日前，永磁伺服同步電機的使用越加的廣泛,，而MCU迅速發(fā)展使得電機伺服系統(tǒng)設計方案越來越簡單可靠,。伺服控制電機需要位置反饋，與傳統(tǒng)的位置傳感器想比,，旋轉變壓器更容易維護,，適合在環(huán)境惡劣的工況下工作。本文基于英飛凌推出的新一代M4處理器完成了帶旋轉變壓器伺服控制系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計,；系統(tǒng)選用的是英飛凌新一代的處理器XMC4500,，文章具體介紹了旋轉變壓器原理，以及旋變解調的硬件電路設計,。
        永磁伺服同步電機調速系統(tǒng)磁場定向控制中,，電機位置速度的反饋對實現(xiàn)速度閉環(huán)極為重要。電機反饋傳感器在很大程度上決定了運動控制的的性能,，傳感器的誤差限制了位置速度的精度。目前檢測電機速度的方法也有多種，如光電編碼器,，霍爾傳感器,，旋轉變壓器。旋轉變壓器輸出的是含有位置信號的模擬信號,，工作可靠,，壽命長，對機械噪聲不敏感,，適合應用在高溫潮濕,，震動等環(huán)境惡劣的工況下。旋轉變壓器需要高頻正弦激勵信號,，輸出的模擬信號也是高頻的,，需要對其信號解調才能獲得轉子的位置信息。傳統(tǒng)的信號解調方法是使用解碼芯片,，常用的解碼芯片有AD2S90,，AS2S99，AD2S1200 等等,。但是這些專用的芯片對模通常價格比較昂貴,。Infineon公司新推出的 Xmc4500 內置Delta-Sigma 解調功能，是該微控制器的一大特色,，利用這一功能可以十分方便的支持旋轉變壓器,。本文基于XMC4500設計了旋變方案的伺服驅動系統(tǒng)。

1旋轉變壓器解調原理
        1.1旋轉變壓器簡單介紹
        本文采用的是多摩川旋變,，型號為：TS4746N3220E501  勵磁電壓要求10KHZ, 幅值為7V,。旋轉變壓器由勵磁繞組和次邊輸出繞組組成，如圖（1）所示,，Uref是勵磁繞組,，Usin,Ucos是輸出繞組。輸出電壓和轉子位置關系表達式：

其中K 是變壓比,， 是角速度,， =2*pi*f，f 即勵磁電壓的頻率,，E是勵磁電壓幅值,，即轉子的角度。由上式可知,，當在勵磁繞組上施加勵磁電壓后,，隨著轉子的角度在輸出繞組上就產(chǎn)生了含有轉子位置信息的 ， 波形,。如圖2所示,。

  圖 1 旋轉變壓器示意圖

  圖2 旋轉變壓器勵磁以及輸出電壓波形

1.2 傳統(tǒng)旋轉變壓器解調原理
      圖3是傳統(tǒng)旋轉變壓器解調原理圖,。旋轉變壓器的輸出信號與估計位置角的正余弦值相乘，得到：

將兩者求差得到：

(6)式在經(jīng)過檢波器得到位置誤差信息,，再積分激勵壓控振蕩器,，壓控振蕩器再引起計數(shù)器的上下計數(shù)得到位置。

圖3傳統(tǒng)旋轉變壓器解調原理圖

           由表達式(1),(2),(3)可以得出旋轉變壓器的輸出繞組含有轉子位置信息,。XMC4500內置DSD數(shù)字處理部分,，能解調旋變反饋信號，并支持旋變勵磁信號產(chǎn)生,。旋轉變壓器反饋信號經(jīng)模數(shù)轉換器后將數(shù)字比特率流信號送至XMC4500解調變可以得到轉子的角度信息了,。XMC4500的DSD功能使得軟件開發(fā)非常的簡單，只要合理配置寄存器便可以求出角度,。圖4是DSD解調詳細過程,。在一個載波周期內對旋轉變壓器的反饋信號進行N點抽樣，根據(jù)載波的符號對抽樣值進行整形,。載波符號波形即為載波同頻率的方波：

因此參考信號和輸入信號相乘得到：

即為圖4中的波形4所示,。將傅里葉展開

經(jīng)過低通濾波濾除高頻信號可以得到與輸入信號包絡信號成正比的信號即圖4中的第六個波形：

  圖4  旋轉變壓器信號解調過程  

 1.4鎖相環(huán)原理
          為了得到更精確的角度信息，讓經(jīng)過PLL鎖相環(huán)實現(xiàn)相同步,。PLL鎖相環(huán)原理如圖所示：

圖5  PLL鎖相環(huán)原理

  即為所求得得角度,。首先利用三角函數(shù)關系以及 （當 為很小值時），得到角度誤差 ,，進過PI調節(jié)器以及第一個積分得到速度 ,，速度再積分即得到角度 。合理調節(jié)PI參數(shù)可以保證 精確度和響應速度,。