一種旋轉(zhuǎn)變壓器位置解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1.引言

隨著永磁同步電機(jī)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天等各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，永磁同步電機(jī)在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域也得到同步發(fā)展。眾所周知，永磁同步電機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，需要安裝位置傳感器來檢測(cè)位置信號(hào)。因旋轉(zhuǎn)變壓器(簡(jiǎn)稱旋變)通過與相應(yīng)的解碼芯片配合即可對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，所以旋變作為較為可靠的絕對(duì)位置傳感器被廣泛采用。目前很多專家學(xué)者開始研究旋變位置解碼系統(tǒng)[1-4]，隨著旋變及其解碼芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，旋變的可靠性更高，解碼電路也更加緊湊。本文采用當(dāng)前最新一代可變磁阻旋變和與之配合的解碼芯片AD2S1205，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的旋變位置解碼系統(tǒng)，并通過測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

2.旋變工作原理

旋變的通常配置是初級(jí)繞組位于轉(zhuǎn)子上，兩個(gè)二次繞組位于定子上。本系統(tǒng)采用的可變磁阻旋變的轉(zhuǎn)子上則不存在繞組，如圖1所示，初級(jí)繞組和二次繞組均位于定子上，轉(zhuǎn)子的這種特殊設(shè)計(jì)可使得次級(jí)耦合隨著角位置變化而發(fā)生正弦變化。

無論何種配置，旋變正弦繞組的輸出電壓是S1-S3，余弦繞組的輸出電壓是S2-S4，如(1)式和(2)式所示。其中：θ為軸角，ω為轉(zhuǎn)子激勵(lì)角頻率，E0為轉(zhuǎn)子激勵(lì)幅度。

可變磁阻旋變初級(jí)繞組采用交流基準(zhǔn)源激勵(lì)，兩個(gè)次級(jí)繞組機(jī)械上交叉90°。定子二次繞組上耦合出的電壓幅度是轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子角位置θ的函數(shù)，旋變輸出信號(hào)如圖2所示。

轉(zhuǎn)換器跟蹤軸角θ的原理為，轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出角φ，然后反饋φ以與輸入角θ相比較。當(dāng)轉(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角度時(shí)，二者之間的誤差將被驅(qū)動(dòng)至0。為了測(cè)量誤差，將(1)式乘以cosφ，(2)式乘以sinφ，其差值為：

當(dāng)角度誤差(θ-φ)的值很小時(shí)，(4)式即近似等于0E(θ-φ)。AD2S1205具備一個(gè)由相位敏感解調(diào)器、積分器和補(bǔ)償濾波器形成的閉環(huán)系統(tǒng)，可力求使誤差信號(hào)歸零。當(dāng)該目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)，在轉(zhuǎn)換器的額定精度范圍內(nèi)，輸出角φ即等于旋變角度θ。

3.硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)是圍繞AD公司的解碼芯片AD2S1205展開的。首先，該芯片是一款完整的12位分辨率跟蹤分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置可編程正弦波振蕩器，為旋變提供正弦波激勵(lì)，工作頻率范圍為8.192MHz±25%。該芯片采用Type II跟蹤環(huán)路，可用于跟蹤輸入信號(hào)，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為角度和速率所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，其最大跟蹤速率是外部時(shí)鐘頻率的函數(shù)。Type II跟蹤環(huán)路能夠連續(xù)輸出位置數(shù)據(jù)，且沒有轉(zhuǎn)換延遲，它還能提供噪聲抑制，以及參考和輸入信號(hào)的諧波失真容限。

圖3為旋變解碼電路原理圖。首先由AD2S1205解碼芯片產(chǎn)生差分正弦勵(lì)磁信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)放放大、跟隨后，通過推挽的方式輸出到電機(jī)旋變。電機(jī)旋變返回的差分信號(hào)S1-S3、S2-S4，經(jīng)IC26運(yùn)算后送AD2S1205進(jìn)行處理。SINLO和COSLO同時(shí)接入到REFOUT的目的是增強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性，信號(hào)放大倍數(shù)為1.5。

針對(duì)故障檢測(cè)，芯片內(nèi)部有相關(guān)的故障檢測(cè)功能，其相關(guān)故障的優(yōu)先等級(jí)和故障碼如表1所示。

電平轉(zhuǎn)換芯片采用74ALVCH164245，此芯片把旋變信號(hào)轉(zhuǎn)為3.3V后送單片機(jī)，其電路如圖4所示。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1 復(fù)位時(shí)序

圖5為AD2S1205復(fù)位驅(qū)動(dòng)時(shí)序。

當(dāng)AD2S1205的電源電壓小于4.5V時(shí)，AD2S1205處于低電壓復(fù)位狀態(tài)，LOT/DOS同時(shí)為低電平指示，系統(tǒng)復(fù)位無信號(hào)。當(dāng)電源電壓超過4.5V以后，RESET管腳需保持有效電平至少10μs以上，使得AD2S1205芯片復(fù)位。在復(fù)位無效后，AD2S1205需要至少20ms時(shí)間，使得內(nèi)部電路能夠穩(wěn)定工作，并且追蹤電路能夠穩(wěn)定追蹤輸入角度。經(jīng)過20ms的穩(wěn)定工作時(shí)間后，SAMPLE有效并且保持一段時(shí)間，復(fù)位軟件流程如圖6所示。