旋轉變壓器數(shù)字轉換器在轉子位置測量中的應用

引言

在軍用車輛交流傳動系統(tǒng)中，由于要適應沖擊震動和溫濕度變化等惡劣的工作環(huán)境，普通檢測轉子位置的光電編碼器很容易損壞，而旋轉變壓器由于其堅固耐用且可靠性高，可以很好地解決這一問題。但旋轉變壓器是一種模擬機電元件，不能滿足數(shù)字化的要求，故需要接口電路實現(xiàn)其模擬信號與控制系統(tǒng)數(shù)字信號之間的相互轉化，這類接口電路是一類特殊的模/數(shù)轉換器，也就是我們常說的旋轉變壓器/數(shù)字轉換器(RDC)。

主要器件及原理

本系統(tǒng)采用日本多摩川公司生產(chǎn)的TS262N21E11無刷旋轉變壓器。電路中主要采用了ADI公司的兩個R/D轉換器AD2S90和程控振蕩器AD2S99，二者要配合使用。

RDC電路設計

AD2S90是RDC電路設計的核心，內部功能模塊主要是由相敏檢測器、乘法器、壓控振蕩器(VCO)、增減計數(shù)器形成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。當旋轉變壓器的兩路定子繞組的輸出信號Esinwtsinq和Esinwtcosq分別送入AD2S90的sin和cos輸入引腳后，經(jīng)過其內部運放再送至乘法器中，此時，若內部增減計數(shù)器輸出的初始數(shù)字角度j也被送入乘法器，則經(jīng)乘法運算后得到的輸出信號為Esinwtcosqsinj和Esinwtsinqcosj，二者再進行相減運算便得到輸出信號Esinwtsin(q-j)，信號中的誤差部分被送入由相敏檢測器、乘法器、壓控振蕩器、增減計數(shù)器形成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使sin(q-j)=0，即q-j=0，此時增減計數(shù)器輸出的數(shù)字角度j就是轉子的位移角度。

AD2S99是專為旋轉變壓器/數(shù)字轉換器提供的勵磁信號源，信號頻率有4種選擇，即2kHz、5kHz、10kHz和20kHz。它不僅為AD2S90提供同步基準電壓信號，同時還給旋轉變壓器提供高品質的正弦波勵磁信號，還具有信號相位補償和信號丟失檢測等優(yōu)點。RDC電路的總體設計方案

旋轉變壓器二次繞組輸出的兩路信號sinj和cosj作為AD2S90的位置角檢測的模擬信號輸入，通過屏蔽雙絞線，分別接到AD2S90相應的輸入端SIN和SINL0。同時，COS和COSL0的信號作為反饋信號接至AD2S99，通過AD2S99內部處理后產(chǎn)生輸出信號SYNREF(為±3Vp-p方波輸出信號且相位與SIN和COS輸入信號保持一致)，連接至AD2S90的REF引腳，用于補償旋轉變壓器一次側到二次側的相位偏差，否則會降低RDC的轉換精度。

AD2S99通過輸出端EXC和/EXC(EXC和/EXC為兩路±2Vrms、8mA的正弦信號，且/EXC相位相對于EXC要超前180°)為旋轉變壓器的勵磁繞組提供所需工作頻率的勵磁信號，勵磁信號的工作頻率可以通過AD2S99的引腳SEL1、SEL2和FBIAS來設置。另外，AD2S99的引腳LOS用于指示SIN和COS信號缺失的檢測情況，正常工作時LOS為低電平;若SIN和COS信號都低于LOS規(guī)定的電壓閾值(Vrms)，則LOS被上拉到高電平VDD。

提供給控制器的位置信號有兩種輸出方式，一是SPI輸出(12位)，最高傳輸速率為2Mbps；二是模擬增量式編碼器輸出，A、B和NM信號，相當于一個1024線增量式編碼器。

電路總體設計方案。接口電路設計還需要注意以下幾點：

1 電路中所有模擬地信號要以星形方式連接至AD2S90的引腳AGND。

2 若旋轉變壓器的信號通過屏蔽雙絞線傳輸時，屏蔽層也要連至 AGND引腳。

3 AD2S99的輸出信號SYNREF與AD2S90的輸入引腳REF相連時，為了減小AD2S99的SYNREF信號的直流偏移，需要添加0.1mF的串聯(lián)電容和100KW的對地電阻。

RDC電路在4對極感應電機測速系統(tǒng)的試驗波形，此時電機轉子頻率為63.4Hz，旋轉變壓器的原邊輸入勵磁信號頻率設置為10KHz。其中RDC電路的輸入波形，即由旋轉變壓器副邊的兩個繞組分別輸出的正弦信號和余弦信號;RDC電路的輸出波形，即以正交編碼脈沖形式提供給DSP的位置測量信號。可見，輸入波形的品質好，達到了RDC的設計要求；輸出的轉子位置信號波形符合DSP的QEP電路接收要求，而且脈沖正交性好，無毛刺，保證了DSP對位置信號的采樣精度。

結語

該數(shù)字旋轉變壓器最大的優(yōu)點在于其簡單、可靠的硬件電路和較高的精度與分辨率，本方案在軍用裝甲車交流傳動系統(tǒng)中很好地實現(xiàn)了異步電機轉子位置信號的精確測量。