基于新型磁阻式旋轉變壓器解碼問題研究

劉繼磊，楊 毅，高志民

(中國船舶集團有限公司第七○四研究所，上海 200031)

0 引 言

新型磁阻式旋轉變壓器是一種利用轉子凸極效應，產生感應電勢的高精度角位置傳感電機。它具有結構簡單、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工作的穩定性，適合極端條件下的工作環境[1]，作為電機角度控制用傳感器在混合動力汽車和電動汽車領域有很大的發展趨勢。然而，這種信號電機輸出的是包含轉子位置信息的模擬量信號，不能直接應用于數字化交流伺服系統中[2]。為了適應于現在普遍采用的微機處理控制系統，必須經過模數轉換及運算后得到相應的位置數字信號。目前，針對新型磁阻式旋轉變壓器的解碼問題，主要采用以下兩種方案：一是設計一種旋轉變壓器/數字轉換器(簡稱RDC)電路進行解碼；二是采用專門用于解碼的進口芯片及其附件實現解碼。應用前者設計解碼的電子元件電路繁雜，當給元器件通電后，彼此間會產生一定的電磁干擾，這會導致解碼的準確性和穩定性降低[3]；后者的專用解碼芯片往往來自于國外廠商，價格昂貴，從而導致成本較高，不利于形成產品的批量化產能。為了滿足數字化交流伺服系統位置反饋的性能需求，針對新型磁阻式旋轉變壓器的解碼問題，本文研究了一種新的解碼理論，經過實際的測試驗證，其解碼準確性較高、穩定性較好，具有一定的實用價值。

1 新型磁阻式旋轉變壓器的工作原理

新型磁阻式旋轉變壓器的工作原理是借助轉子磁極所產生的凸極效應，當激磁繞組和兩相輸出信號繞組之間存在的耦合關系，轉子位置發生變化導致互感變化，進而在兩相輸出信號繞組中會感應出電動勢，并且該感應電動勢包含有轉子的位置信息[1]。圖1為新型磁阻式旋轉變壓器的工作原理和輸出電動勢示意圖。

圖1 新型磁阻式旋轉變壓器的工作原理和輸出電動勢示意圖

2 解碼原理及具體過程

根據上述新型磁阻式旋轉變壓器的工作原理，結合實際需要，提出以下解碼方案，如圖2所示。

圖2 新型磁阻式旋轉變壓器解碼原理圖

由圖2可知，首先對新型磁阻式旋轉變壓器的兩相輸出電壓模擬量信號經過兩個環節的調理電路進行信號調理，主要包括：濾波處理，信號放大處理(放大至DSP中A/D轉換允許的電壓區間)等；然后再送入DSP中依次經過A/D轉換電路處理、數字濾波環節處理、差分算法處理、所屬區間判別處理、絕對值求取處理、解碼運算環節處理、解碼糾正環節處理以及解碼輸出環節處理等，最后輸出旋轉的角度值[3]。

本文采用高速數字信號微處理器DSP進行信號處理，響應快，即時性好，只要修改DSP芯片內部程序參數就能實現所需要求，大大提高了電路設計的柔性。

2.1 正余弦兩相輸出信號

新型磁阻式旋轉變壓器兩相輸出：

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 新型磁阻式旋轉變壓器兩相輸出波形圖

2.2 對兩相輸出信號求取絕對值

圖4 兩相輸出信號取絕對值后的波形圖

2.3 區間判別

做輔助函數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波形圖

由圖5可以看出，在一個360°電氣角度范圍內，可由u，es和ec正負號來進行區間判別。u，es和ec正負號與區間的對應關系如表1所示。

表1 u,es和ec正負號與區間的對應關系

2.4 區間與角度及解碼數字間的關系

DSP依次經過對兩相輸出信號差分算法處理、絕對值求取處理，以及所屬區間判斷后，可得區間與角度及解碼數字間的對應關系，如表2所示。

2.5 D值的確定

因為各區間自0點開始終到絕對值交點的曲線是對稱的，所以僅需采用算法處理區間1，其余區間2～8可轉化至區間1。當360°的電氣角度對應解碼數字4 096個時，各區間對應512個解碼數字，即自0點開始終到正余弦絕對值交點，采樣值的數值對應512個解碼數字。向DSP內存按順序依次存儲512個解碼數字，然后將所采樣到正余弦絕對值的數據轉換為其所在單元的存儲地址，取內存值D值，最后采用上述表2中區間對應計算公式進行計算，就可獲得當前區間所對應的絕對位置[3]。

3 測試及誤差分析

實驗測試時，3對極新型磁阻式旋轉變壓器(簡稱“新型磁阻旋變”)分別與美國AD公司生產的專用解碼芯片AD2S83,日本多摩川公司生產的專用解碼芯片AU6802和本文研制的解碼電路(簡稱LJL611)及標準測試儀連接進行實驗測試。按照5°機械角對應“新型磁阻旋變”15°電角度，360°電角度對應4 096個字進行實驗記錄。分別用LJL611,AD2S83,AU6802測量出新型磁阻式旋變輸出編碼數值，機械3圈，可得部分測試數據如表3所示。由表3數據可以看出，和AD2S83,AU6802解碼芯片相比，研制的解碼電路編碼數值比較穩定，重復性好，可靠性高。將LJL611,AD2S83,AU6802調整零點后重新測量數值，計算出機械角對應的解碼理論值，求出解碼理論值與實際測量值的誤差，進行誤差分析，結果如圖6所示。圖6中：系列1為AD2S83，系列2為AU6802，系列3為LJL611，系列4為標準儀器測試儀。

表3 部分測試數據

圖6 新型磁阻式旋轉變壓器實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,這三者解碼數值誤差趨勢一致，解碼數值誤差和新型磁阻式旋變自身誤差趨勢一致，本文的解碼方案誤差只大幾個字。據圖6，一機械圓周內，解碼數值誤差最小為-28，解碼數值誤差最大為46，則一個機械圓周內的解碼數值誤差：[46-(-28)]÷2=37字；一個機械圓周內，旋變三個電氣周期，因此電氣數值誤差：37÷3=12.3字；將數值誤差換算為角度：360°×(12.3÷4 096)=1.08°=65′，解碼電路電氣誤差為±65′(含新型磁阻旋轉變壓器固有電氣誤差30′)，完全可以滿足一般數字化交流伺服系統的控制要求。

4 結 語

經過硬件原理設計、控制軟件編制和實驗測試，本文提出的解碼理論解碼準確性較高、穩定性較好，能夠滿足數字化交流伺服系統位置反饋的性能要求，具有一定的實用價值。