角位置檢測(cè)系統(tǒng)及其在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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。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（resolver）是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種測(cè)量角度用的小型交流電動(dòng)機(jī)，用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁頻率通常用400、3000及5000HZ等。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過(guò)電磁耦合得到感應(yīng)電壓。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對(duì)固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的改變，因而其輸出電壓的大小隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。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：

旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對(duì)磁極，四極繞組則各有兩對(duì)磁極，主要用于高精度的檢測(cè)系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對(duì)式檢測(cè)系統(tǒng)。

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。

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

濾波器是由電感器和電容器構(gòu)成的網(wǎng)路，可使混合的交直流電流分開(kāi)。電源整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動(dòng)直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。最基本的濾波器，是由一個(gè)電容器和一個(gè)電感器構(gòu)成，稱為L(zhǎng)型濾波。所有各型的濾波器，都是集合L型單節(jié)濾波器而成?；締喂?jié)式濾波器由一個(gè)串聯(lián)臂及一個(gè)并聯(lián)臂所組成，串聯(lián)臂為電感器，并聯(lián)臂為電容器。在電源及聲頻電路中之濾波器，最通用者為L(zhǎng)型及π型兩種。

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)

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

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”。

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

EPS板保溫體系是由特種聚合膠泥、EPS板，耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布稱和飾面材料組成。集保溫、防水、防火，裝飾功能為一體的新型建筑構(gòu)造體系。該技術(shù)將保溫材料置于建筑物外墻外側(cè)，不占用室內(nèi)空間，保溫效果明顯，便于設(shè)計(jì)建筑外形。EPS泡沫是一種熱塑性材料，每立方米體積內(nèi)含有300--600萬(wàn)個(gè)獨(dú)立密閉氣泡，內(nèi)含空氣的體積為98%以上，由于空氣的熱傳導(dǎo)性很小，且又被封閉于泡沫塑料中而不能對(duì)流，所以EPS是一種隔熱保溫性能非常優(yōu)良的材料。 用途：用于建筑內(nèi)外墻保溫、地?zé)岵膳?、冷?kù)、冷藏室、輕體房、低溫箱、保鮮箱 產(chǎn)品規(guī)格（mm）：尺寸：1250×6000×600　1000×2000×500 厚度：0.5-600 注：按用戶要求生產(chǎn)各種規(guī)格 技術(shù)指標(biāo) 密度（kg/m3）：15-30 導(dǎo)熱系數(shù)（W/mh）：0.041 抗拉強(qiáng)度（kg/m2）：2.5-3.5 尺寸穩(wěn)定性使用溫度（℃）：+70

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?；跓o(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)

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：

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：

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，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)。