《電子技術(shù)應(yīng)用》
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XMC4500 DSD在旋轉(zhuǎn)變壓器上的應(yīng)用

2016-08-14
關(guān)鍵詞： ADI FPGA DSP

        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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器伺服控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)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(zhuǎn)變壓器原理,，以及旋變解調(diào)的硬件電路設(shè)計。
        永磁伺服同步電機調(diào)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(zhuǎn)變壓器,。旋轉(zhuǎn)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(yīng)用在高溫潮濕,，震動等環(huán)境惡劣的工況下。旋轉(zhuǎn)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(diào)才能獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。傳統(tǒng)的信號解調(diào)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(nèi)置Delta-Sigma 解調(diào)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(zhuǎn)變壓器,。本文基于XMC4500設(shè)計了旋變方案的伺服驅(qū)動系統(tǒng),。

1旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)原理
        1.1旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置關(guān)系表達式：

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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(zhuǎn)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(zhuǎn)子的角度在輸出繞組上就產(chǎn)生了含有轉(zhuǎn)子位置信息的 ,， 波形。如圖2所示,。

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  圖 1 旋轉(zhuǎn)變壓器示意圖

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  圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁以及輸出電壓波形

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

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將兩者求差得到：

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(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。

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圖3傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)原理圖


1.3 XMC4500 DSD解調(diào)原理

           由表達式(1),(2),(3)可以得出旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組含有轉(zhuǎn)子位置信息,。XMC4500內(nèi)置DSD數(shù)字處理部分,，能解調(diào)旋變反饋信號，并支持旋變勵磁信號產(chǎn)生,。旋轉(zhuǎn)變壓器反饋信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后將數(shù)字比特率流信號送至XMC4500解調(diào)變可以得到轉(zhuǎn)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(diào)詳細過程,。在一個載波周期內(nèi)對旋轉(zhuǎn)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：

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因此參考信號和輸入信號相乘得到：

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即為圖4中的波形4所示,。將傅里葉展開

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

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  圖4  旋轉(zhuǎn)變壓器信號解調(diào)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：

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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(guān)系以及 （當 為很小值時），得到角度誤差 ,，進過PI調(diào)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(diào)節(jié)PI參數(shù)可以保證 精確度和響應(yīng)速度。


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