磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鐘 旺，陳亮亮，祝長(zhǎng)生，伍家駒，危水根

（1.南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063；2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度信息的準(zhǔn)確測(cè)量是高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，角位置傳感器在其中扮演著重要的角色，光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器（簡(jiǎn)稱(chēng)旋變）是伺服電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)中運(yùn)用最廣的兩種角位置傳感器［1，2］。

光學(xué)編碼器具有測(cè)量范圍廣、重量輕、高精度的優(yōu)點(diǎn)，處理數(shù)據(jù)也很方便，但光學(xué)編碼器精度受限于碼盤(pán)，速度受限于光電元件，對(duì)使用環(huán)境的要求較高，不適合于粉塵大、振動(dòng)劇烈等惡劣場(chǎng)合［3，4］。旋變抗干擾性強(qiáng)、電磁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其工作原理通過(guò)電磁耦合出兩相正交的正余弦信號(hào)，再通過(guò)專(zhuān)用解碼芯片對(duì)旋變輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行采集、模／數(shù)（A／D）轉(zhuǎn)換，最后解算出轉(zhuǎn)子位置及速度信息［5，6］。解碼分辨率取決于外圍電路且動(dòng)態(tài)可調(diào)，在成本不變的情況下，可調(diào)整轉(zhuǎn)換精度以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換速率，亦可通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)換速率來(lái)達(dá)到更高的精度，滿足各種復(fù)雜工況環(huán)境下的速度與精度選擇，具有更高的靈活性，因此，被廣泛應(yīng)用于如電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域［7，8］。

近些年來(lái)，隨著高性能微處理器的快速發(fā)展，解碼芯片及其外圍電路在不斷更新，劉忠永等人［9］采用鎖相環(huán)角度跟蹤觀測(cè)器算法，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor，DSP）的軟件旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器（resolver digital converter，RDC）電路，并對(duì)解碼信號(hào)相位滯后問(wèn)題進(jìn)行了補(bǔ)償，有效地提高了輸出電機(jī)位置信息的準(zhǔn)確性。李瓊等人［10］設(shè)計(jì)了基于XMC4500 的旋變轉(zhuǎn)換接口電路，用軟件取代硬件RDC，大大降低了驅(qū)動(dòng)器成本。安書(shū)董等人［11］提出了一種用于檢測(cè)伺服系統(tǒng)角度位置信號(hào)的解調(diào)方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的抗噪和驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)誤差源進(jìn)行了分析。

針對(duì)磁阻式旋變，本文分析了旋變的工作原理，并基于專(zhuān)用旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)了一種旋變解碼系統(tǒng)，給出了勵(lì)磁緩沖電路、信號(hào)調(diào)理電路和相應(yīng)電源電路的設(shè)計(jì)原理圖，并制作樣機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了解碼系統(tǒng)的有效性。

1 磁阻式旋變工作原理

磁阻式旋變不需要電刷滑環(huán)，具有體積小、重量輕、抗干擾、無(wú)刷化、高精度、耐高溫等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)電機(jī)類(lèi)似，主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，勵(lì)磁繞組和正余弦兩相輸出繞組均位于定子上，轉(zhuǎn)子是一塊具有凸極形狀的鐵芯，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣隙長(zhǎng)度沿周向呈正弦規(guī)律變化［10，11］，其工作原理如圖1（a）所示。設(shè)勵(lì)磁繞組電壓為Ef＝Emsin ωt，其中，Em為勵(lì)磁電壓的幅值，ω ＝2πf，f為勵(lì)磁電壓的頻率。正弦和余弦信號(hào)繞組的輸出電壓與勵(lì)磁電壓以及電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度關(guān)系可表示為Usin＝KEmsinωtsinpθ，Ucos＝KEmsinωtcospθ。其中，Usin和Ucos分別為正弦和余弦輸出電壓，K 為電壓變比，p為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。由公式可知，在勵(lì)磁繞組上施加勵(lì)磁電壓后，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)兩相輸出繞組上可以產(chǎn)生具有轉(zhuǎn)子位置信息的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，波形如圖1（b）所示。

圖1 磁阻式旋變工作原理

由于旋變轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)，信號(hào)繞組的電壓幅值隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，輸出的電壓波形包絡(luò)線分別呈正弦和余弦規(guī)律變化，二者相差90°電角度，幅值相等。兩相信號(hào)繞組感應(yīng)出的輸出電壓經(jīng)過(guò)解碼系統(tǒng)的采集、解算，最后得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。

2 解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 旋變解碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

解碼系統(tǒng)核心芯片采用旋變專(zhuān)用數(shù)字轉(zhuǎn)換器。結(jié)構(gòu)圖中，＋5 V的輸入電源作為唯一的外接電源，通過(guò)升壓為勵(lì)磁緩沖電路供電，通過(guò)降壓以及數(shù)／模（D／A）轉(zhuǎn)換為主芯片提供邏輯電壓、數(shù)字電壓以及模擬電壓。芯片內(nèi)部包含的正弦波振蕩器提供勵(lì)磁信號(hào)，通過(guò)勵(lì)磁緩沖電路進(jìn)行增益放大以達(dá)到旋變輸入要求，再?gòu)男冋嘞逸敵鱿嗟玫桨姍C(jī)轉(zhuǎn)子角位置以及速度信息的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路傳輸回主芯片進(jìn)行解碼，最后得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置及速度信息。

2.1 主芯片模塊

主芯片是一塊分辨率在12 位～16 位的專(zhuān)用旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，芯片內(nèi)部的可編程正弦波發(fā)生器為旋變提供正弦波激勵(lì)，TypeⅡ伺服環(huán)路可以跟蹤輸入信號(hào)并將正余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。解碼系統(tǒng)的分辨率通過(guò)RES0和RES1引腳高低電平來(lái)控制，具體的引腳配置如表1所示。

表1 旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片分辨率配置

通過(guò)A0和A1引腳選擇芯片工作在何種模式，芯片具有普通模式和配置模式2 種工作模式。在普通模式下，用于讀取旋變角位置數(shù)據(jù)；配置模式下可對(duì)寄存器進(jìn)行編程、設(shè)置芯片的分辨率、勵(lì)磁電壓頻率以及故障檢測(cè)閾值，A0和A1的輸入狀態(tài)決定了將旋變的位置數(shù)據(jù)還是速度數(shù)據(jù)傳輸至寄存器。

芯片解碼時(shí)將正弦相乘以cos α，余弦相乘以sin α，再將兩式相減

令Usin-Ucos＝Vsc，整理得到

當(dāng)α不斷趨近于θ時(shí)，Vsc＝0，此時(shí)θ ＝α，即可得到轉(zhuǎn)子的位置信息。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

實(shí)際工作中電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度以及轉(zhuǎn)速并不與旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)呈理想的正余弦關(guān)系，會(huì)包含高頻噪聲以及共模干擾，因此，在旋變的正余弦輸出端與解碼芯片之間需要設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路以抑制噪聲，信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。圖3中，在正余弦差分信號(hào)之間設(shè)計(jì)了一個(gè)低通濾波器，濾波器主要由2個(gè)電阻以及1個(gè)電容組成，其作用是降低外界的高頻噪聲以及抑制共模干擾，旋變正余弦輸出信號(hào)經(jīng)濾波降噪后再輸入至解碼芯片中。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 勵(lì)磁緩沖電路模塊

旋變的勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)信號(hào)由解碼芯片的正弦波振蕩器產(chǎn)生，激勵(lì)輸出引腳EXC ＋和EXC -為差分信號(hào)輸出，通常需要外接緩沖電路來(lái)放大激勵(lì)輸出信號(hào)，勵(lì)磁緩沖電路設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 勵(lì)磁緩沖電路原理

緩沖電路的核心采用集成運(yùn)放芯片，是一塊精密的JFET輸入放大器集成芯片，正常工作溫度在-40～＋80 ℃之間，具有低功耗、軌對(duì)軌輸出以及單電源操作的特點(diǎn)。

集成運(yùn)放的參考電壓如圖5所示。

圖5 參考電壓模塊

參考電壓由上述可知

載波增益

式中 ω ＝2πf，頻率f 通常取10 kHz，主芯片的EXC ＋和EXC-引腳輸出峰峰值為7.2 V 的差分電壓，單端輸出中心電壓為2.5 V，因此EXC端輸入電壓Vin為

參考電壓VREF在運(yùn)放芯片1號(hào)引腳產(chǎn)生的輸出為

可以得到EXC ＋單端輸出電壓

由式（7）可看出，EXC ＋單端對(duì)地電壓峰峰值為3.3 V，因此差分后EXC ＋和EXC-之間的電壓峰峰值應(yīng)為6.6 V。

2.4 電源模塊

解碼系統(tǒng)的電源主要包括主芯片的工作電源以及緩沖電路的輸入電源。其中，主芯片的工作電源為＋5 V模擬電壓和＋5 V數(shù)字電壓；邏輯電壓范圍2.3 ～5.25 V，本文選用3.3 V作為芯片的邏輯電壓輸入；緩沖電路中的運(yùn)放芯片和OTL功率放大電路需要用到直流12 V電源。為使解碼系統(tǒng)各個(gè)模塊穩(wěn)定工作，分別給各個(gè)模塊分配對(duì)應(yīng)的電源。

2.4.1 ＋5 V電源與＋3.3 V邏輯電源設(shè)計(jì)

為了保證旋變解碼器的解算精度，設(shè)計(jì)采用典型系列穩(wěn)壓芯片U4提供穩(wěn)定的工作電壓。該系列芯片內(nèi)部包含反向電池保護(hù)，電流限制和熱關(guān)機(jī)功能，具有低噪音、低壓差輸出特性。5 V電源設(shè)計(jì)電路如圖6所示。

圖6 5 V電源電路

圖6中，4號(hào)引腳作為旁路，串聯(lián)一個(gè)18 pF 的電容用于減低噪聲干擾；輸入端C37和C23作為輸入電容，用于對(duì)輸入電壓進(jìn)行濾波；3號(hào)引腳串聯(lián)10 kΩ 電阻用作使能信號(hào)；最后在輸出端加入對(duì)地輸出電容進(jìn)行穩(wěn)壓。

2.4.2 ＋12 V緩沖電路模塊電源設(shè)計(jì)

由于整個(gè)解碼電路的輸入采用＋5 V電源輸入，因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)5 ～12 V 的直流升壓電路，采用升壓轉(zhuǎn)換器芯片，該芯片具有高效性和快速性的特點(diǎn)，且通常工作在較高的頻率，可以有效地降低噪聲干擾。電路設(shè)計(jì)原理如圖7所示。

圖7 5 ～12 V升壓電路

升壓轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部包含軟啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，用于在啟動(dòng)時(shí)限制啟動(dòng)電壓，防止大電流擊毀芯片。圖7中，12 V的輸出電壓是通過(guò)分壓電阻R5和R6來(lái)實(shí)現(xiàn)的，VFB引腳為內(nèi)部參考電壓，其值為1.25 V，因此，輸出電壓計(jì)算公式為

圖7中，R5和R6的值選擇為10 kΩ 和86.6 kΩ，由式（8）可計(jì)算出VOUT的值為12.075 V，與理論值誤差較小。輸入電容C26用于給電感提供紋波電流，也用于電源噪聲的抑制。＋12 V直流輸出電壓的同時(shí)也需要設(shè)置對(duì)地輸出電容用于濾波和穩(wěn)定，C4，C5，C32共同組成輸出電容，輸出電容的特性將直接影響升壓模塊輸出電壓的穩(wěn)定性。

采用大電感L1可以直接減小紋波電流，降低電感的峰值電流，減小內(nèi)部通道的應(yīng)力，但是大電感的體積較大，其串聯(lián)電阻也相對(duì)較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證在最大負(fù)載瞬態(tài)和啟動(dòng)條件下不會(huì)飽和。輸出整流二極管D1 的耐壓值應(yīng)該大于輸出電壓的值，為了減小整流二極管的正向電壓和恢復(fù)時(shí)間所產(chǎn)生的損耗，應(yīng)使用具有快速響應(yīng)的二極管。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)本文旋變解碼電路進(jìn)行PCB制作，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)速，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8 所示。圖8（a）中，左側(cè)為一臺(tái)14／4極磁阻式旋變，激勵(lì)匝數(shù)與正余弦輸出相匝數(shù)基數(shù)比為20∶75，旋變?cè)O(shè)計(jì)的勵(lì)磁電壓峰峰值為6.6 V，正余弦相輸出電壓為峰峰值為3.15 V±27%（即2.3 ～4.0 V）；右側(cè)為本文所涉及旋變解碼板。圖8（b）所示為一臺(tái)6／4 極的電動(dòng)摩托車(chē)用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，額定電壓72 V，額定功率4 500 W，額定轉(zhuǎn)速9 000 r／min。

圖8 解碼板測(cè)試平臺(tái)

先對(duì)解碼板勵(lì)磁電路效果用示波器進(jìn)行觀察，圖9 為旋變電壓輸出波形，通道1為解碼板激勵(lì)電壓，從圖中可看出最大電壓為6.6 V，與理論值結(jié)果一致，說(shuō)明其值不受旋變負(fù)載的影響，帶載能力較強(qiáng)、穩(wěn)定性好。通道2 和通道3為旋變正余弦輸出相，正余弦輸出相電壓峰峰值為3.60 V，符合解碼芯片的正余弦輸入電壓要求。

圖9 旋變與解碼板輸出波形

在圖8（b）所示的平臺(tái)上做4 000 r／min的電機(jī)測(cè)速實(shí)驗(yàn)。主芯片的采樣頻率為10 kHz，首先設(shè)置A0A1 ＝00，進(jìn)行普通模式下的轉(zhuǎn)子位置輸出，延時(shí)緩沖后配置A0A1 ＝01用于讀取轉(zhuǎn)子的速度值。普通模式下，數(shù)字輸出的分辨率采用12 bit，RES0 和RES1 分別設(shè)置為0 和1，DSP 每隔33 μs讀取一次數(shù)據(jù)。

從圖10（a）中可以看出，電機(jī)電角度在0 ～360°范圍呈周期性變化，電角度曲線為斜率恒定的直線，滿足控制要求，由于受電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及控制器噪聲等因素的干擾，電角度曲線有少許波動(dòng)，但不影響位置測(cè)量；圖10（b）中，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在4 000 r／min 左右，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，解碼系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確解算出電機(jī)的位置與速度信息，滿足電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)位置和速度的檢測(cè)要求。

4 結(jié) 論

本文分析了磁阻式旋變的工作原理，設(shè)計(jì)了解碼系統(tǒng)，給出了解碼系統(tǒng)電源模塊、勵(lì)磁緩沖電路模塊和信號(hào)調(diào)理模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的電源模塊能夠輸出穩(wěn)定的直流電壓，勵(lì)磁緩沖電路模塊能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦勵(lì)磁電壓，整個(gè)旋變解碼系統(tǒng)可以有效地解算出電機(jī)的位置及轉(zhuǎn)速信息，具有可靠性高、精度高的特點(diǎn)，本文的研究工作可為旋變的推廣應(yīng)用提供支持。