0 引言

    永磁同步電機是一種反電動勢為正弦波的直流無刷電機，多被應(yīng)用到控制精度要求較高的場合^[1]。該類型電機沒有電刷，避免了有刷電機維護周期短、故障率高和電磁干擾等缺陷^[2]。但是，為實現(xiàn)正常換向和轉(zhuǎn)速控制，永磁同步電機需要轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取電機轉(zhuǎn)子的位置信息和轉(zhuǎn)速信息^[3]。

    常用轉(zhuǎn)子的位置傳感器有光電編碼器、霍爾型位置傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器3種^[4]。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器有著抗震性強、精度高、耐高溫、耐濕度和壽命長等優(yōu)點^[5]，適用于汽車等工作環(huán)境差的場所。但是，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的是模擬信號，主控芯片不能直接讀取轉(zhuǎn)子位置信息，需設(shè)計解碼電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。因此，本文基于專用旋變解碼芯片AD2S1205設(shè)計了一種旋變解碼系統(tǒng)，并通過實驗驗證該系統(tǒng)的軟硬件性能。

1 磁阻式旋變工作原理

    磁阻式旋變主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中旋變定子繞有勵磁輸入繞組和兩相輸出繞組，旋變轉(zhuǎn)子由特定形狀的鐵芯構(gòu)成，與電機輸出軸同軸連接，不繞線圈，定子和轉(zhuǎn)子不直接接觸^[6]。旋變工作時，勵磁線圈通以固定頻率的正弦電壓，由于旋變轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)，兩相輸出繞組的電壓幅值隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，并且兩相輸出繞組電壓相位相差90°^[7]。通過旋變解碼系統(tǒng)解碼兩相輸出繞組的電壓，便可得到此時電機轉(zhuǎn)子的位置信息。

    磁阻式旋變的電氣結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中，勵磁繞組輸入電壓與兩相輸出繞組電壓有以下數(shù)學關(guān)系。

    勵磁繞組輸入電壓為：

其中，E為勵磁繞組輸入電壓幅值，f為勵磁繞組輸入電壓頻率。

    兩相輸出繞組電壓分別為：

其中，K為輸出電壓的增益系數(shù)，θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電角度。

    兩相輸出繞組電壓分別是與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)，解碼系統(tǒng)采集輸出繞組的電壓，通過解碼計算，便可以獲得電機轉(zhuǎn)角的位置信息。

2 硬件設(shè)計

    本設(shè)計中電子電路硬件以AD公司的專用解碼芯片AD2S1205為核心，外圍電路主要包括旋變勵磁電路、旋變輸出信號調(diào)理電路以及解碼系統(tǒng)與單片機的通信接口電路和電源電路。

2.1 AD2S1205工作原理

    AD2S1205是一款分辨率為12位的專用旋變解碼芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括可編程正弦波發(fā)生器、Type II跟蹤環(huán)路、錯誤檢測電路和數(shù)據(jù)接口4個單元，內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。利用頻率選擇引腳(FS1和FS2引腳)，可以輕松地將激勵頻率設(shè)置為10 kHz、12 kHz、15 kHz或20 kHz，本設(shè)計中正弦波激勵頻率為10 kHz。AD2S1205采用Type II跟蹤環(huán)路跟蹤正余弦輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角位置或角速度所對應(yīng)的數(shù)字量，最大跟蹤速率為1 250 rps。

    Type II跟蹤閉環(huán)具體原理如下，AD2S1205產(chǎn)生的輸出角(φ)反饋并與輸入角(θ，電機電角度)進行比較，藉此來跟蹤軸角(θ)；兩個角度之間的差異即誤差，如果轉(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角則該值趨于0。為了測量誤差，將S₁-S₃乘以sinφ，并將S₂-S₄與cosφ相乘。

    KE·(θ-φ)是轉(zhuǎn)子的角誤差與轉(zhuǎn)換器的數(shù)字角輸出之間的差值，依靠解碼芯片內(nèi)部閉環(huán)系統(tǒng)可以將誤差信號歸零。當該目標得以實現(xiàn)時，φ等于旋轉(zhuǎn)角θ，實現(xiàn)角度跟蹤。

2.2 外圍電路

    為向旋變勵磁繞組提供高頻穩(wěn)定的正弦波激勵，并使旋變輸出的正余弦信號滿足解碼芯片的輸入需求，同時保證解碼芯片輸出到單片機的角位置/角速度信號有足夠的驅(qū)動能力，設(shè)計了AD2S1205最小系統(tǒng)的外圍電路。如圖3所示，該外圍電路主要由勵磁電路、信號調(diào)理電路和信號驅(qū)動電路構(gòu)成。

    勵磁電路的設(shè)計需考慮AD2S1205對勵磁繞組的驅(qū)動強度，并且兼顧正弦激勵信號的增益大小，同時還必須對驅(qū)動芯片輸出信號進行一定的濾波除噪處理。如圖4所示，EXC與為AD2S1205勵磁信號的輸出引腳，勵磁信號為中心電壓為2.5 V，峰值電壓為3.6 V的正弦波信號，兩引腳將產(chǎn)生峰值電壓為7.2 V的差分信號。本設(shè)計中旋變變比為0.286，若勵磁電路為單位增益，則旋變輸出到解碼芯片的正余弦信號峰值僅為2 V，滿足不了解碼芯片的輸入電壓要求(輸入端允許電壓3.15 V±27%)，因此選用雙功率運算放大器TCA0372DM對勵磁信號進行放大處理。

    實際中電機角位移/角速度與旋變輸出信號并不成理想的正余弦關(guān)系，信號中會有噪聲干擾和共模干擾，因此不可以將旋變輸出端與AD2S1205輸入端COS、COSLO、SIN、SINLO直接相連，中間需設(shè)計信號調(diào)理電路。如圖5所示，旋變輸出信號經(jīng)COSLOIN、COSIN、SINLOIN、SININ輸入至信號調(diào)理電路，經(jīng)濾波除噪后輸出至解碼芯片端口。 

3 軟件設(shè)計 

    為精確讀取并顯示旋變的角位置信息，兼顧電機角速度的計算，以MCS12DG128單片機為平臺設(shè)計了旋變解碼系統(tǒng)軟件。軟件設(shè)計具體包括單片機初始化、軟件濾波、角位置信息計算、角速度信息計算和CAN通信等部分。

    如圖6所示，程序開始時首先對單片機進行初始化設(shè)置，將總線頻率設(shè)置為32 MHz，12路I/O口設(shè)置成輸入模式，定時器中斷周期設(shè)為1 ms。AD2S1205解碼所得角位置信號經(jīng)12路并行端口輸入至單片機I/O口，經(jīng)計算處理后得到0～2π范圍內(nèi)的電角度。為獲得平穩(wěn)精確的電角度信息，設(shè)計了中值濾波算法，對電角度信號進行軟件濾波處理，根據(jù)濾波后的電角度信息確定電機的換相時序。如圖7所示，在計算角位置的同時，由AD2S1205解碼所得角位置信息計算電機轉(zhuǎn)速，并進行中位值濾波處理。

4 試驗

4.1 試驗平臺

    在試驗平臺設(shè)計中，所用到的設(shè)備主要有：直流開關(guān)電源、MCS12DG128開發(fā)板、永磁同步電機（帶磁阻式旋變）、電機驅(qū)動板、AutoBox和上位機。如圖8所示，開關(guān)電源開啟后，開發(fā)板由旋變解碼板獲得電機的電角度信息，并根據(jù)電角度信息輸出六路PWM信號，控制電機驅(qū)動板換相，進而驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。

4.2 試驗結(jié)果分析

    試驗開始1 s后給電機驅(qū)動板通電，PWM占空比固定為0.1、頻率20 kHz，電機以固定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。圖9給出了電機電角度變化，由于電機逆時針旋轉(zhuǎn)，電角度由6.28～0范圍內(nèi)循環(huán)變化；電角度受電機脈動、硬件噪聲等干擾，并不是斜率不變的直線。圖10表明電機轉(zhuǎn)速在1 s時刻由0 r/min迅速上升，約經(jīng)0.3 s后穩(wěn)定在460 r/min左右波動。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的旋變解碼系統(tǒng)能夠有效地驅(qū)動電機，且能實時輸出電機的轉(zhuǎn)速信息。

5 結(jié)論

    本文分析了磁阻式旋變的工作原理，并基于解碼芯片AD2S1205設(shè)計了旋變解碼系統(tǒng)，最后進行試驗測試。測試結(jié)果表明所設(shè)計的旋變解碼系統(tǒng)可以為電機運轉(zhuǎn)提供電角度信號，且可以實時計算轉(zhuǎn)速信息，滿足電機運轉(zhuǎn)需求。

參考文獻

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作者信息:

李育龍，皮大偉，閆明帥

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京210094)