基于AD2S83的永磁同步電機轉子位置檢測電路設計

劉偉奇，張玉玲，皮利萍，韓繼文*，朱大賓

（1.北京精密機電控制設備研究所，北京 100076；2.北京長征高科技有限公司，北京 100076）

1 概述

在采用矢量控制的永磁無刷電機交流伺服系統中，需要實時檢測電機轉子磁場矢量位置。獲取轉子磁場矢量位置的方法通常可分為有轉子位置傳感器和無轉子位置傳感器兩類?？紤]到航天伺服機構的高速、高精度、高穩定性要求，某電動伺服系統采用由高可靠旋轉變壓器構成絕對編碼式轉子位置傳感器的方案。圖1所示為以旋轉變壓器為核心的絕對編碼式轉子位置傳感器的組成原理圖。從圖中可以看到，以旋轉變壓器為核心的轉子位置傳感器主要有4大組成部分：旋轉變壓器、旋變激勵電路、旋變信號處理電路、輸出電路。旋轉變壓器的輸出是含位置信息的模擬信號，需要外加勵磁信號，且必須通過旋轉變壓器-數字轉換器（RDC）將其輸出的模擬位置信息轉換為數字信號，才可輸入到DSP控制芯片。由于旋轉變壓器安裝在電機轉子上以獲取位置信號，其輸出電壓等級為伏級，易受到等級為百伏級的電機電壓的干擾，而位置檢測電路離驅動電路較近，輸入/輸出信號線易受到高速開關器件的干擾，因此轉子位置檢測電路電磁環境較差。因此，旋轉變壓器輸出信號線的抗干擾設計和轉子位置檢測電路的PCB布局設計是保證轉子位置檢測信號精度和準確性的關鍵。

圖1 轉子位置傳感器組成原理圖Fig.1 Composition scheme of rotor position transducer

本文在分析旋轉變壓器及其檢測電路周圍電磁環境的基礎上，設計基于AD2S83和AD2S99芯片的旋轉變壓器電路方案，解決旋轉變壓器工作的電磁環境較差影響位置檢測信號穩定性的問題，提高電機轉子位置檢測精度，獲得準確的轉子位置信號，實現位置和速度的閉環控制，提高控制驅動器的工作性能。

2 電機轉子位置檢測電路設計方案

針對某伺服系統應用的惡劣電磁環境和高位置檢測精度要求，本項目著重提高電機轉子的位置檢測精度和穩定性進行設計方案，考慮轉子位置檢測電路的實用性、精度和穩定性進行設計和試驗，以解決轉子位置檢測精度問題，且有利于該轉子位置檢測電路在其他電動項目中的推廣應用。

旋轉變壓器安裝在電機轉子軸上，按照電磁感應原理工作, 采用正交的兩相繞組，定、轉子上都有繞組，彼此同心安排，互相耦合聯系，主要用于角度位置伺服控制系統中，作為角度位置的產生和檢測元件。旋轉變壓器初級勵磁繞組(R1～R2)和兩相正交的次級感應繞組(S1～S3, S2～S4)同在定子側, 轉子側是與初級繞組和次級繞組磁通耦合的特殊結構的線圈繞組。當旋轉變壓器轉子隨電機同步旋轉, 初級勵磁繞組外加交流勵磁電壓后,次級兩輸出繞組中便會產生感應電勢,大小為勵磁與轉子旋轉角的正、余弦值的乘積。旋轉變壓器輸入輸出關系為：

式中：E0勵磁最大幅值；X為勵磁角頻率；K為旋轉變壓器變比；H為轉子旋轉角度。由于旋轉變壓器的輸出是含位置信息的模擬信號，又需要外加勵磁信號，故必須通過旋轉變壓器-數字轉換器（RDC）將其輸出的模擬位置信息轉換為數字信號，才可輸入到單片機或DSP 等控制芯片。

圖2 旋轉變壓器電氣原理圖Fig. 2 Electric scheme of the resolver

由于受到電機電壓、電機軸負載變化等的影響，旋轉變壓器工作的電磁環境較差，導致旋轉變壓器的激磁信號和正、余弦輸出信號幅值和頻率均受到干擾，因此，設計中充分考慮其輸出信號線的抗干擾設計和轉子位置檢測電路的PCB布局設計。

設計選擇AD2S83作為RDC芯片。AD2S83是一種利用數字鎖相技術，工作于II型伺服環的跟蹤式RDC，其數字輸出能以選取的最大跟蹤速率自動跟蹤軸角輸入，沒有靜態誤差。由于它在把旋轉變壓器信號轉換為二進制數時，采用比率式跟蹤方法，輸出數字角只與正弦和余弦輸入信號的比值有關，而與它們的絕對值大小無關，因此，AD2S83對輸入信號的幅值和頻率變化不敏感，不必使用穩定、精確的振蕩器來產生參考信號，而仍能保證精確度，這是AD2S83最突出的優點。AD2S83轉換環路中相敏檢測器的存在保證了對參考信號中的正交分量有很高的抑制能力。另外，它抑制噪聲、諧波的能力強。

2.1 基于AD2S83的電機轉子位置檢測電路設計

本文選擇AD2S83作為旋轉變壓器至數字轉換器，配合并行信號轉串行信號芯片的使用，采用同步串行通信保證數據傳輸的可靠性。美國AD 公司推出的以BMOSⅡ工藝制造的并行輸出芯片(如 AD2S80, AD2S83)功能強大，功耗低(300mW)。AD2S83 最突出的優點就在于它可由用戶選擇相應的參數來優化整個系統的性能，可通過選擇外圍電路決定其工作的分辨率、帶寬和動態性能。AD2S83外圍電路如下圖3所示。輸出分辨率最高可設置為16位，SC1，SC2均為高電平。此時，參考頻率與閉環帶寬的比率7.5∶1，選擇C4=185.3 pF，C5=925 pF，R5=516 k，跟蹤速率為16.25 r/s。高頻濾波器的作用是消除直流偏置和減少進入到AD2S83信號中的噪聲, 因為它們影響相敏檢測器的輸出。據此，選擇R1=R2=15 kΩ，C1=C2=1100 pF。由于該高頻濾波器對輸入到相敏檢測器的信號有3倍的衰減,因此,它會影響環路的增益。

圖3 AD2S83工作原理圖Fig. 3 Principle scheme of AD2S83

合適的R3、C3使信號在參考頻率上沒有明顯的相位移，本方案中，R3=100 kΩ，C3=2.2 nF。

VCO的輸入電阻R6用來設置變換器的最大跟蹤速率。本方案中，R6=64 kΩ。C6=390 pF，C7=150 pF，R7=3.3 kΩ。

2.2 基于AD2S99的激磁信號及其驅動電路設計

本項目采用日本多摩川公司無刷旋轉變壓器TS2620N21E11，激磁信號為7 V，激磁頻率為10 kHz。選用AD2S99為旋轉變壓器提供激磁信號，激磁信號為7 V，激磁頻率為10 kHz；為了保證AD2S99產生的激磁信號和旋轉變壓器TS262N21E11的阻抗匹配，采用了OP279和甲乙類放大電路組合來提高驅動能力。驅動電路原理圖如圖4所示。

2.3 與DSP的通訊模式

設計中，為了提高位置信息傳輸的可靠性，轉子位置信號采用SPI串行通訊模式傳輸到DSP中。AD2S83輸出的數據為16位的并行數據，為了實現與DSP的SPI通訊，需要把AD2S83輸出的并行數據轉化為串行數據。并行數據轉化為串行數據通過74HC165芯片實現。此款芯片只能轉換8位數據，而本方案中設定AD2S83輸出的數據為16位，因此需要將兩片74HC165進行級聯以實現16位并行數據轉化為串行數據輸出的任務。通過試驗確定了時序、軟件以及硬件各信號端的處理，硬件連接如圖5所示。

圖4 基于AD2S99的勵磁信號及驅動電路原理圖Fig. 4 Scheme of excitation signal and drive circuit based on AD2S99

圖5 并行數據轉化為串行數據的原理圖Fig. 5 Scheme of parallel data transforming into serial data

旋轉變壓器勵磁、解碼電路與DSP控制板的接口采用一個插座對插和一個扁平電纜連接的形式。

圖6 旋變解碼電路與DSP的連接Fig. 6 Connecting of resolver decoding circuit with DSP

2.4 電源變換電路

旋轉變壓器信號調理電路中，所需的電源主要有±12V/GND，±5V/GND，+3.3 V，由控制板提供的電源±15V/GND分別通過電源變換模塊LM7812/7912、LM7805/7905和 TPS75733變 換而來，其原理圖如圖7所示。

圖7 電源變換電路Fig. 7 Power transforming circuit

圖8 旋轉變壓信號調理電路試驗波形Fig. 8 Test waveform of the resolver signal conditioning circuit

2.5 電機轉子位置檢測電路的PCB設計和電路設計

為了保證電機轉子位置檢測電路的抗干擾能力，改進設計在PCB設計和電路設計中注意了以下幾點：（1）首先對旋轉變壓器的正、余弦輸出信號以及參考信號分別采用雙絞屏蔽線，并用錫紙和銅網進行了屏蔽處理。（2）旋變的兩個信號地應與其對應的信號線并行走線連到AD2S83的信號地管腳, 以減少正、余弦信號間的耦合。（3）在AD2S83/AD2S99/74HC165的各電源/地之間要分別并聯100 uF (陶瓷) 和10 uF (鉭) 的去耦電容, 且在布局上它們應盡量靠近AD2S83/AD2S99/74HC165放置, 各電源都應有自己單獨的去耦電容。試驗中發現電源的穩定性極大地影響轉子位置檢測信號的穩定性，應采用抗干擾性能好的電源模塊為AD2S83/AD2S99供電。

圖9 串行通訊試驗波形Fig. 9 Test waveform of the serial communication

3 系統試驗

根據以上對電機轉子位置檢測電路的改進，系統進行了相關的聯調試驗，聯調試驗結果如圖8和圖9所示。圖8給出勵磁信號波形、旋轉變壓器副邊波形。圖9給出busy信號、時鐘脈沖、選通信號、串行數據信號的波形。由圖中可以看出，數據信號波形光滑、品質好、毛刺少，抗干擾能力強，精度高。

聯調試驗表明，即使在電磁環境較惡劣的情況下，該改進電路仍然可以快速準確地讀取位置信息，完全可以滿足對轉子位置和速度進行快速準確控制的要求，且尺寸小，適于小型化設計，成本較低，性價比高，工作可靠，使用方便，在高可靠性和高精度要求的交流電機控制系統中，具有較高的應用價值。

4 結論

本項目研究解決機電伺服系統控制驅動器的關鍵技術問題，設計的電機轉子位置檢測電路，有效地提高惡劣環境下轉子位置信號的可靠性，并且提供可變精度（位置檢測精度高速時為12位，低速時可達16位），為提高機電伺服系統的性能奠定了堅實的基礎。其技術成果已成功應用于某電動伺服系統驅動器項目的研發設計中。