旋轉(zhuǎn)變壓器在轉(zhuǎn)子位置測(cè)量中的應(yīng)用

引言

在軍用車(chē)輛交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于要適應(yīng)沖擊震動(dòng)和溫濕度變化等惡劣的工作環(huán)境，普通檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的光電編碼器很容易損壞，而旋轉(zhuǎn)變壓器由于其堅(jiān)固耐用且可靠性高，可以很好地解決這一問(wèn)題，但旋轉(zhuǎn)變壓器是一種模擬機(jī)電元件，不能滿(mǎn)足數(shù)字化的要求，故需要接口電路實(shí)現(xiàn)其模擬信號(hào)與控制系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)化，這類(lèi)接口電路是一類(lèi)特使的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，也就是我們常說(shuō)的旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（rdc）。

rdc電路設(shè)計(jì)

主要器件及原理

本系統(tǒng)采用日本多摩川公司生產(chǎn)的ts262n21e11無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器，電路中主要采用了adi公司的兩個(gè)r/d轉(zhuǎn)換器ad2s90和程控振蕩器ad2s99，二者要配合使用。

ad2s90是rdc電路設(shè)計(jì)的核心，內(nèi)部功能模塊主要是由相敏檢測(cè)器、乘法器、壓控振蕩器（vco）、增減計(jì)數(shù)器形成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器的兩路定子繞組的輸出信號(hào)esinωtsinθ和esinωtcosθ分別送入ad2s90的sin和cos輸入引腳后，經(jīng)過(guò)其內(nèi)部運(yùn)放再送至乘法器中，此時(shí)，若內(nèi)部增減計(jì)數(shù)器輸出的初始數(shù)字角度φ也被送入乘法器，則經(jīng)乘法運(yùn)算后得到的輸出信號(hào)為esinωtcosθsinφ和esinωtsinθcosφ，二者再進(jìn)行相減運(yùn)算便得到輸出信號(hào)esinωtsin（θ-φ），信號(hào)中的誤差部分被送入由相敏檢測(cè)器、乘法器、壓控振蕩器、增減計(jì)數(shù)器形成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使sin（θ-φ）=0，即θ-φ=0，此時(shí)增減計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字角度φ就是轉(zhuǎn)子的位移角度。

ad2s99是專(zhuān)為旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供的勵(lì)磁信號(hào)源，信號(hào)頻率有4種選擇即2khz，5khz，10khz和20khz，它不僅為ad2s90提供同步基準(zhǔn)電壓信號(hào)，同時(shí)還給旋轉(zhuǎn)變壓器提供高品質(zhì)的正弦波勵(lì)磁信號(hào)，還具有信號(hào)相位補(bǔ)償和信號(hào)丟失檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

rdc電路的總體設(shè)計(jì)方案

旋轉(zhuǎn)變壓器二次繞組輸出的兩路信號(hào)sinφ和cosφ作為ad2s90的位置角檢測(cè)的模擬信號(hào)輸入，通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)，分別接到ad2s90相應(yīng)的輸入端sin和sinl0。同時(shí)，cos和cosl0的信號(hào)作為反饋信號(hào)接至ad2s99，通過(guò)ad2s99內(nèi)部處理后產(chǎn)生輸出信號(hào)synref（為±3vp-p方波輸出信號(hào)且相位與sin和cos輸入信號(hào)保持一致），連接至ad2s90的ref引腳，用于補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)變壓器一次側(cè)到二次側(cè)的相位偏差，否則會(huì)降低rdc的轉(zhuǎn)換精度，ad2s99通過(guò)輸出端exc和/exc（exc和/exc為兩路±2vrms、8ma的正弦信號(hào)，且/exc相位相對(duì)于exc要超前180°）為旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組提供所需工作頻率的勵(lì)磁信號(hào)，勵(lì)磁信號(hào)的工作頻率可以通過(guò)ad2s99的引腳sel1、sel2和fbias來(lái)配置，另外，ad2s99的引腳los用于指示sin和cos信號(hào)缺失的檢測(cè)情況，正常工作時(shí)los為低電平，若sin和cos信號(hào)都低于los規(guī)定的電壓閾值（vrms），則los被上拉到高電平vdd。

提供給控制器的位置信號(hào)有兩種輸出方式，一是spi輸出（12位），最高傳輸速率為2mbps；二是模擬增量式編碼器輸出，a、b和nm信號(hào)，相當(dāng)于一個(gè)1024線(xiàn)增量式編碼器。

電路總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。接口電路設(shè)計(jì)還需要注意以下幾點(diǎn)：

1電路中所有模擬地信號(hào)要以星形方式連接至ad2s90的引腳adnd。

2若旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸時(shí)，屏蔽層也要連至agnd引腳。

3ad2s99的輸出信號(hào)synref與ad2s90的輸入引腳ref相連時(shí)，為了減小ad2s99的synref信號(hào)的直流偏移，需要添加0.1μf的串聯(lián)電容和100kω的對(duì)地電阻。

rdc電路試驗(yàn)波形

圖2和圖3是rdc電路在4對(duì)極感應(yīng)電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)的試驗(yàn)波形，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率為63.4hz，旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊輸入勵(lì)磁信號(hào)頻率設(shè)置為10khz，其中圖2是rdc電路的輸入波形，即由旋轉(zhuǎn)變壓器副邊的兩個(gè)繞組分別輸出的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，圖3是rdc電路的輸出波形，即以正交編碼脈沖形式提供給dsp的位置測(cè)量信號(hào)，參照?qǐng)D2可見(jiàn)，輸入波形的品質(zhì)好，達(dá)到了rdc的設(shè)計(jì)要求，輸出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)波形符合dsp的qep電路接收要求，而且脈沖正交性好，無(wú)毛刺，保證了dsp對(duì)位置信號(hào)的采樣精度。

結(jié)語(yǔ)

該數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器最大的優(yōu)點(diǎn)在于其簡(jiǎn)單、可靠的硬件電路和較高的精度與分辨率，本方案在軍用裝甲車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)中很好的實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的精確測(cè)量。