1 引 言

基于電磁感應(yīng)原理的旋轉(zhuǎn)變壓器(Resolver)，有時(shí)又稱為解算器，是一種精密控制電機(jī)，在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，完成軸角位移信息的檢測(cè)功能。由于它是模擬機(jī)電元件，所以，當(dāng)其用于數(shù)字系統(tǒng)中，就需要一定的接口電路，即旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字變換器(RDC)，以實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)到控制系統(tǒng)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，美國(guó)ADI公司已將它發(fā)展成為一系列的單片集成電路，從而彌補(bǔ)了過(guò)去由分立元件搭成的RDC體積大、可靠性低的不足，給工程應(yīng)用帶來(lái)了極大的方便。由旋轉(zhuǎn)變壓器和AD2S83就可以構(gòu)成高精度的電動(dòng)助力角位置檢測(cè)系統(tǒng)，而且AD2S83輸出的模擬速度信號(hào)還可以作為速度反饋信號(hào)以構(gòu)成電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的速度回路。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是按照電磁感應(yīng)原理而工作的元件，其定、轉(zhuǎn)子上都有繞組，彼此同心安排，互相耦合聯(lián)系，旋轉(zhuǎn)變壓器采用正交的兩相繞組，它主要用于角度位置控制系統(tǒng)中，作為角度位置檢測(cè)元件。若旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁電壓為E=Esinwt，則正交的A、B兩相繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為：

其中，θ為旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，是絕對(duì)位置。

3 AD2S83簡(jiǎn)介

AD2S83是美國(guó)ADI公司推出的以BiMOS II工藝制造的，將先進(jìn)的CMOS邏輯電路與高精度雙極線性電路相結(jié)合的單片集成電路。它功耗低(300mW)，其數(shù)字輸出分辨率可被用戶設(shè)置成10，12，14或16位，并具有速度輸出信號(hào)可供用戶作為速度回路的速度反饋信號(hào)使用，以取代測(cè)速發(fā)電機(jī)等測(cè)速元件，從而縮小了系統(tǒng)的體積。 AD2S83按圖1連接后，就構(gòu)成一個(gè)工作于II型伺服環(huán)的跟蹤式RDC，其數(shù)字輸出能以選取的最大跟蹤速率自動(dòng)跟蹤軸角輸入，沒(méi)有靜態(tài)誤差。由于它在把旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制時(shí)，采用比率式跟蹤方法，輸出的數(shù)字角僅與SIN和COS輸人信號(hào)的比值有關(guān)，而與它們的絕對(duì)值大小無(wú)關(guān)，因此，AD2S83對(duì)輸人信號(hào)的幅值和頻率變化不敏感，不必使用穩(wěn)定、精確的振蕩器來(lái)產(chǎn)生參考信號(hào)，而仍能保證精確度。轉(zhuǎn)換環(huán)路中相敏檢測(cè)器的存在保證了對(duì)參考信號(hào)中的正交分量有很高的抑制能力。另外，它抑制噪聲、諧波的能力強(qiáng)。AD2S83突出的優(yōu)點(diǎn)就在于它可由用戶選擇相應(yīng)的參數(shù)來(lái)優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能。
圖1

4 角位置檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，就是要正確地選擇AD2S83的外圍元件。下面就介紹AD2S83外圍元件的選擇。應(yīng)注意選用量接近理想值的元件，并工作于允許的溫度范圍內(nèi)。選用誤差等級(jí)為5%的元件并不會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的性能。參見(jiàn)圖1。

4．1 高頻濾波器元件R1、R2、C1、C2的選擇

高頻濾波器的作用是消除直流偏置和減少進(jìn)入到AD2S83信號(hào)中的噪聲，因?yàn)樗鼈冇绊懴嗝魴z測(cè)器的輸出。在有來(lái)自開(kāi)關(guān)電源和無(wú)刷電機(jī)的噪聲時(shí)，其作用尤其重要。元件參數(shù)
的選擇如下：

C1=C2=15k ≤R1=R2≤56k (3)
(4)

其中， 為參考頻率
當(dāng)取R2＝R3，C1＝C3時(shí)，只R1、C2可以省略。
注意：由于該高頻濾波器對(duì)輸入到相敏檢測(cè)器的信號(hào)有3倍的衰減，因此，它會(huì)影響環(huán)路的增益。

4．2 增益比例電阻R4的選擇

若C1，C2滿足(3)式和(4)式，則
(5)
否則
(6)

其中，100 10 電流/LSB；

4.3 R3、C3的選擇

合適的R3、C3使信號(hào)在參考頻率上沒(méi)有明顯的相位移，兩元件為：
(7)
4.4 最大跟蹤速率的選擇
VCO的輸入電阻R6用來(lái)設(shè)置變換器的量大跟蹤速率。若在量大跟蹤速率時(shí)，速度輸出為8V，則R6為：
(8)
其中，T不能超過(guò)最大跟蹤速率或參考信號(hào)頻率的l／16，N為輸出分辨率。

4.5 閉環(huán)帶寬的選擇

選擇閉環(huán)帶寬( )時(shí)，必須保證參考頻率與閉環(huán)帶寬的比率不超過(guò)表l所示的指標(biāo)。
表1如下：

當(dāng)參考頻率為400Hz時(shí)，帶寬的典型值為100Hz，當(dāng)參考頻率為5kHz時(shí)，帶寬的典型值為500Hz到1000Hz。C4，C5，R5按下式選擇：
(9)



4．6 VC0相位補(bǔ)償

4.7 偏置調(diào)整

積分器輸入端的漂移與偏置電流會(huì)引起變換器輸出端額外的位置漂移，如果能忽略漂移，則可省略R8，R9，否則應(yīng)取R8＝4.7M ，R9＝1M (電位器)。為了減小零點(diǎn)漂移，首先選擇好AD2S83的外圍元件，并斷開(kāi)AD2S83與旋轉(zhuǎn)變壓器的連接，然后連接COS與REFERENCE INPUT兩個(gè)引腳，SIN與SIGNAL GROUND兩個(gè)引腳，加上電源與參考信號(hào)后，調(diào)節(jié)電位器R9，使輸出為全“0”。
圖2

4.8 輸出分辨率的選擇

AD2S83的輸出分辨率可以通過(guò)SC1，SC2 兩個(gè)管腳的邏輯狀態(tài)被用戶設(shè)置為lO，12，14，16位，具體見(jiàn)表2

5 AD2S83在EPS系統(tǒng)中的應(yīng)用

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須滿足很高的實(shí)時(shí)性和較高的精度要求，同時(shí)要確保其具有高的可靠性。基于無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器與AD2S83集成電路的優(yōu)點(diǎn)，選用高可靠性的無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器與AD2S83構(gòu)成這EPS系統(tǒng)角位置檢測(cè)系統(tǒng)，并以AD2S83的模擬速度輸出信號(hào)作為速度反饋信號(hào)構(gòu)成EPS系統(tǒng)的速度回路是設(shè)計(jì)這些EPS系統(tǒng)時(shí)較好的選擇。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。

5.1位置檢測(cè)單元硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，選擇分辨率為12bit，勵(lì)磁頻率為5KHz，最大跟蹤頻率為260rps，帶寬為520Hz。按照上述計(jì)算方法選定AD2S83的外圍元件后，即可設(shè)計(jì)出速度反饋與位置檢測(cè)電路。硬件連接圖如下：

在具體實(shí)現(xiàn)該電路時(shí)應(yīng)注意十Vs，-Vs 與 ANALOG GROUND 之間，+VL與DIGITAL GROUND之間要分別并聯(lián)100uF(陶瓷)和lOuF(鉭)的去耦電容，它們應(yīng)盡量靠近AD2S83變換器放置，而且每個(gè)變換器都應(yīng)有自己?jiǎn)为?dú)的去耦電容。旋變的兩個(gè)信號(hào)接地端應(yīng)連到變換器的SIGXAL GROUND管腳，以減少正、余弦信號(hào)間的耦合，另外，旋變的正、余弦信號(hào)以及參考信號(hào)最好分別使用雙絞屏蔽線。

5.2 AD2S83與單片機(jī)的連接
下面介紹單片機(jī)對(duì)AD2S83 RDC的操作，在此之前先對(duì)AD2S83變換器的控制信號(hào)加以簡(jiǎn)單的說(shuō)明：

輸入：信號(hào)只禁止可逆計(jì)數(shù)器向輸出鎖存器傳送數(shù)據(jù)，并不打斷跟蹤環(huán)的工作，釋放該信號(hào)將自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)BUSY，并刷新輸出鎖存器。

輸入：信號(hào)決定了輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)，高電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)管腳保持在高阻狀態(tài)。低電平時(shí)，允許輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)傳送到輸出管腳上。對(duì)的操作不會(huì)影響變換器的工作。

BYTESELECT輸入：無(wú)論該信號(hào)的狀態(tài)如何當(dāng)為低電平時(shí)，低位字節(jié)就將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DB9—DBl6上。當(dāng)BYTE SELECT為高電平時(shí)．高8位字節(jié)將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DBl—DB8上；當(dāng)BYTE SELECT為低電平時(shí)，低8位字節(jié)將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DBl—DB8上．它們同時(shí)也出現(xiàn)在DB9—DBl6上。

速度信號(hào)：速度信號(hào)是由積分器輸出的與速度成正比的直流信號(hào)，在許多情況下可以使用該信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)。

5.3單片機(jī)對(duì)AD2S83讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程：

首先對(duì)AD2S83施加

信號(hào)，阻止鎖存器的刷新．當(dāng)被置為低電平并延遲600ns后數(shù)據(jù)有效．單片機(jī)對(duì)BYTE SELECT 操作，把信號(hào)置為低電平后，即可讀取數(shù)據(jù)。讀完數(shù)據(jù)后，應(yīng)立即釋放信號(hào)．把它置為高電平．以使輸出鎖存器能被刷新.該過(guò)程可以通過(guò)下面的時(shí)序圖來(lái)表示：

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了AD2S83RDC集成電路的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了由該集成電路和旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成的EPS系統(tǒng)中位置檢測(cè)系統(tǒng)，并已成功的應(yīng)用到市科委在汽車學(xué)院的EPS項(xiàng)目當(dāng)中。經(jīng)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)具有誤差小、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。