基于旋轉變壓器的PMSM位置和速度檢測方法

李 兵，胡亮燈

(海軍工程大學，武漢430033)

0 引 言

永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)具有結構簡單、運行可靠、體積小、功率密度高等一系列特點，以其為核心組成的永磁電機電力推進系統(tǒng)更適合當今艦船的發(fā)展趨勢，現(xiàn)已成為國內外艦船電力推進系統(tǒng)的研究重點[1]。為滿足電機驅動系統(tǒng)的高精度、快速性、可靠性等方面的要求，就需要精準的電機位置參數(shù)來實現(xiàn)電機的控制[2-5]。而旋轉變壓器是一種能輸出與轉子轉角或位置成某種函數(shù)關系電信號的交流微特電機，可以用它來精確測量轉子位置信號，從而提高電機的控制性能。旋轉變壓器有良好的抗沖擊力、抗溫度適度變化能力、精度高等優(yōu)點，廣泛應用于高溫、嚴寒、潮濕、高速、高震動等條件惡劣且穩(wěn)定性要求很高的環(huán)境當中[6-7]。在外加勵磁信號輸入下，旋轉變壓器輸出兩路正余弦模擬信號[8]，這時就需要旋轉變壓器解碼芯片將模擬信號轉換成數(shù)字信號，才能供DSP，F(xiàn)PGA等控制芯片進行解析處理，從而得到PMSM的轉子位置信息和速度數(shù)據(jù)。本文基于AD公司專用解碼芯片AD2S1210，對其解碼原理、解碼程序以及解碼電路進行了詳細分析，并在異步電機試驗平臺中進行了驗證，下一步將應用于PMSM的伺服控制中。

1 旋轉變壓器測速原理

采用的多摩川磁阻式旋轉變壓器由轉子和定子2部分組成，如圖1所示，它包含激勵輸入繞組、余弦輸出繞組和正弦輸出繞組3個繞組。

圖1 磁阻式旋轉變壓器等效電路

當來自解碼芯片的交流勵磁電壓Esin(ωt)加在磁阻旋轉變壓器的R1-R2勵磁繞組上時，磁阻式旋轉變壓器定子上正、余弦輸出繞組S2-S4和S1-S3中的感應電動勢分別：

(1)

式中：Esin(ωt)為勵磁激勵信號；ω為勵磁頻率；k為旋轉變壓器變比。

2 AD2S1210數(shù)字轉換器解碼原理、解碼電路和解碼程序

本文采用解碼芯片AD2S1210為旋轉變壓器提供正弦波激勵，集成片上可編程正弦波振蕩器，輸出的角度和速度數(shù)據(jù)用二進制表示，可通過并行接口或串行接口讀取。Type II伺服環(huán)路用于跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉換為輸入角度和速度所對應的數(shù)字，最大跟蹤速率為3 125 r/s。下面主要以16位分辨率(N=16)，時鐘輸入8.192 MHz為例進行說明。

2.1 AD2S1210數(shù)字轉換器解碼原理

旋轉變壓器解碼芯片解調原理如圖2所示。解碼器內部產生一個跟隨θ的位置估計角度φ，通過乘法器、檢波器、積分器的作用，不斷調整φ的大小，使其逐漸逼近θ，最終當誤差信號接近0時，可以認為sin(θ-φ)=θ-φ=0，即輸出角度φ=θ，實現(xiàn)角度的解碼。對于轉速，其通過誤差信號ksin(θ-φ)進行積分及補償可得轉速解碼。

圖2 解碼芯片的解調原理

2.2 AD2S1210數(shù)字轉換器角度轉速精度轉換

為簡化分析，假設旋轉變壓器零位置與電機定子A相繞組軸向位置一致，以旋轉變壓器為多對極，電機極對數(shù)為旋轉變壓器極對數(shù)的X倍時，對解碼芯片輸出的二進制數(shù)據(jù)與電機絕對位置和轉速進行說明，如表1所示。

表1 角度、速度A/D轉換關系

2.3 旋轉變壓器解碼電路

旋轉變壓器解碼芯片AD2S1210輸出的轉速、角度和故障數(shù)據(jù)經并口送入FPGA進行處理，F(xiàn)PGA存儲的轉速或角度數(shù)據(jù)通過串行光纖傳輸?shù)街骺刂破鳎怆娹D換得到相應的串行數(shù)字信號，用于電機的控制。解碼電路方案示意圖如圖3所示。

圖3 旋轉變壓器解碼電路采用方案

2.3.1AD2S1210勵磁輸出到旋轉變壓器調理電路

AD2S1210勵磁輸出到旋轉變壓器勵磁繞組間的調理電路如圖4所示，其中包括一個推挽輸出級，它能夠向旋轉變壓器提供所需的電源。

圖4 AD2S1210勵磁輸出到旋轉變壓器調理電路

2.3.2 旋轉變壓器輸出到AD2S1210調理電路

考慮到旋轉變壓器輸出正余旋繞組到解碼芯片AD2S1210的信號可能存在噪聲，先對其進行差模共模濾波，即旋轉變壓器的輸出信號S1和S3，S2和S4經濾波電路后直接進入AD2S1210的SIN，SINLO，COS，COSLO4個管腳，如圖5所示。

圖5 旋轉變壓器輸出到AD2S1210調理電路

2.4 旋轉變壓器解碼程序說明

對于旋轉變壓器返回的信號，送入基于芯片AD2S1210的旋轉變壓器解碼板，可獲得轉速和角度數(shù)據(jù)。解碼板轉速和角度數(shù)據(jù)的讀寫程序基于Verilog語言編寫，程序流程如圖6所示。其步驟如下：程序先初始化；上電控制和復位；進入配置模式；配置完成后，退出配置模式進入普通模式循環(huán)，讀取角度、轉速和故障信息。上電控制和復位采用的時序如圖7所示。

圖6 程序流程

圖7 上電控制和復位時序

3 實驗結果

測試平臺如圖8所示，通過QuarterII9.1軟件SignalTapII查看旋轉變壓器(5對極)解碼板讀取的電機角度和轉速數(shù)據(jù)(其用二進制表示，角度數(shù)據(jù)為16bit，轉速數(shù)據(jù)為15bit)，來測試AD2S1210旋轉變壓器解碼板獲取的角度和轉速數(shù)據(jù)的準確性。其中三相異步電機(2對極，額定轉速1 500r/min)轉子通過彈性連接旋轉變壓器轉子，由LG變頻器調速器進行拖動，整個測試平臺接地。

圖8 旋轉變壓器測試平臺

下述基于SignalTapII獲取的數(shù)據(jù)曲線，其中橫坐標為采樣點數(shù)，采樣時間間隔為25μs/點，縱坐標為轉速或角度數(shù)據(jù)(為便于直觀，已將二進制數(shù)據(jù)轉換為十進制)。

3.1 電機靜止時，轉子不同位置下測試結果

電機靜止處于不同位置時，通過解碼板獲取的轉速數(shù)據(jù)波動范圍為0～1，表明了電機靜態(tài)時旋轉變壓器解碼板測量轉速精度高，靜態(tài)下轉速波動范圍為25r/s×60/2N-1=0.046r/min；通過解碼板獲取的角度數(shù)據(jù)波動范圍為1，電機靜態(tài)下角度精度為2/5×1LSB=0.4×60′×360/65 536=0.082 5′。

(a) 位置1

(b)位置2

(a) 位置1

(b)位置2

3.2 電機低速運行時測試結果

如圖11所示，電機轉速為150r/min時，通過SignalTapII捕獲的轉速數(shù)據(jù)范圍為2 985～3 465，由數(shù)據(jù)轉換公式：轉速=輸出數(shù)值×25r/s×60/2N-1，其對應的轉速為136.6～158.6r/min。

(a) 轉速數(shù)據(jù)

(b)角度數(shù)據(jù)

由于難以直觀看出角度數(shù)據(jù)的波動大小，因此在一個電氣角度內數(shù)據(jù)采用一次線性函數(shù)擬合結果與圖11角度數(shù)據(jù)相減，如圖12所示，從而便于觀察通過解碼板獲取的角度數(shù)據(jù)的非線性程度。

圖12 電機轉速為150 r/min下的角度數(shù)據(jù)波動

當電機轉速為150r/min時，通過SignalTapII捕獲的角度數(shù)據(jù)波動達±270，對應電氣角度偏差范圍為±270×360°/65 536≈±1.8°。

3.3 電機高速運行測試結果

從圖12可知，在電機轉速較低時，通過解碼板獲取的電機轉速波動偏大，難以滿足控制要求。為此，在不同轉速下，采用式(2)通過解碼板獲取的電機角度數(shù)據(jù)來求解電機轉速。

(2)

式中：n為一個電氣角周期轉速平均值；p為旋轉變壓器極對數(shù)；TS為采樣時間；N為解碼芯片分辨率；Δθ為單位時間的角度數(shù)據(jù)變化量。可以看出，增加旋轉變壓器極對數(shù)和分辨率可增加轉速精度。

(a) 角度數(shù)據(jù)

(b)單位時間內角度數(shù)據(jù)變化量

圖14 基于角度變化量計算的轉速均值

從圖14中可知，電機轉速為1 050r/min時，轉速均值波動約2r/min，且轉速均值變化有一定的規(guī)律，基本上是5個完整的電氣角后轉速均值開始重復，結合采用的旋轉變壓器為5對極，故測量結果可能與旋轉變壓器本身精度或安裝精度有關。此外，隨著電機轉速的升高，轉速波動降低，表明電機在高速下運行或控制性能優(yōu)于低速運行或控制性能。

3.4 旋轉變壓器勵磁輸入/正弦余弦波形

在上述基礎上，給出電機運行時示波器保存的旋變變壓器輸入輸出相關波形。圖15為旋轉變壓器解勵磁輸入波形，即通過解碼板AD2S1201芯片生成并經過放大電路輸入給旋轉變壓器的波形。圖16、圖17為旋轉變壓器余弦和正弦輸出波形。

圖15 旋轉變壓器勵磁輸入波形

圖16 電機運行時旋轉變壓器輸出的余弦波形

圖17 電機運行時旋轉變壓器輸出的正弦波形

4 結 語

通過以上分析和試驗，驗證了電機靜止下的旋轉變壓器解碼板及解碼芯片的高精度性能，電機角度數(shù)據(jù)存在一定的線性誤差，和電機轉速成反比關系，且轉速均值波動規(guī)律與旋轉變壓器極對數(shù)和安裝精度相關。因此，實際應用中，需結合旋轉變壓器安裝情況，通過調整電機對中或利用電機惰轉獲取位置補償數(shù)據(jù)來修正采集的位置信息，能改善利用解碼板來獲取電機轉速和位置的精度，最終滿足高精度位置檢測性能要求。