基于AU6802N1的旋轉(zhuǎn)變壓器信號接口電路的設計和應用

引言

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種模擬型機電元件，為了滿足交流傳動系統(tǒng)數(shù)字化控制的要求，就需要一定的信號接口電路，以實現(xiàn)其模擬信號與控制系統(tǒng)數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)化，這類接口電路是一類特殊的adc，也就是所謂的旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（rdc）。

日本多摩川公司生產(chǎn)的r/d轉(zhuǎn)換芯片au6802n1可以方便地將旋轉(zhuǎn)變壓器的軸角位移信號（模擬信號）轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)所需要的數(shù)字信號，并具有多種標準信號輸出模式，且使用簡單、成本低、可靠性高。本文介紹了au6802n1的功能特性、位置檢測信號的輸出模式，并利用au6802n1設計了旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號測量的外圍接口電路，將其應用于越野電動車交流傳動控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對50kw 4對極交流異步電機轉(zhuǎn)子位置信號的精確測量。

au6802n1簡介

au6802n1的內(nèi)部功能如圖1所示。

提供給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁信號由芯片內(nèi)部產(chǎn)生并通過rso口輸出，其頻率可以設置為10/20khz。

由旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的轉(zhuǎn)速正弦信號和余弦信號分別通過s2－s4，s1－s3口輸入，再經(jīng)10位乘法器與反饋轉(zhuǎn)速的數(shù)字跟蹤量相乘，產(chǎn)生的信號再通過比較器和相位補償及同步校正處理后，得到所需轉(zhuǎn)速的精確數(shù)字量。

轉(zhuǎn)速輸出模式可通過外部引腳fsel1和fsel2設置，轉(zhuǎn)速的數(shù)字量以脈沖形式、并行輸出形式、并行總線形式、spi形式來傳遞給數(shù)字信號處理器。
該芯片內(nèi)部還具有故障自檢，信號線斷路檢測及相位同步檢測等功能。
au6802n1采用tqfp－52封裝，大小僅為10.0×10.0×1.0mm3，工作溫度范圍為-40～125℃。

輸出信號模式

au6802n1有三種輸出信號模式：脈沖接口模式、并行i/o接口模式和并行總線接口模式，這三種信號輸出模式可以通過其芯片引腳outmd、csb、rdb、intb的電平設置來設定。

另外，可編程spi口也為其與dsp之間傳輸電機轉(zhuǎn)子的位置信號提供了理想的接口。在上述三種模式下均可正常工作而不需要任何設置。該芯片所提供的多信號輸出模式為用戶的信號接口電路設計提供了更多的選擇，可以實現(xiàn)不同的用途。

典型電路設計

為了給旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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和旋轉(zhuǎn)變壓器接口的典型電路設計如圖2所示。

雙電源式勵磁電壓booster放大電路參數(shù)設計

提供給旋轉(zhuǎn)變壓器的交流勵磁電壓由rso－com口輸出，頻率由引腳fsel1和fsel2設置，在圖2的電路中，勵磁電壓信號的頻率設置為10khz。勵磁電壓的有效值通過雙電源booster放大電路進行調(diào)節(jié)。該勵磁電壓信號又反饋回r1e－r2e端口，用于實現(xiàn)內(nèi)部相位同步檢測和斷相檢測。電路關(guān)鍵參數(shù)計算如下：

1）根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器參數(shù)的輸入阻抗zro、勵磁電壓vref，計算出勵磁電流iref：
2）根據(jù)勵磁電流iref及推薦的電路參數(shù)ri、rf、cf的范圍來計算旋轉(zhuǎn)變壓器在獲得所需勵磁電流時的電阻riext：

riext＝（vrso×rf）/（iref×ri）
取riext≤（zro/10）[ω] 式中，vrso為rso端口的輸出電壓（2vp－p），取rf≥50kω，ci×ri≥5×10－4[s]，cf×rf≤5×10－6[s]
返回至r1e－r2e口的勵磁電壓信號不能超過vcc（芯片電源電壓），所以，根據(jù)勵磁電壓booster放大電路的電壓+vext來設置電阻參數(shù)rr1和rr2，如表1所示。

旋轉(zhuǎn)變壓器正/余弦信號

輸入電路參數(shù)設計

旋轉(zhuǎn)變壓器正弦信號和余弦信號分別通過s3－s1和s4－s2口輸入，為使信號電平保持在近似于2－3vp－p，需要設置輸入增益。r11、r12、cn、cc組成的低通濾波器可以消除直流偏移并減少輸入信號噪聲值。這部分電路的關(guān)鍵參數(shù)計算如下：

1）輸入增益g設置：
g＝70kω/（ri＋20kω）
其中ri＝ri1＋ri2，電阻值的最大誤差一般為1％，而12位分辨率時的最大誤差應當為0.25％。
2）濾波器時間常數(shù)t的設置：
一般取cc＝1000pf，t＝2×ri1×cn[s]
3）直流偏移電阻的設置：
直流偏移可用于檢測旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號線（s1－s4）的斷路故障，但是會產(chǎn)生r/d轉(zhuǎn)換精度的誤差。因此，rbh和rbl要在遠遠小于旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電阻zss的情況下盡可能取最大值。若直流偏移未設置（例如沒有設置rbh和rbl），則不會產(chǎn)生信號斷路信號。

應用

越野電動車交流傳動系統(tǒng)試驗框圖如圖3所示。由于現(xiàn)場工況條件非常惡劣，選取的速度傳感器需要具備較強的抗沖擊/震動能力和抗溫/濕度變化能力，光電編碼器已無法滿足要求，而采用旋轉(zhuǎn)變壓器的方案可以取得良好的控制效果。

旋轉(zhuǎn)變壓器可以安裝在原來安裝在光電編碼器的位置上，所以對電機的外形尺寸無影響。本文采用圖2所示的接口電路對旋轉(zhuǎn)信號進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對50kw4對極交流異步電動機轉(zhuǎn)速的測量。信號接口電路板既可以與控制電路板設計在一起，也可以單獨做板安裝于電機內(nèi)部。

該試驗系統(tǒng)中控制器采用ti公司的dsp芯片tms320lf2407a，處理速度為40mips，指令周期為25ns，其片上接口資源豐富，控制功能強大，非常適合電機控制應用。本文利用lf2407a內(nèi)部的qep（正交編碼脈沖電路）來接收au6802n1產(chǎn)生的軸位置角度。將兩次相鄰的軸位置角度相減，再乘以極對數(shù)后即可計算控制所需的角度，從而將高精度轉(zhuǎn)速信號直接應用于電機閉環(huán)控制策略，例如適量控制算法中。

結(jié)語

試驗證明本文所設計的電路輸出的位置信號波形品質(zhì)好，毛刺少，抗干擾能力強。

基于au6802n1所設計的旋轉(zhuǎn)變壓器信號接口電路簡單可靠，信號輸出模式靈活，與數(shù)字信號處理器之間接口方便。

芯片au6802n1尺寸小，性價比高，在高可靠性和高精度要求的交流電機控制系統(tǒng)，具有較高的應用價值。