光電編碼器因測量精度高，在伺服用永磁同步電機位置檢測中廣泛應用。但它有抗震性差的缺點，難以適應惡劣工況。旋轉變壓器具有抗震性好、耐腐蝕、耐高溫和易實現(xiàn)高速位置檢測的優(yōu)點，通常在礦山、紡織用伺服系統(tǒng)、航空用電力作動系統(tǒng)等惡劣環(huán)境中應用。

旋轉變壓器與光電編碼器不同，它是一種機電元件,需要將其輸出的模擬電壓信號轉換為數(shù)字信號才可輸入到dsp控制芯片。本文選用多摩川公司的旋轉變壓器數(shù)字轉換器(rdc)au6802n1，設計了一套旋變解碼的接口電路板。同時基于永磁電機矢量控制平臺對該接口電路進行了實驗驗證。實驗表明該設計方案確實可行，并取得了較好的位置檢測效果。

旋轉變壓器原理



圖1 旋轉變壓器的結構

旋轉變壓器是一種單相激勵雙相輸出無刷旋轉變壓器。如圖1所示，激磁繞組(原邊)r1-r2和兩套輸出相互正交的繞組(副邊)s4-s2、s3-s1同在定子側，固定在電機定子上，轉子與電機轉子同軸安裝。當原邊的激磁繞組流過正弦電流時，副邊輸出繞組兩端會感應出同頻率的電勢，電勢的大小與定轉子間的相對電角度有關。

假設原邊輸入電壓為：

(1)

則副邊輸出電壓滿足：

(2)

(3)

其中，ω為激磁電源的角頻率；us4-s2,us3-s1為兩相正交繞組(正弦繞組和余弦繞組)的輸出電壓。k為傳輸電壓比，θ為轉子位置角。

本設計旋轉變壓器選用多摩川公司的ts2640n321e64。其主要性能參數(shù)如表1所示。

au6802n1工作原理



圖2 au6802n1解碼原理圖

圖2給出了au6802n1芯片解碼的原理框圖。由圖可知，au6802n1內(nèi)部是一個閉環(huán)系統(tǒng)。旋轉變壓器的四線端輸出來的信號通過調(diào)理電路進入au6802n1芯片的s1、s2、s3和s4端，經(jīng)過處理輸出到余弦和正弦乘法器上。通過后級的加減電路，得vsr=kesinωt×sin(θ-)此時根據(jù)外部激勵r1、r2端的同步相位檢測器的當前狀態(tài)，從代表了某一起始角鱟攀鄭黃魘醞劑鶻謔紙泅，使該角等于待測模擬角并跟蹤θ。當調(diào)整到vsr=0時，即有=θ。此時可逆計數(shù)器的字狀態(tài)齙淖喚峁?，紕?chuàng)砹誦溲蠱魘涑齙鬧嶠鉛鵲畝剖種?。该数追N悼梢運透撲慊允凈駾sp控制芯片進行處理。

au6802n1控制位設定

au6802n1可以通過設定對應的控制位來選擇工作模式。其控制位主要分為以下幾種：

(1) 輸出模式設置：輸出模式分為三種——并行i/o口模式、spi通信模式、abz脈沖模式，可通過outmd、csb、rdb、intb四個引腳的電平來設定，詳細設定參考文獻[1]。

(2) 系統(tǒng)控制模式設置：通過設定acmd引腳電平得到。acmd=h時，系統(tǒng)選擇加速模式；反之，選擇正常模式。通常運行時設定為正常模式，當角加速度較大時，切換到加速模式，可以獲得更高的位置檢測精度。

(3) 分辨率設置：mdsel=h時，輸出數(shù)據(jù)選擇12位；反之，輸出數(shù)據(jù)選擇10位。

(4) 極對數(shù)設置：電機的極對數(shù)設置可通過設定xsel1和xsel2引腳得到，如下表2所示。

(5) 勵磁頻率設置：勵磁信號rso頻率可通過設定fsel1和fsel2得到，如表3所示。

(6) 測試模式設置：可通過引腳test1和test2設定。通常將兩引腳都拉高至vdd，不影響正常工作。

本設計選取au6802n1工作在脈沖輸出模式和spi通信模式，數(shù)據(jù)分辨率為12位，極對數(shù)設定為1，勵磁頻率為10k，控制模式為正常模式，測試位不使能。其電路圖如圖3所示，圖中所有電阻值均為33ω。



圖3 控制位設定電路圖

外圍主電路設計

為了給旋轉變壓器的勵磁繞組提供滿足要求的高品質(zhì)正弦波勵磁信號，同時使所接收到的旋轉變壓器正/余弦信號能夠滿足芯片對輸入信號幅值與相位的要求，需要加入額外的信號處理電路。

au6802n1外圍主電路包括激勵調(diào)理電路、反饋濾波調(diào)理電路和dsp接口電路。電路圖如圖4所示。



圖4 au6802n1外圍主電路電路圖

激勵調(diào)理電路設計

激勵調(diào)理電路設計激勵信號調(diào)理電路是用來給旋轉變壓器提供激勵輸入信號。au6802n1芯片的rso/com輸出的激勵信號是基于2.5v且vp-p=2v的31級內(nèi)插正弦波(vrso=1.5v～3.5v的正弦波電壓)，輸出功率太小，是不能直接驅動旋轉變壓器勵磁繞組的。因此需要設計激勵調(diào)理電路，完成激勵信號放大的任務。

激勵調(diào)理電路的拓撲分為雙電源和單電源供電兩種，本文選取雙電源booster功率放大電路，可節(jié)省器件開銷。電路基本工作原理為rso/com輸出經(jīng)過隔直電容ci后，取到有效的交流信號，再經(jīng)過后級的運放和npn、pnp三極管互補推挽電路進行功率放大，最終得到正弦度較好的激磁電壓信號。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加入cf來補償相位。輸出勵磁信號的幅值可通過調(diào)節(jié)rext來實現(xiàn)。參數(shù)設計通常滿足以下原則：rex≤zro/10ω(zro為旋變輸入阻抗，見表1)，rf≥50kω，ri×ci>500μs，rf×cf<5μs。本設計方案參數(shù)選取分別為：運放選用tl082c，±v為±15v，c0=470pf，ri=22k，ci=0.01uf，rf=100k，cf=100pf，r1=r2=3.3k，r3=r4=4.7ω，rext=10ω。



圖5 au6802n1接口電路板

反饋濾波調(diào)理電路設計

旋轉變壓器輸出的正余弦信號是不能直接送給rdc的，里面可能含有許多干擾信號，必須經(jīng)過調(diào)理濾波，滿足要求之光電編碼器因測量精度高，在伺服用永磁同步電機位置檢測中廣泛應用。但它有抗震性差的缺點，難以適應惡劣工況。旋轉變壓器具有抗震性好、耐腐蝕、耐高溫和易實現(xiàn)高速位置檢測的優(yōu)點，通常在礦山、紡織用伺服系統(tǒng)、航空用電力作動系統(tǒng)等惡劣環(huán)境中應用。

旋轉變壓器與光電編碼器不同，它是一種機電元件,需要將其輸出的模擬電壓信號轉換為數(shù)字信號才可輸入到dsp控制芯片。本文選用多摩川公司的旋轉變壓器數(shù)字轉換器(rdc)au6802n1，設計了一套旋變解碼的接口電路板。同時基于永磁電機矢量控制平臺對該接口電路進行了實驗驗證。實驗表明該設計方案確實可行，并取得了較好的位置檢測效果。

旋轉變壓器原理



圖1 旋轉變壓器的結構

旋轉變壓器是一種單相激勵雙相輸出無刷旋轉變壓器。如圖1所示，激磁繞組(原邊)r1-r2和兩套輸出相互正交的繞組(副邊)s4-s2、s3-s1同在定子側，固定在電機定子上，轉子與電機轉子同軸安裝。當原邊的激磁繞組流過正弦電流時，副邊輸出繞組兩端會感應出同頻率的電勢，電勢的大小與定轉子間的相對電角度有關。

假設原邊輸入電壓為：

(1)

則副邊輸出電壓滿足：

(2)

(3)

其中，ω為激磁電源的角頻率；us4-s2,us3-s1為兩相正交繞組(正弦繞組和余弦繞組)的輸出電壓。k為傳輸電壓比，θ為轉子位置角。

本設計旋轉變壓器選用多摩川公司的ts2640n321e64。其主要性能參數(shù)如表1所示。

au6802n1工作原理



圖2 au6802n1解碼原理圖

圖2給出了au6802n1芯片解碼的原理框圖。由圖可知，au6802n1內(nèi)部是一個閉環(huán)系統(tǒng)。旋轉變壓器的四線端輸出來的信號通過調(diào)理電路進入au6802n1芯片的s1、s2、s3和s4端，經(jīng)過處理輸出到余弦和正弦乘法器上。通過后級的加減電路，得vsr=kesinωt×sin(θ-)此時根據(jù)外部激勵r1、r2端的同步相位檢測器的當前狀態(tài)，從代表了某一起始角鱟攀鄭黃魘醞劑鶻謔紙泅，使該角等于待測模擬角并跟蹤θ。當調(diào)整到vsr=0時，即有=θ。此時可逆計數(shù)器的字狀態(tài)齙淖喚峁?，紕?chuàng)砹誦溲蠱魘涑齙鬧嶠鉛鵲畝剖種?。该数追N悼梢運透撲慊允凈駾sp控制芯片進行處理。

au6802n1控制位設定

au6802n1可以通過設定對應的控制位來選擇工作模式。其控制位主要分為以下幾種：

(1) 輸出模式設置：輸出模式分為三種——并行i/o口模式、spi通信模式、abz脈沖模式，可通過outmd、csb、rdb、intb四個引腳的電平來設定，詳細設定參考文獻[1]。

(2) 系統(tǒng)控制模式設置：通過設定acmd引腳電平得到。acmd=h時，系統(tǒng)選擇加速模式；反之，選擇正常模式。通常運行時設定為正常模式，當角加速度較大時，切換到加速模式，可以獲得更高的位置檢測精度。

(3) 分辨率設置：mdsel=h時，輸出數(shù)據(jù)選擇12位；反之，輸出數(shù)據(jù)選擇10位。

(4) 極對數(shù)設置：電機的極對數(shù)設置可通過設定xsel1和xsel2引腳得到，如下表2所示。

(5) 勵磁頻率設置：勵磁信號rso頻率可通過設定fsel1和fsel2得到，如表3所示。

(6) 測試模式設置：可通過引腳test1和test2設定。通常將兩引腳都拉高至vdd，不影響正常工作。

本設計選取au6802n1工作在脈沖輸出模式和spi通信模式，數(shù)據(jù)分辨率為12位，極對數(shù)設定為1，勵磁頻率為10k，控制模式為正常模式，測試位不使能。其電路圖如圖3所示，圖中所有電阻值均為33ω。



圖3 控制位設定電路圖

外圍主電路設計

為了給旋轉變壓器的勵磁繞組提供滿足要求的高品質(zhì)正弦波勵磁信號，同時使所接收到的旋轉變壓器正/余弦信號能夠滿足芯片對輸入信號幅值與相位的要求，需要加入額外的信號處理電路。

au6802n1外圍主電路包括激勵調(diào)理電路、反饋濾波調(diào)理電路和dsp接口電路。電路圖如圖4所示。



圖4 au6802n1外圍主電路電路圖

激勵調(diào)理電路設計

激勵調(diào)理電路設計激勵信號調(diào)理電路是用來給旋轉變壓器提供激勵輸入信號。au6802n1芯片的rso/com輸出的激勵信號是基于2.5v且vp-p=2v的31級內(nèi)插正弦波(vrso=1.5v～3.5v的正弦波電壓)，輸出功率太小，是不能直接驅動旋轉變壓器勵磁繞組的。因此需要設計激勵調(diào)理電路，完成激勵信號放大的任務。

激勵調(diào)理電路的拓撲分為雙電源和單電源供電兩種，本文選取雙電源booster功率放大電路，可節(jié)省器件開銷。電路基本工作原理為rso/com輸出經(jīng)過隔直電容ci后，取到有效的交流信號，再經(jīng)過后級的運放和npn、pnp三極管互補推挽電路進行功率放大，最終得到正弦度較好的激磁電壓信號。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加入cf來補償相位。輸出勵磁信號的幅值可通過調(diào)節(jié)rext來實現(xiàn)。參數(shù)設計通常滿足以下原則：rex≤zro/10ω(zro為旋變輸入阻抗，見表1)，rf≥50kω，ri×ci>500μs，rf×cf<5μs。本設計方案參數(shù)選取分別為：運放選用tl082c，±v為±15v，c0=470pf，ri=22k，ci=0.01uf，rf=100k，cf=100pf，r1=r2=3.3k，r3=r4=4.7ω，rext=10ω。



圖5 au6802n1接口電路板

反饋濾波調(diào)理電路設計

旋轉變壓器輸出的正余弦信號是不能直接送給rdc的，里面可能含有許多干擾信號，必須經(jīng)過調(diào)理濾波，滿足要求之后，才能送給rdc。反饋調(diào)理濾波電路有4個功能：設定輸入增益、抑制共模干擾、過濾外界噪音干擾、檢測s1-s4斷線故障。

輸入增益的選取原則為：根據(jù)旋變信號(s1-s4)電壓級別，將信號調(diào)整到大概為2-3倍的vp-p，才能送給au6802n1。由此可確定增益g的大小，同時g滿足如下計算公式：

(4)

電阻ri1、ri2選用精度與輸出數(shù)據(jù)分辨率有關。輸出數(shù)據(jù)分辨率為10位時，電阻精度≤1%；分辨率為12位時，電阻精度≤0.25%。

電路中, 兩個電容cc的參數(shù)相同，起抑制共模干擾信號的作用；電容cn 和兩個ri1電阻構成了低通濾波器，過濾外界噪音干擾，濾波器定時常數(shù)由外部環(huán)境決定，計算公式為：

(5)

直流電源vext和電阻rbh、rbl起檢測信號線s1-s4斷線故障的作用，取值通常在小于旋變輸出阻抗范圍內(nèi)盡可能大。

結合表1、公式(4)和(5)，本設計選取反饋濾波調(diào)理電路各參數(shù)為：ri1=200k/1‰，ri2=20k/1‰，cn=100pf，rh=68k，rl=20k，cc=1000pf。

旋變勵磁信號反饋給r1e、r2e時，必須串入電阻進行分壓，分壓之后的電壓不能超過au6802n1供電電源vcc。本設計取rr1=rr2=240k。此外，當旋轉變壓器信號s1-s3和s2-s4的激勵單元和激勵旋轉變壓器的外部輸入信號r1e與r2e間有相位差，則r/d轉換器的環(huán)路增益會相應地下降。通常相位差>10°這可以通過增加電容調(diào)節(jié)電路相位差。由表1可知，勵磁信號輸入相移<-5°，可以不加電容進行相位補償。

dsp接口電路設計

dsp接口電路為轉速數(shù)字信號提供了方便的接口。數(shù)據(jù)傳送方式分為三種：并行i/o口模式，abz脈沖模式，spi通信模式。本設計采用后兩種方式。由于au6802n1的輸出數(shù)字信號為5v電平，dsp為3.3v電平，因此中間需要加入電平轉換芯片，保證電平的匹配。

如圖5所示，為au6802n1硬件接口電路板。提供了四種接口：分別為電源接口、旋變接口、abz脈沖信號接口和spi通信接口。電源接口提供給au6902n1的供電電壓+5v和旋變勵磁供電電壓±15v，旋變信號接口提供旋變勵磁信號和接受正余弦反饋信號，同時該板兼容兩種轉速信號輸出方式：spi通信方式和abz脈沖信號方式，實際應用時可供不同需要靈活選取，且互不沖突，易實現(xiàn)與dsp通信。

仿真與實驗研究

利用saber對au6802n1外圍主電路電路圖進行仿真，激磁調(diào)理電路仿真結果如圖6所示。將硬件電路板應用在五對極永磁同步電機驅動系統(tǒng)中，此時試驗中給定旋變勵磁信號為10khz，當電機工作在5000rpm時，測試結果為：圖7為au6802n1接收到的旋變正弦信號和余弦信號波形圖。圖8為au6802n1 以脈沖接口工作模式輸出給dsp控制器后，輸出的實際轉子位置波形圖。由此可見，該硬件電路及其參數(shù)設計正確可行。



圖6 激勵調(diào)理電路仿真波形



圖7 旋變正余弦信號波形



圖8 轉子位置波形圖

結語

基于多摩川公司的au6802n1所設計的旋轉變壓器信號接口電路簡單可靠，信號輸出模式靈活，與dsp數(shù)字信號處理器之間接口方便。通過仿真和實驗可見，該接口電路輸出的位置信號波形品質(zhì)好，無毛刺并具備很強抗干擾能力，可實現(xiàn)位置檢測，并具有較高的精度，因此本文設計的au6802n1硬件接口電路及其參數(shù)正確可行。這在高可靠性和高速運行的交流伺服系統(tǒng)中，具有很高的應用價值