一種高精度、低成本旋轉變壓器信號解算器設計

劉仕釗

(中國工程物理研究院總體工程研究所,四川綿陽621900)

0 引 言

旋轉變壓器作為一種測角元件,由于具有體積小、精度高、堅固耐用等特點,而被廣泛應用于旋轉伺服系統。但隨著數字技術在伺服系統中的廣泛應用,旋轉變壓器輸出的包含有轉子位置信息的模擬信號,必須轉化為數字系統能夠識別的數字信號才能進行控制處理。

目前,對旋轉變壓器輸出信號的數字轉換方法主要有兩種:第一種方法是采用專用旋轉變壓器解算芯片實現轉子位置解碼[1-3]。該方法雖能實現高精度解碼,但其成本較高;第二種方法是直接將旋轉變壓器輸出的模擬信號送入A/D轉換器,通過軟件解算算法實現轉子位置解碼[4]。該方法雖能降低成本,但直接將包含高頻信號的旋轉變壓器輸出信號送入A/D轉換器,大大提高了對A/D轉換器轉換速度的要求,從而使該方法大多局限于激磁信號頻率較低(通常小于10 kHz)的場合。

激磁信號頻率越高,解碼精度越高[5]。在高性能旋轉伺服系統中,為了滿足轉子位置的解碼精度,激磁信號頻率通常在15 kHz以上。為了降低成本,又不受A/D轉換器轉換速度的限制,本文首先采用信號調理電路對旋轉變壓器的輸出信號進行處理,輸出僅與轉子位置相關的低頻信號(通常為幾百赫茲),再采用A/D轉換器轉換,便能大大降低對A/D轉換器轉換速度的要求,并結合數字信號處理器(DSP)中固化的軟件解算算法解算出相應的轉子位置。

1 旋轉變壓器的基本原理

旋轉變壓器是一種控制用的測角元件,它能將轉子機械角轉變成與該轉角呈某一函數關系的電信號間接測量裝置。按該函數關系對旋轉變壓器進行分類可分為線性旋轉變壓器、比例式旋轉變壓器、正余弦旋轉變壓器。本文主要針對正余弦旋轉變壓器輸出信號的數字轉換進行設計。正余弦旋轉變壓器電氣示意圖如圖1所示。

圖1 旋轉變壓器電氣示意圖

以單相繞組激磁為例,當在勵磁繞組上輸入正弦激磁電壓信號:

根據電磁感應原理,正弦繞組和余弦繞組便會感應出相應的交流電勢:

式中:θ為轉子轉過的角度;ω為激磁電壓的頻率;U0為激磁電壓的最大幅值;k為勵磁繞組與正余弦繞組間的電磁耦合系數,該系數通常較大,可達到1的數量級。

2 解算器原理

由式(2)和式(3)不難看出,正弦繞組和余弦繞組輸出信號中包含高頻信號和低頻信號。若直接將此信號輸入A/D轉換器,受A/D轉換器轉換速度的限制,將導致高頻信號采樣不充分,從而使轉子位置的解碼精度得不到保證。

為了突破A/D轉換器轉換速度的限制,本文設計了一種信號調理電路。該電路的主要功能有抑制共模干擾信號、單端信號轉換、絕對值加法運算、低通濾波、電位平移等功能。經該調理電路調理后的旋轉變壓器輸出信號中僅包含與轉子位置相關的低頻信號,將該信號輸入A/D轉換器中處理,結合軟件解算算法對轉子轉角位置進行解算,從而得到轉子位置信息。解算器原理框圖如圖2所示。

圖2 解算器原理框圖

3 解算器設計及仿真

解算器主要包括信號調理電路和軟件解算算法兩部分。

3.1 信號調理電路

3.1.1 信號調理電路設計

信號調理電路原理框圖如圖3所示。

圖3 信號調理電路原理框圖

旋轉變壓器的輸入、輸出信號通常為差分信號,采用差分轉換器在將該信號轉換為單端信號的同時,又抑制了共模干擾信號;將轉換后的單端信號輸入絕對值加法電路處理,可得到幅值范圍為0～2U0的信號,但該信號中包含與轉子位置信號相位相反,高頻部分交替出現的干擾信號,因此還需采用多路模擬開關對該信號作選擇性輸出;多路模擬開關采用經過零比較器和可調延時裝置處理后的激磁信號觸發,輸出的信號再采用低通濾波器濾除高頻成分,便可得到與轉子位置相關的正余弦低頻信號。

3.1.2 信號調理電路仿真

本文采用Matlab對信號調理電路進行仿真。在Matlab中,旋轉變壓器的激磁信號采用頻率為18 kHz的正弦信號模擬;旋轉變壓器轉子位置信號采用頻率為500 Hz的正余弦信號模擬,在大多數伺服系統中,電機轉速一般低于30 000 r/min,對于一對極旋轉變壓器,若電機轉速為30 000 r/min,則通過上述信號調理電路處理后得到的轉子位置信號頻率約為500 Hz。采用Matlab模擬的旋轉變壓器輸入輸出信號如圖4所示。

圖4 旋轉變壓器輸入、輸出信號波形圖

旋轉變壓器的三路單端信號經絕對值加法電路調理后得到的信號波形如圖5所示。

圖5 經絕對值加法電路調理后的信號波形圖

再將該信號輸入多路模擬開關和低通濾波器處理,得到如圖6所示波形。

圖6 選擇輸出、濾波后信號波形圖

從圖6中不難看出,有部分信號未得到充分的隔離,這是由于信號經過不同路徑時,信號之間會有一定的相位差,從而使多路模擬開關的觸發信號滯后產生的,因此還需采用延時裝置對觸發信號相位進行調整,調整后的信號波形如圖7所示。

圖7 相位調節后波形圖

3.2 軟件解算算法設計

3.2.1 軟件解算算法原理

軟件解算算法是建立在A/D轉換的基礎上,隨著DSP的不斷更新,其自帶的A/D轉換模塊采樣頻率可達到幾十甚至上百兆赫茲,足以滿足輸入DSP的低頻信號(500 Hz)對A/D轉換模塊采樣頻率的速度要求,保證后續數據處理的順利進行。在DSP中為了避免復雜的數學運算,提高軟件的執行效率,通常使用查表法來實現信號的解算,該方法通常可使解算算法在極短時間內完成,以滿足系統對實時性的要求,軟件解算算法總體流程圖如圖8所示。

轉子位置解算、轉子旋轉方向判斷是軟件解算算法中的核心部分。以下就這兩個方面做詳細敘述,轉子位置解算及方向判斷流程圖如圖9所示。

圖8 軟件解算算法總體流程圖

圖9 轉子位置解算及方向判斷流程圖

軟件解算具體步驟如下:

(1)為了節約DSP的存儲空間,在此僅建立對應角度為0°～90°的正弦表,其對應的波峰值為Um,波峰和波谷的平均值為Ua。

(2)采樣當前位置的正余弦信號值分別記為S、C,并備份該信號記為Sbak、Cbak,供判斷轉子旋轉方向使用。

(3)由于僅建立了1/4周期的正弦表,若要實現對轉子全角度的解算,還需根據變量S、C的值確定轉子位置所在象限,轉子位置象限判定方法如圖9所示。在確定象限后,還需根據變量S查正弦表,確定轉子的當前位置,轉子當前位置確定方法如表1所示。

表1 轉子當前位置判斷表

(4)電機旋轉方向的判斷方法如表2所示。

表2 電機旋轉方向判斷表

3.2.2 軟件解算算法仿真

采用Matlab對DSP解算算法進行仿真,仿真波形如圖10所示。示波器1、2通道為轉子位置信號,通道為解算出的轉子角度信號,由圖10可看出,通過處理后,可實現對旋轉變壓器全角度的正確解碼。

圖10 解算算法仿真波形圖

4 結 語

本文在分析現有旋轉變壓器測角系統的基礎上,設計了一種高精度、低成本旋轉變壓器轉子位置解算的方法,并對該設計中的信號調理電路和軟件解算算法部分做了詳細的介紹,用Matlab仿真軟件對該設計的可行性進行了驗證,在轉子位置解碼精度方面,還可通過提高激磁信號頻率、使用采樣精度更高的A/D轉換器和改進軟件解算算法等方法進行改良。

[1] 袁保倫,陸煜明,饒谷音.基于AD2S82A的多通道測角系統及與DSP接口設計[J].微電機,2007,40(7):47-49.

[2] 嚴春曉,張嶸.基于AD2S83和DSP的感應同步器測角系統[J].微計算機信息,2008,24(6-2):6-8.

[3] 吳紅星.基于旋轉變壓器的電動機轉子位置檢測研究[J].微電機,2008,41(1):1-3,9.

[4] 范祝霞,歐陽紅林,錢鋆,等.基于旋轉變壓器的PMSM驅動系統位置反饋的研究,電氣傳動,2010,40(3):40-42,52.

[5] 姜燕平.旋轉變壓器原理及其應用[J].電氣時代,2005(10):982-100.

[6] 張志涌.精通MATLAB 6.5版[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.