優(yōu)化移動控制:發(fā)揮旋轉(zhuǎn)變壓器的最大效能
旋轉(zhuǎn)變壓器監(jiān)視旋轉(zhuǎn)單元(例如電機轉(zhuǎn)軸和齒輪)的軸間角,并將位置數(shù)據(jù)發(fā)送回運動控制系統(tǒng)。該器件的設(shè)計使它能夠顯著減少電噪聲和振動的影響。例如,旋轉(zhuǎn)變壓器工作頻率相對較低,可以對其分量進(jìn)行通帶限制,從而減少了對噪聲的敏感度。由于器件不含電子元件(只有磁性元件),它更適應(yīng)振動和極端溫度環(huán)境。
工業(yè)級旋轉(zhuǎn)變壓器的精度達(dá)到5-10弧度分,大概相當(dāng)于11-12比特(圖1)。為使旋轉(zhuǎn)變壓器達(dá)到最佳精度,必須對誤差源進(jìn)行補償,并需要理解旋轉(zhuǎn)變壓器和信號處理單元的原理。
圖1、角度精度和數(shù)字分辨率
可以把旋轉(zhuǎn)變壓器看成是有一個初級和兩個次級的旋轉(zhuǎn)變壓器。初級和每個次級的耦合隨轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而變化。感應(yīng)電壓在零和最大值之間變化,和初級同相或者180°反相。圖2所示為旋轉(zhuǎn)變壓器的一次旋轉(zhuǎn)。用于參考或輸入的是振幅不變的電壓。可以認(rèn)為輸出的正弦和余弦信號是位置反饋信號。
圖2、旋轉(zhuǎn)變壓器輸出是角度的函數(shù)
圖3、象限關(guān)系
VE = Sin (ωτ) (1)
那么,轉(zhuǎn)軸的位置由下面的三角等式確定:
Vsine = V Sin (θ) Sin (ωτ) (2)
Vcos = V Cos (θ) Sin (ωτ) (3)
其中:
θ =軸間角
ωτ =載波
V =感應(yīng)到旋轉(zhuǎn)變壓器反饋線圈中的峰值電壓振幅
除了和參考電壓的相位關(guān)系,載波對確定位置并不起作用。感應(yīng)到每一次級的峰值電壓和參考電壓的振幅并不相等。旋轉(zhuǎn)變壓器在輸入和輸出之間一般有一個變壓系數(shù)。
現(xiàn)代的R/D轉(zhuǎn)換器
R/D轉(zhuǎn)換器簡化了現(xiàn)代控制系統(tǒng)中將兩路模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程(圖4)。一組模擬開關(guān)復(fù)用反饋正弦和余弦信號,并衡量其大小,將結(jié)果和D/A轉(zhuǎn)換器控制的一組模擬信號進(jìn)行對比。對比結(jié)果代表了等價于(θ- j)的誤差電壓,即軸角值減去估算的軸角值。解調(diào)器將載波去掉,留下誤差信號,利用積分器測量得到的信號。積分器的輸出控制一個壓控振蕩器,壓控振蕩器根據(jù)誤差的極性,使計數(shù)器向上或者向下計數(shù)。由計數(shù)器控制的D/A轉(zhuǎn)換器組成完整的環(huán)路。這種結(jié)構(gòu)形成了II類伺服環(huán)路,VCO用于二級積分。
圖4、簡化的R/D結(jié)構(gòu)圖
旋轉(zhuǎn)變壓器模型
利用SPICE等工具來開發(fā)仿真模型有助于預(yù)測旋轉(zhuǎn)變壓器/電纜環(huán)境的性能 (圖5)。在開發(fā)旋轉(zhuǎn)變壓器接口時,設(shè)計過程中也可以采用仿真。
圖5、詳細(xì)的模型和等價T網(wǎng)絡(luò)模型
和位于音頻頻率范圍內(nèi)的典型頻率相比,分布式電容很小,因此該模型忽略了這些電容。直流電阻(Rs和Rr)是線圈中導(dǎo)線的電阻。由于存在氣隙,泄漏(Ls和Lr)電感較大。記住,這些是移動機械部件,轉(zhuǎn)子和定子之間有一定的空隙。Rc和Lm是渦流和磁化電感損耗??紤]到初級和次級變壓系數(shù),可以把模型簡化為等價T模型。
誤差源
有三種主要的誤差源:電纜諧振、參考相移和反饋信號匹配。還應(yīng)該考慮溫度、源阻抗和負(fù)載阻抗等因素。
電纜和諧振 可以把雙絞線電纜建模為分布式RLC網(wǎng)絡(luò)(圖6)。對于電纜,它主要具有電容特性,與旋轉(zhuǎn)變壓器耦合時,會引起諧振。
圖6、雙絞線電纜可以建模為分布式RLC網(wǎng)絡(luò)
解決方法是減小激勵電壓,使反饋信號處于可接受的范圍內(nèi)??梢圆扇《喾N手段實現(xiàn)這一點??梢园艳D(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到零角度位置并調(diào)整輸入,從而得到余弦線圈的正確輸出值。還可以把轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到45°位置,此處所有信號振幅相同,然后調(diào)整輸入,使輸出為所需輸出的0.707倍。還可以利用三角恒等式,這時不需要定位角度。在恒等式中,正弦的平方加上余弦的平方是一個常數(shù)。
V = V Sin2(θ) + V Cos2(θ) (4)
當(dāng)電機靜止時,必須進(jìn)行調(diào)整。
參考相移 從前面的模型可以看出,由于存在電感,旋轉(zhuǎn)變壓器和電纜中會有延時。這表明,返回的正弦和余弦反饋信號與參考相位不同相,同時相移將導(dǎo)致和轉(zhuǎn)軸速度成正比的位置誤差。
如果這種情況已經(jīng)存在,就沒有能夠快速解決的方案。解決方法是在電路板上采用兩個振蕩器 — 一個用于激勵旋轉(zhuǎn)變壓器,另一個和返回正弦余弦信號保持同相。如果振蕩器是數(shù)字的,并從普通數(shù)字時鐘中生成模擬信號(正弦波),那么相位關(guān)系會一直保持不變。在進(jìn)行調(diào)整時,電機應(yīng)保持不動。
反饋信號匹配 如果返回電纜較長,就會導(dǎo)致另一誤差源;電纜不平衡。大部分旋轉(zhuǎn)變壓器特別是反饋線圈的電感較大,因此可以把它們作為有內(nèi)部電感的電壓源。雙絞線電纜以容性為主。如果線對不匹配,出現(xiàn)在源上的阻抗(正弦或者余弦反饋)不同,就會產(chǎn)生差分電壓衰減。結(jié)果,返回電壓有不同的峰值電壓振幅。由于位置來自兩路返回信號之比,因此如果電纜不平衡,誤差會進(jìn)一步擴(kuò)大。
由于標(biāo)準(zhǔn)電纜不能完全達(dá)到平衡,因此必須進(jìn)行補償。最好的方法是緩慢旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸,觀察旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)通過0°、90°、180°和270°位置時的峰值振幅并調(diào)整可變增益放大器進(jìn)行補償??梢栽谠囘\行時和增益值在之后啟動處被存儲和恢復(fù)時進(jìn)行這一工作。
輸出和負(fù)載阻抗 應(yīng)使電壓源阻抗盡可能小。還需要注意它的不穩(wěn)定性。放大器必須驅(qū)動復(fù)雜的RLC負(fù)載,因此很可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定或振蕩。
同樣的,應(yīng)保持負(fù)載阻抗足夠大以避免從旋轉(zhuǎn)變壓器吸收太多的電流。旋轉(zhuǎn)變壓器中的電流會產(chǎn)生熱量,導(dǎo)致性能變化。注意要將反饋線圈和源互相隔離,因此使用差分接收器來降低噪聲。
利用測得的旋轉(zhuǎn)變壓器參數(shù)開發(fā)旋轉(zhuǎn)變壓器T模型
變壓器T模型是實際應(yīng)用中測得的旋轉(zhuǎn)變壓器特征參數(shù)以及SPICE仿真開發(fā)的。之所以使用測量值,是因為它們含有旋轉(zhuǎn)變壓器的直流、交流和磁場特性??梢园殉跫?轉(zhuǎn)子)和一個次級(定子)看成是一個包括輸入和輸出的四終端兩端對器件。四個參數(shù)(Zro、Zrs等)應(yīng)作為復(fù)阻抗列在旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)表中(圖7)。目的是根據(jù)數(shù)據(jù)表提供的或者試驗中測量的復(fù)阻抗值找到Z1、Z2和Z3。
Z1和Z2的定義如圖7所示。
Z1 = Zro - Z3 (5)
Z2 = Zso - Z3 (6)
Z3 =[ Zso ( Zro - Zrs)]1/2 (7)
當(dāng)代入實際值時,將得到一個二次方程,含有實數(shù)和虛數(shù)分量。必須對根進(jìn)行判斷。
圖7、四個阻抗的定義
旋轉(zhuǎn)變壓器電感是精度控制中的主要問題。電感效應(yīng)會放大電壓匹配的微小差異,但如果仔細(xì)處理,就可以獲得旋轉(zhuǎn)變壓器所能提供的最大精度。
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