(wěn)定追蹤輸入角度。經(jīng)過20ms的穩(wěn)定工作時間后，SAMPLE有效并且保持一段時間，復位軟件流程如圖6所示。