日前，永磁伺服同步電機(jī)的使用越加的廣泛，而MCU迅速發(fā)展使得電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案越來(lái)越簡(jiǎn)單可靠。伺服控制電機(jī)需要位置反饋，與傳統(tǒng)的位置傳感器想比，旋轉(zhuǎn)變壓器更容易維護(hù)，適合在環(huán)境惡劣的工況下工作。本文基于英飛凌推出的新一代M4處理器完成了帶旋轉(zhuǎn)變壓器伺服控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；系統(tǒng)選用的是英飛凌新一代的處理器XMC4500，文章具體介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器原理，以及旋變解調(diào)的硬件電路設(shè)計(jì)。
        永磁伺服同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)磁場(chǎng)定向控制中，電機(jī)位置速度的反饋對(duì)實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)極為重要。電機(jī)反饋傳感器在很大程度上決定了運(yùn)動(dòng)控制的的性能，傳感器的誤差限制了位置速度的精度。目前檢測(cè)電機(jī)速度的方法也有多種，如光電編碼器，霍爾傳感器，旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的是含有位置信號(hào)的模擬信號(hào)，工作可靠，壽命長(zhǎng)，對(duì)機(jī)械噪聲不敏感，適合應(yīng)用在高溫潮濕，震動(dòng)等環(huán)境惡劣的工況下。旋轉(zhuǎn)變壓器需要高頻正弦激勵(lì)信號(hào)，輸出的模擬信號(hào)也是高頻的，需要對(duì)其信號(hào)解調(diào)才能獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。傳統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)方法是使用解碼芯片，常用的解碼芯片有AD2S90，AS2S99，AD2S1200 等等。但是這些專用的芯片對(duì)模通常價(jià)格比較昂貴。Infineon公司新推出的 Xmc4500 內(nèi)置Delta-Sigma 解調(diào)功能，是該微控制器的一大特色，利用這一功能可以十分方便的支持旋轉(zhuǎn)變壓器。本文基于XMC4500設(shè)計(jì)了旋變方案的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)原理
        1.1旋轉(zhuǎn)變壓器簡(jiǎn)單介紹
        本文采用的是多摩川旋變，型號(hào)為：TS4746N3220E501  勵(lì)磁電壓要求10KHZ, 幅值為7V。旋轉(zhuǎn)變壓器由勵(lì)磁繞組和次邊輸出繞組組成，如圖（1）所示，Uref是勵(lì)磁繞組，Usin,Ucos是輸出繞組。輸出電壓和轉(zhuǎn)子位置關(guān)系表達(dá)式：

其中K 是變壓比， 是角速度， =2*pi*f，f 即勵(lì)磁電壓的頻率，E是勵(lì)磁電壓幅值，即轉(zhuǎn)子的角度。由上式可知，當(dāng)在勵(lì)磁繞組上施加勵(lì)磁電壓后，隨著轉(zhuǎn)子的角度在輸出繞組上就產(chǎn)生了含有轉(zhuǎn)子位置信息的 ， 波形。如圖2所示。

  圖 1 旋轉(zhuǎn)變壓器示意圖

  圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁以及輸出電壓波形

1.2 傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)原理
      圖3是傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)原理圖。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)與估計(jì)位置角的正余弦值相乘，得到：

將兩者求差得到：

(6)式在經(jīng)過(guò)檢波器得到位置誤差信息，再積分激勵(lì)壓控振蕩器，壓控振蕩器再引起計(jì)數(shù)器的上下計(jì)數(shù)得到位置。

圖3傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)原理圖

           由表達(dá)式(1),(2),(3)可以得出旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組含有轉(zhuǎn)子位置信息。XMC4500內(nèi)置DSD數(shù)字處理部分，能解調(diào)旋變反饋信號(hào)，并支持旋變勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生。旋轉(zhuǎn)變壓器反饋信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后將數(shù)字比特率流信號(hào)送至XMC4500解調(diào)變可以得到轉(zhuǎn)子的角度信息了。XMC4500的DSD功能使得軟件開發(fā)非常的簡(jiǎn)單，只要合理配置寄存器便可以求出角度。圖4是DSD解調(diào)詳細(xì)過(guò)程。在一個(gè)載波周期內(nèi)對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋信號(hào)進(jìn)行N點(diǎn)抽樣，根據(jù)載波的符號(hào)對(duì)抽樣值進(jìn)行整形。載波符號(hào)波形即為載波同頻率的方波：

因此參考信號(hào)和輸入信號(hào)相乘得到：

即為圖4中的波形4所示。將傅里葉展開

經(jīng)過(guò)低通濾波濾除高頻信號(hào)可以得到與輸入信號(hào)包絡(luò)信號(hào)成正比的信號(hào)即圖4中的第六個(gè)波形：

  圖4  旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)解調(diào)過(guò)程  

 1.4鎖相環(huán)原理
          為了得到更精確的角度信息，讓經(jīng)過(guò)PLL鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)相同步。PLL鎖相環(huán)原理如圖所示：

圖5  PLL鎖相環(huán)原理

  即為所求得得角度。首先利用三角函數(shù)關(guān)系以及 （當(dāng) 為很小值時(shí)），得到角度誤差 ，進(jìn)過(guò)PI調(diào)節(jié)器以及第一個(gè)積分得到速度 ，速度再積分即得到角度 。合理調(diào)節(jié)PI參數(shù)可以保證 精確度和響應(yīng)速度。