基于新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器解碼問(wèn)題研究

劉繼磊，楊 毅，高志民

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七○四研究所，上海 200031)

0 引 言

新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的高精度角位置傳感電機(jī)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、制造成本低和精度高等特性，能夠較好地提升伺服系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，適合極端條件下的工作環(huán)境[1]，作為電機(jī)角度控制用傳感器在混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車領(lǐng)域有很大的發(fā)展趨勢(shì)。然而，這種信號(hào)電機(jī)輸出的是包含轉(zhuǎn)子位置信息的模擬量信號(hào)，不能直接應(yīng)用于數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)中[2]。為了適應(yīng)于現(xiàn)在普遍采用的微機(jī)處理控制系統(tǒng)，必須經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換及運(yùn)算后得到相應(yīng)的位置數(shù)字信號(hào)。目前，針對(duì)新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼問(wèn)題，主要采用以下兩種方案：一是設(shè)計(jì)一種旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱RDC)電路進(jìn)行解碼；二是采用專門用于解碼的進(jìn)口芯片及其附件實(shí)現(xiàn)解碼。應(yīng)用前者設(shè)計(jì)解碼的電子元件電路繁雜，當(dāng)給元器件通電后，彼此間會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾，這會(huì)導(dǎo)致解碼的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性降低[3]；后者的專用解碼芯片往往來(lái)自于國(guó)外廠商，價(jià)格昂貴，從而導(dǎo)致成本較高，不利于形成產(chǎn)品的批量化產(chǎn)能。為了滿足數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)位置反饋的性能需求，針對(duì)新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼問(wèn)題，本文研究了一種新的解碼理論，經(jīng)過(guò)實(shí)際的測(cè)試驗(yàn)證，其解碼準(zhǔn)確性較高、穩(wěn)定性較好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理是借助轉(zhuǎn)子磁極所產(chǎn)生的凸極效應(yīng)，當(dāng)激磁繞組和兩相輸出信號(hào)繞組之間存在的耦合關(guān)系，轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化導(dǎo)致互感變化，進(jìn)而在兩相輸出信號(hào)繞組中會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，并且該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)包含有轉(zhuǎn)子的位置信息[1]。圖1為新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和輸出電動(dòng)勢(shì)示意圖。

圖1 新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和輸出電動(dòng)勢(shì)示意圖

2 解碼原理及具體過(guò)程

根據(jù)上述新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理，結(jié)合實(shí)際需要，提出以下解碼方案，如圖2所示。

圖2 新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器解碼原理圖

由圖2可知，首先對(duì)新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的兩相輸出電壓模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，主要包括：濾波處理，信號(hào)放大處理(放大至DSP中A/D轉(zhuǎn)換允許的電壓區(qū)間)等；然后再送入DSP中依次經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路處理、數(shù)字濾波環(huán)節(jié)處理、差分算法處理、所屬區(qū)間判別處理、絕對(duì)值求取處理、解碼運(yùn)算環(huán)節(jié)處理、解碼糾正環(huán)節(jié)處理以及解碼輸出環(huán)節(jié)處理等，最后輸出旋轉(zhuǎn)的角度值[3]。

本文采用高速數(shù)字信號(hào)微處理器DSP進(jìn)行信號(hào)處理，響應(yīng)快，即時(shí)性好，只要修改DSP芯片內(nèi)部程序參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)所需要求，大大提高了電路設(shè)計(jì)的柔性。

2.1 正余弦兩相輸出信號(hào)

新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器兩相輸出：

es=sinα

ec=cosα

其中,es滯后ec電角度90°，其波形如圖3所示。系列1為es=sinα，系列2為ec=cosα。

圖3 新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器兩相輸出波形圖

2.2 對(duì)兩相輸出信號(hào)求取絕對(duì)值

圖4 兩相輸出信號(hào)取絕對(duì)值后的波形圖

2.3 區(qū)間判別

做輔助函數(shù)u=|ec|-|es|=|cosα|-|sinα|，其中u、sinα、cosα之間的波形如圖5所示。系列1為es=sinα,系列2為ec=cosα,系列3為u=|ec|-|es|=|cosα|-|sinα|。

圖5 兩相輸出及其輔助函數(shù)波形圖

由圖5可以看出，在一個(gè)360°電氣角度范圍內(nèi)，可由u，es和ec正負(fù)號(hào)來(lái)進(jìn)行區(qū)間判別。u，es和ec正負(fù)號(hào)與區(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 u,es和ec正負(fù)號(hào)與區(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.4 區(qū)間與角度及解碼數(shù)字間的關(guān)系

DSP依次經(jīng)過(guò)對(duì)兩相輸出信號(hào)差分算法處理、絕對(duì)值求取處理，以及所屬區(qū)間判斷后，可得區(qū)間與角度及解碼數(shù)字間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

2.5 D值的確定

因?yàn)楦鲄^(qū)間自0點(diǎn)開(kāi)始終到絕對(duì)值交點(diǎn)的曲線是對(duì)稱的，所以僅需采用算法處理區(qū)間1，其余區(qū)間2～8可轉(zhuǎn)化至區(qū)間1。當(dāng)360°的電氣角度對(duì)應(yīng)解碼數(shù)字4 096個(gè)時(shí)，各區(qū)間對(duì)應(yīng)512個(gè)解碼數(shù)字，即自0點(diǎn)開(kāi)始終到正余弦絕對(duì)值交點(diǎn)，采樣值的數(shù)值對(duì)應(yīng)512個(gè)解碼數(shù)字。向DSP內(nèi)存按順序依次存儲(chǔ)512個(gè)解碼數(shù)字，然后將所采樣到正余弦絕對(duì)值的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為其所在單元的存儲(chǔ)地址，取內(nèi)存值D值，最后采用上述表2中區(qū)間對(duì)應(yīng)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，就可獲得當(dāng)前區(qū)間所對(duì)應(yīng)的絕對(duì)位置[3]。

3 測(cè)試及誤差分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，3對(duì)極新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器(簡(jiǎn)稱“新型磁阻旋變”)分別與美國(guó)AD公司生產(chǎn)的專用解碼芯片AD2S83,日本多摩川公司生產(chǎn)的專用解碼芯片AU6802和本文研制的解碼電路(簡(jiǎn)稱LJL611)及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀連接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。按照5°機(jī)械角對(duì)應(yīng)“新型磁阻旋變”15°電角度，360°電角度對(duì)應(yīng)4 096個(gè)字進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄。分別用LJL611,AD2S83,AU6802測(cè)量出新型磁阻式旋變輸出編碼數(shù)值，機(jī)械3圈，可得部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可以看出，和AD2S83,AU6802解碼芯片相比，研制的解碼電路編碼數(shù)值比較穩(wěn)定，重復(fù)性好，可靠性高。將LJL611,AD2S83,AU6802調(diào)整零點(diǎn)后重新測(cè)量數(shù)值，計(jì)算出機(jī)械角對(duì)應(yīng)的解碼理論值，求出解碼理論值與實(shí)際測(cè)量值的誤差，進(jìn)行誤差分析，結(jié)果如圖6所示。圖6中：系列1為AD2S83，系列2為AU6802，系列3為L(zhǎng)JL611，系列4為標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)試儀。

表3 部分測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 新型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)際解碼值與理論值誤差分析曲線

由圖6可以看出，AD2S83,AU6802和LJL611,這三者解碼數(shù)值誤差趨勢(shì)一致，解碼數(shù)值誤差和新型磁阻式旋變自身誤差趨勢(shì)一致，本文的解碼方案誤差只大幾個(gè)字。據(jù)圖6，一機(jī)械圓周內(nèi)，解碼數(shù)值誤差最小為-28，解碼數(shù)值誤差最大為46，則一個(gè)機(jī)械圓周內(nèi)的解碼數(shù)值誤差：[46-(-28)]÷2=37字；一個(gè)機(jī)械圓周內(nèi)，旋變?nèi)齻€(gè)電氣周期，因此電氣數(shù)值誤差：37÷3=12.3字；將數(shù)值誤差換算為角度：360°×(12.3÷4 096)=1.08°=65′，解碼電路電氣誤差為±65′(含新型磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器固有電氣誤差30′)，完全可以滿足一般數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的控制要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)硬件原理設(shè)計(jì)、控制軟件編制和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文提出的解碼理論解碼準(zhǔn)確性較高、穩(wěn)定性較好，能夠滿足數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)位置反饋的性能要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。