基于AD2S1210的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳夢(mèng)民，王艷

（北京交通大學(xué)北京 100044）

由于開關(guān)磁阻電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，隨著電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)也隨之迅速發(fā)展。在開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制中必須實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，使各相的開關(guān)器件完成正確的切換，獲得連續(xù)的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)在電機(jī)恒轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制中也需要知道電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度的準(zhǔn)確檢測(cè)將直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的性能。當(dāng)前在開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)上，使用最多的是光柵編碼器和霍爾傳感器，相比于以上兩種方法，旋轉(zhuǎn)變壓器在自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上的優(yōu)勢(shì)，使它具有耐沖擊、耐震動(dòng)、耐高溫的特點(diǎn)，可以在惡劣環(huán)境下使用，例如在電動(dòng)汽車中的使用[2]。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是包含電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度的電壓信號(hào)，不能被控制系統(tǒng)直接利用，所以需要將其輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成角度和速度信號(hào)，才能被控制系統(tǒng)所使用[3-4]。傳統(tǒng)的解碼器采用放大電路，濾波電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路搭建而成，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且調(diào)試難度也比較大。本方案采用亞德諾半導(dǎo)體公司研發(fā)的高精度高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器專用解碼芯片，其內(nèi)部集成有正弦波發(fā)生器，可以產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)，并能夠?qū)π兊妮敵鲂盘?hào)進(jìn)行可靠解碼[5]。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器和普通變壓器的工作原理實(shí)際是一樣的，只是由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，定子勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子輸出繞組之間相對(duì)位置的變化會(huì)引起繞組間互感的變化，由此，我們知道其輸出電壓與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。按照其輸出與轉(zhuǎn)子角位置關(guān)系的不同，旋轉(zhuǎn)變壓器可以分為很多種，其中比例式旋變的輸出與角度成比例關(guān)系，線性旋變的輸出與角度成線性關(guān)系，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 旋變?cè)韴D

從圖上可知：

E0為勵(lì)磁電壓的幅值，ω為勵(lì)磁電壓的角頻率，θ為轉(zhuǎn)子角度。

兩個(gè)次級(jí)繞組在機(jī)械上相差90度，給初級(jí)繞組施加正弦波勵(lì)磁后，會(huì)在定子次級(jí)繞組上的耦合出幅值隨轉(zhuǎn)子位置變化的電壓。旋變輸入與輸出的理論波形如2所示。

圖2 旋變輸入輸出信號(hào)

2 AD2S1210解碼原理

2.1 AD2S1210概述

AD2S1210 Analog Devices模擬器件公司研制的是一款旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片[7]。輸入端允許的輸入電壓范圍3.15Vp-p±27%、頻率為2 kHz至20 kHz范圍內(nèi)的正弦信號(hào)。轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一個(gè)二型伺服環(huán)路，它可以跟蹤輸入信號(hào)，將旋變的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸入角度和速度所對(duì)應(yīng)數(shù)字量保存在相應(yīng)的寄存器中?？梢酝ㄟ^并行端口或者串行接口讀取絕對(duì)角位置數(shù)據(jù)，為了滿足不同的精度要求，分辨率是可以設(shè)置的。速度和位置寄存器都是16位的，并且是高位有效。AD2S1210的功能框圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)框圖

2.2 解碼原理

當(dāng)旋變轉(zhuǎn)動(dòng)了相當(dāng)于最低有效位對(duì)應(yīng)的角度時(shí)，輸出就會(huì)變化一個(gè)最低有效位。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸出角φ，反饋后與輸入角θ進(jìn)行比較，以便跟蹤軸角θ，兩個(gè)角度的差值即為誤差，如果轉(zhuǎn)換器正確跟蹤了輸入角度，那么誤差趨近于0。為了更方便的測(cè)量誤差，可以對(duì)旋變的輸出信號(hào)進(jìn)行如下處理：

兩者的差值為：

內(nèi)部的閉環(huán)系統(tǒng)由一個(gè)相敏解調(diào)器、一個(gè)積分器和一個(gè)補(bǔ)償濾波器組成，它能夠?qū)⒄`差信號(hào)調(diào)零。當(dāng)誤差信號(hào)無(wú)限趨近于零時(shí)，在轉(zhuǎn)換器規(guī)定的精度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸出角φ即等于旋變轉(zhuǎn)角θ。AD2S1210的解碼原理如圖4所示。

圖4 解碼原理圖

2.3 硬件電路

1）AD2S1210外圍電路及其與旋變的接口電路

AGND和DGND引腳接地，AVDD和DVDD引腳接5 V正電源，去耦電容的典型值為10 nF和4.7 μF。施加于VDRIVE的電壓控制并行和串行接口的電壓。VDRIVE可以取為5 V、3 V或2.5 V。振蕩器去耦電容的典型值為20 pF，參考去耦電容的典型值為10 nF和10 μF。其基本電路如圖5所示。

圖5 AD2S1210的外部電路

為了能使AD2S1210正常工作需要對(duì)勵(lì)磁信號(hào)及旋變輸出信號(hào)進(jìn)行處理，使其滿足旋變和解碼器的輸入要求。勵(lì)磁信號(hào)處理電路如圖6所示。

圖6 勵(lì)磁信號(hào)放大電路

EXC和EXC-是AD2S1210的勵(lì)磁輸出管腳，Vout接到旋變的勵(lì)磁輸入（差分輸入）。由放大電路的基本知識(shí)知道勵(lì)磁輸出信號(hào)的放大倍數(shù)通過電阻R1和R2來(lái)調(diào)節(jié)。放大器的共模電壓通過電阻R3和R4來(lái)調(diào)節(jié)。該方案選用的旋變的變比是0.5，旋變的輸入的勵(lì)磁要求是7Vrms，即為9.9VP-P。AD2S1210勵(lì)磁輸出端輸出的是7.2VP-P的差分信號(hào)。所以勵(lì)磁放大電路的增益為9.9/7.2=1.375，即R2/R1=1.375，取R1=7.5 kΩ，R2=10kΩ。濾波電容取100 pF。

2）AD2S1210與控制芯片的接口

為了使解碼器能夠正確的轉(zhuǎn)換旋變角度以及讀取解碼器內(nèi)部存儲(chǔ)的角位置信息、速度和故障信息，需要對(duì)AD2S1210進(jìn)行基本的配置，主要是分辨率及工作模式的選擇。本方案采用的控制芯片是STM32F103ZET6。接口電路如圖7所示，圖中只畫出了使用到的引腳。

圖7 控制芯片接口電路

通過控制芯片的PB10和PB11控制A0和A1，實(shí)現(xiàn)對(duì)AD2S1210工作模式的選擇，解碼器有4種工作模式，工作模式及其設(shè)置見表1。

表1 工作模式設(shè)置

3 軟件設(shè)計(jì)

在配置模式下對(duì)芯片的寄存器、激磁頻率和分辨率進(jìn)行配置。

圖8 軟件基本流程

4 測(cè)試結(jié)果

當(dāng)接通電源后，AD2S1210輸出的勵(lì)磁信號(hào)如圖9所示。

圖9 勵(lì)磁信號(hào)

由圖可知?jiǎng)?lì)磁信號(hào)的峰峰值為10.5 V，頻率為10.000 2 Hz，滿足旋變對(duì)勵(lì)磁信號(hào)的要求。

旋變的輸出信號(hào)如圖10所示。粗線為正弦繞組輸出，細(xì)線為余弦繞組輸出。

圖10 旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出

圖11 位置寄存器中存儲(chǔ)的位置信息

將旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出接至轉(zhuǎn)換器的正余弦輸入端，通過控制芯片讀取角位置信息，并通過串口助手顯示AD2S1210位置寄存器中存儲(chǔ)的位置信息，如圖11所示。當(dāng)位分辨率為n時(shí)，角度θ=360°·D/(2n-1)，D為角度寄存器中存儲(chǔ)的角位置信息，D為對(duì)應(yīng)分辨率對(duì)應(yīng)的最大值時(shí)，角度為360°，所以將寄存器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為角度，通過串口顯示，如圖12所示。

圖12 旋轉(zhuǎn)變壓器的角度信息

5 結(jié) 論

本文介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器和解碼芯片AD2S1210的原理以及應(yīng)用，對(duì)解碼芯片的外圍電路以及其與控制芯片的接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)完成相應(yīng)軟件的設(shè)計(jì)，對(duì)解碼芯片進(jìn)行正確的配置，對(duì)數(shù)據(jù)的讀取，并通過串口顯示了當(dāng)前的位置信息，為電機(jī)的精確控制打下基礎(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)果證明電路工作可靠，方案具有可行性，具有一定的參考價(jià)值。

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