旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器在轉(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)特殊的模/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)。

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。

RDC電路設(shè)計(jì)

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)Esinwtsinq和Esinwtcosq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j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Esinwtcosqsinj和Esinwtsinqcosj，二者再進(jìn)行相減運(yùn)算便得到輸出信號(hào)Esinwtsin(q-j)，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(q-j)=0，即q-j=0，此時(shí)增減計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字角度j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)sinj和cosj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)設(shè)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。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AGND。

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。

3 AD2S99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0.1mF的串聯(lián)電容和100KW的對(duì)地電阻。

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);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)?？梢?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)中很好地實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的精確測(cè)量。