旋轉變壓器在永磁同步電機控制系統中的應用

陳繼華

(上海華銀電器有限公司，上海 201111)

0 引言

旋轉變壓器因其使用可靠、壽命長、能適應惡劣的工作環境、抗沖擊、測量精度高等優點，被廣泛應用在伺服系統、機器人系統、航空航天等領域。在某些低速場合，如軌交的開門調速系統，也越來越多地使用基于低速永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)的控制系統。但是，旋轉變壓器是模擬信號輸出，具有信號處理較復雜的特點，所以關于旋轉變壓器的研究多為針對某種獨特功能的專用系統[1]，這不利于實現產品的產業化。本文綜合各類研究的成果，以低速PMSM控制系統為例，設計一種通用性較強的控制系統，該系統通過一種實用的轉換處理電路，實現旋轉變壓器與通用變頻器的對接，試驗證明方案切實可行，易于實現系統的產業化。

1 旋轉變壓器的工作原理

本文使用的是正余弦二對極無刷式旋轉變壓器，其工作原理如圖1所示[2]。

圖1 旋轉變壓器原理圖

R1－R2為勵磁繞組，S1－S3、S2－S4是定子輸出繞組。工作時，在R1－R2兩端輸入高頻交流電壓信號，在旋轉變壓器氣隙產生脈振磁場，當轉子隨電機旋轉時，脈振磁場也隨之旋轉，從而在定子繞組感應出與轉子位置有關的脈振電勢;因為S1－S3、S2－S4兩套繞組互相垂直，兩輸出信號相位差90°，形成隨轉子位置變化的正余弦信號，其輸入輸出關系如下:

式中:E0——勵磁信號幅值;

ω——勵磁信號角頻率;

K——變壓比;

θ——轉子位置角。

2 用于低速小容量PMSM的通用變頻器特點

本文所研究的對象為低速小容量PMSM，因此用于驅動的變頻器需滿足以下要求:

(1)有良好的低速控制性能，即在較低頻率(0.01～5 Hz)的低頻區間內，能做到轉速平穩、輸出力矩足夠大且穩定，有快速的轉矩響應能力;

(2)能驅動50～200 W這樣的小容量電機。普通變頻器最低能控制400 W電機，這樣的變頻器用來驅動小容量電機時，會發生類似過載的故障信號，無法正常使用;

(3)具有PMSM的驅動能力，異步矢量變頻器只能做到開環運行，無法達到要求;

(4)有PG卡，能通過位置信號實現閉環控制。這里要求變頻器能接收增量編碼器的輸出位置信號。

3 AU6802N1與通用變頻器的接口電路設計

目前，市場上還沒有一款變頻器能直接兼容旋轉變壓器信號，因此本文的核心內容為設計一實用的接口模塊，該模塊是基于多摩川公司的解碼芯片AU6802N1實現的[3]，將PMSM、旋轉變壓器、通用變頻器連接成一閉環系統，實現性能的最優化。AU6802N1是一種高性能、使用方便的數字解碼芯片，可以方便的將旋變輸出的模擬信號解調成數字的絕對或增量信號，直接供給變頻器使用，下面具體介紹該芯片的接口電路。

3.1 AU6802N1的控制設置

(1)芯片工作模式設置:MDSEL引腳設為L，工作在高分辯率模式，當數據輸出模式為脈沖模式時，輸出精度為1024C/T;

(2)芯片輸出模式設置:OUTMD引腳設為L，數據輸出為脈沖模式，此時D11、D10、D9引腳分別輸出增量信號A、B、Z;

(3)片選線及讀信號線設置:CSB、RDB引腳設為L，允許數據輸出;

(4)故障復位信號設置:由于是與通用變頻器相連，ERRSTB設為L，不鎖存故障狀態;

(5)勵磁信號頻率設置:FSEL1、FSEL2分別設為L、H，輸出勵磁信號源為10 kHz，與旋轉變壓器的信號頻率一致;

(6)串行數據輸出口設置:SCSB引腳設為H，此時DATA引腳為高阻狀態，禁用串口輸出。

3.2 AU6802N1與旋轉變壓器的接口電路

AU6802N1與旋轉變壓器的接口電路原理如圖2所示，解碼芯片內部生成10 kHz的正弦信號，經過勵磁放大電路進行放大、濾波后，輸入旋轉變壓器的勵磁繞組R1、R2，同時該勵磁信號反饋回解碼芯片的R1E、R2E引腳進行信號相位校正及斷線監測;旋轉變壓器的輸出信號S1S3、S2S4經調理電路處理后進入解碼芯片解調運算，調理電路主要包括增益設置將信號幅值調節到2～3 V、共模干擾抑制、直流電壓偏置等。

圖2 AU6802N1與旋轉變壓器的接口電路

3.3 AU6802N1與通用變頻器的接口電路

接口電路原理如圖3所示，旋變的輸出信號經芯片解碼后得到位置增量信號A、B、Z，分別從芯片的D9、D10、D11引腳輸出，該信號為幅值5 V的脈沖電壓，而變頻器一般可接收24 V的輸入信號，且內部有上拉電阻，因此A、B信號應通過開關管T1、T2作電平轉換再輸入變頻器。由于所選旋轉編碼器為二對極，因此經解碼后每轉會輸出2個零位Z信號，這個信號無法被通用變頻器讀取，因為通用變頻器只允許每轉一個零位信號，所以通過由 D觸發器 CD4013和與門DM7432N組成的二分頻電路進行分頻處理，使每轉只產生一個零位信號，同樣經電平轉換后輸入至變頻器的Z口。另外，要注意將芯片的數字地與變頻器的COM端共地，否則電平不能正常轉換。

圖3 AU6802N1與變頻器的接口電路

4 控制系統接線原理及試驗結果

有了實用的接口電路，可以很方便的將PMSM、旋轉變壓器、變頻器連接成一可靠的系統，如圖4所示。旋轉變壓器與接口模塊對接，接口模塊的增量輸出信號輸入變頻器，接口模塊的工作電源由變頻器提供，PMSM的三相線接入變頻器，整個系統非常簡單。

變頻器的參數設置程序如圖5所示。變頻器上電后，按流程圖依次進行設置，分別如下。

初始設置:F0.01=1，距離控制方式1，此控制方式為有速度傳感器的閉環矢量控制;F0.02=0，設為變頻器面板操作模式，方便調試;F0.03=0，電機運轉方向與接線方向相同;F0.04=24，最大輸出頻率為24 Hz。

編碼器設置:F4.00=0，編碼器信號為增量式;F4.01=2 048，由于芯片的輸出精度為1024C/T，而旋轉變壓器為兩對極，實際每轉脈沖數為2 048;F4.02=0，編碼器旋轉方向與實際接線方向相同。

電機參數設置:按實際電機參數設置額定功率、額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉速等。

圖4 系統原理圖

圖5 變頻器設置程序

矢量參數設置:一方面設置PI控制環的比例增益和積分增益，以達到最佳的動態性能;另一方面設置輸出轉矩與電流的限值以保護變頻器，可設到變頻器額定電流的150%～200%。

電機參數調諧:F6.07=1，變頻器開始調諧，調諧過程中，變頻器對電機輸入直流電流，使轉子磁極對準定子A相繞組軸線，找到轉子初始位置;然后將電機緩慢旋轉兩周，找到旋轉變壓器的零位，同時計算出電機的電阻、電感等參數，完成調諧。若調諧不成功，則應檢查接線是否正確，參數設置是否正確，調諧成功后方可進入下一步運行。

動作曲線參數設置:可根據實際應用場合的需要，對電機進行正轉、反轉、起步加速、慢速爬行等設置，電機起動后即按照設定的動作曲線運行。

本試驗系統參數如下。

PMSM:額定轉速180 r/min，功率48 W，極對數4，額定電壓65 V;

旋轉變壓器:勵磁信號10 kHz，有效值5 V，極對數2;

通用變頻器:額定容量200 W，額定電壓AC 220 V，調頻范圍0～60 Hz，帶PMSM驅動程序。

試驗數據見表1，試驗波形見圖6。

表1 負載試驗表

圖6 試驗波形

由表1可見，電壓電流隨負載的增加而正比增大，在整個負載范圍內能保持較高的功率因數;圖6的波形中(每張圖第一條曲線為轉速信號，第二條曲線為轉矩信號)。圖6(a)波形為空載起動波形，起動時間由變頻器的參數決定，約為500 ms，波形顯示轉速有約3%的超調;圖6(b)為滿載起動波形，達到穩定轉速基本無超調現象;圖6(c)為突加負載波形，加載瞬間有6.5%的轉速下降，隨即達到穩定值;圖6(d)波形為突卸負載波形，卸載瞬間同樣有6.5%的轉速上升，然后迅速達到穩定。

試驗結果表明，使用了通用變頻器后，變頻器的PMSM矢量控制策略能將電機的性能達到最優，系統具有快速的動態響應能力、平穩的低速運行性能及較小的空載脈動轉矩。

5 結語

試驗結果表明，本文設計的基于AU6802N1的旋轉變壓器接口電路可以很好地實現PMSM與通用變頻器的統一，集多種優勢于一體，易于實現批量化生產，位置檢測精度高，能適應惡劣的工作環境，可靠性好，完全能夠滿足控制的要求。同時，該種模式還可以擴展到大容量、高速PMSM的控制領域。

[1]袁登科，李曉霞.基于旋轉變壓器的永磁同步電機轉子位置檢測電路設計[J].電機與控制應用，2009(36):59-63.

[2]孟凡濤，梁淼.全數字交流伺服系統中旋轉變壓器信號的處理[J].電力電子技術，2002(1):53-55.

[3]多摩川公司.Smartcoder(AU6802N1)Specification[G].2004.