基于AD2S1210的旋轉變壓器解碼系統設計

陳夢民，王艷

（北京交通大學北京 100044）

由于開關磁阻電機具有啟動轉矩大、效率高等優點而被廣泛應用，隨著電力電子器件和控制技術的發展，開關磁阻電機驅動控制技術也隨之迅速發展。在開關磁阻電機的驅動控制中必須實時檢測轉子的位置，使各相的開關器件完成正確的切換，獲得連續的轉矩，同時在電機恒轉速的閉環控制中也需要知道電機的轉速，所以對開關磁阻電機轉子位置和速度的準確檢測將直接關系到控制系統的性能。當前在開關磁阻電機轉子位置的檢測上，使用最多的是光柵編碼器和霍爾傳感器，相比于以上兩種方法，旋轉變壓器在自身結構特點上的優勢，使它具有耐沖擊、耐震動、耐高溫的特點，可以在惡劣環境下使用，例如在電動汽車中的使用[2]。由于旋轉變壓器的輸出是包含電機轉子位置和速度的電壓信號，不能被控制系統直接利用，所以需要將其輸出的電壓信號轉換成角度和速度信號，才能被控制系統所使用[3-4]。傳統的解碼器采用放大電路，濾波電路，模數轉換電路搭建而成，不僅結構復雜，而且調試難度也比較大。本方案采用亞德諾半導體公司研發的高精度高分辨率的旋轉變壓器專用解碼芯片，其內部集成有正弦波發生器，可以產生勵磁信號，并能夠對旋變的輸出信號進行可靠解碼[5]。

1 旋轉變壓器的工作原理

旋轉變壓器和普通變壓器的工作原理實際是一樣的，只是由于轉子旋轉，定子勵磁繞組和轉子輸出繞組之間相對位置的變化會引起繞組間互感的變化，由此，我們知道其輸出電壓與轉子位置有關。按照其輸出與轉子角位置關系的不同，旋轉變壓器可以分為很多種，其中比例式旋變的輸出與角度成比例關系，線性旋變的輸出與角度成線性關系，其結構原理如圖1所示。

圖1 旋變原理圖

從圖上可知：

E0為勵磁電壓的幅值，ω為勵磁電壓的角頻率，θ為轉子角度。

兩個次級繞組在機械上相差90度，給初級繞組施加正弦波勵磁后，會在定子次級繞組上的耦合出幅值隨轉子位置變化的電壓。旋變輸入與輸出的理論波形如2所示。

圖2 旋變輸入輸出信號

2 AD2S1210解碼原理

2.1 AD2S1210概述

AD2S1210 Analog Devices模擬器件公司研制的是一款旋轉變壓器解碼芯片[7]。輸入端允許的輸入電壓范圍3.15Vp-p±27%、頻率為2 kHz至20 kHz范圍內的正弦信號。轉換器內部有一個二型伺服環路，它可以跟蹤輸入信號，將旋變的輸出信號轉換成輸入角度和速度所對應數字量保存在相應的寄存器中。可以通過并行端口或者串行接口讀取絕對角位置數據，為了滿足不同的精度要求，分辨率是可以設置的。速度和位置寄存器都是16位的，并且是高位有效。AD2S1210的功能框圖如圖3所示。

圖3 結構框圖

2.2 解碼原理

當旋變轉動了相當于最低有效位對應的角度時，輸出就會變化一個最低有效位。轉換器產生的輸出角φ，反饋后與輸入角θ進行比較，以便跟蹤軸角θ，兩個角度的差值即為誤差，如果轉換器正確跟蹤了輸入角度，那么誤差趨近于0。為了更方便的測量誤差，可以對旋變的輸出信號進行如下處理：

兩者的差值為：

內部的閉環系統由一個相敏解調器、一個積分器和一個補償濾波器組成，它能夠將誤差信號調零。當誤差信號無限趨近于零時，在轉換器規定的精度范圍內轉換器產生的輸出角φ即等于旋變轉角θ。AD2S1210的解碼原理如圖4所示。

圖4 解碼原理圖

2.3 硬件電路

1）AD2S1210外圍電路及其與旋變的接口電路

AGND和DGND引腳接地，AVDD和DVDD引腳接5 V正電源，去耦電容的典型值為10 nF和4.7 μF。施加于VDRIVE的電壓控制并行和串行接口的電壓。VDRIVE可以取為5 V、3 V或2.5 V。振蕩器去耦電容的典型值為20 pF，參考去耦電容的典型值為10 nF和10 μF。其基本電路如圖5所示。

圖5 AD2S1210的外部電路

為了能使AD2S1210正常工作需要對勵磁信號及旋變輸出信號進行處理，使其滿足旋變和解碼器的輸入要求。勵磁信號處理電路如圖6所示。

圖6 勵磁信號放大電路

EXC和EXC-是AD2S1210的勵磁輸出管腳，Vout接到旋變的勵磁輸入（差分輸入）。由放大電路的基本知識知道勵磁輸出信號的放大倍數通過電阻R1和R2來調節。放大器的共模電壓通過電阻R3和R4來調節。該方案選用的旋變的變比是0.5，旋變的輸入的勵磁要求是7Vrms，即為9.9VP-P。AD2S1210勵磁輸出端輸出的是7.2VP-P的差分信號。所以勵磁放大電路的增益為9.9/7.2=1.375，即R2/R1=1.375，取R1=7.5 kΩ，R2=10kΩ。濾波電容取100 pF。

2）AD2S1210與控制芯片的接口

為了使解碼器能夠正確的轉換旋變角度以及讀取解碼器內部存儲的角位置信息、速度和故障信息，需要對AD2S1210進行基本的配置，主要是分辨率及工作模式的選擇。本方案采用的控制芯片是STM32F103ZET6。接口電路如圖7所示，圖中只畫出了使用到的引腳。

圖7 控制芯片接口電路

通過控制芯片的PB10和PB11控制A0和A1，實現對AD2S1210工作模式的選擇，解碼器有4種工作模式，工作模式及其設置見表1。

表1 工作模式設置

3 軟件設計

在配置模式下對芯片的寄存器、激磁頻率和分辨率進行配置。

圖8 軟件基本流程

4 測試結果

當接通電源后，AD2S1210輸出的勵磁信號如圖9所示。

圖9 勵磁信號

由圖可知勵磁信號的峰峰值為10.5 V，頻率為10.000 2 Hz，滿足旋變對勵磁信號的要求。

旋變的輸出信號如圖10所示。粗線為正弦繞組輸出，細線為余弦繞組輸出。

圖10 旋轉變壓器的輸出

圖11 位置寄存器中存儲的位置信息

將旋轉變壓器的輸出接至轉換器的正余弦輸入端，通過控制芯片讀取角位置信息，并通過串口助手顯示AD2S1210位置寄存器中存儲的位置信息，如圖11所示。當位分辨率為n時，角度θ=360°·D/(2n-1)，D為角度寄存器中存儲的角位置信息，D為對應分辨率對應的最大值時，角度為360°，所以將寄存器中存儲的數據轉化為角度，通過串口顯示，如圖12所示。

圖12 旋轉變壓器的角度信息

5 結 論

本文介紹了旋轉變壓器和解碼芯片AD2S1210的原理以及應用，對解碼芯片的外圍電路以及其與控制芯片的接口電路進行了設計，同時完成相應軟件的設計，對解碼芯片進行正確的配置，對數據的讀取，并通過串口顯示了當前的位置信息，為電機的精確控制打下基礎。試驗結果證明電路工作可靠，方案具有可行性，具有一定的參考價值。

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