文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.180823
中文引用格式: 李育龍,,皮大偉,,閆明帥. 基于AD2S1205的旋變解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(9):71-74.
英文引用格式: Li Yulong,,Pi Dawei,Yan Mingshuai. Design of decoding system to rotary transformer based on AD2S1205[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(9):71-74.
0 引言
永磁同步電機(jī)是一種反電動(dòng)勢(shì)為正弦波的直流無(wú)刷電機(jī),,多被應(yīng)用到控制精度要求較高的場(chǎng)合[1],。該類型電機(jī)沒(méi)有電刷,避免了有刷電機(jī)維護(hù)周期短,、故障率高和電磁干擾等缺陷[2],。但是,為實(shí)現(xiàn)正常換向和轉(zhuǎn)速控制,,永磁同步電機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息和轉(zhuǎn)速信息[3],。
常用轉(zhuǎn)子的位置傳感器有光電編碼器、霍爾型位置傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器3種[4],。其中,,旋轉(zhuǎn)變壓器有著抗震性強(qiáng)、精度高,、耐高溫,、耐濕度和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[5],,適用于汽車等工作環(huán)境差的場(chǎng)所。但是,,旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的是模擬信號(hào),,主控芯片不能直接讀取轉(zhuǎn)子位置信息,需設(shè)計(jì)解碼電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),。因此,,本文基于專用旋變解碼芯片AD2S1205設(shè)計(jì)了一種旋變解碼系統(tǒng),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的軟硬件性能,。
1 磁阻式旋變工作原理
磁阻式旋變主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成,,其中旋變定子繞有勵(lì)磁輸入繞組和兩相輸出繞組,旋變轉(zhuǎn)子由特定形狀的鐵芯構(gòu)成,,與電機(jī)輸出軸同軸連接,,不繞線圈,定子和轉(zhuǎn)子不直接接觸[6],。旋變工作時(shí),,勵(lì)磁線圈通以固定頻率的正弦電壓,由于旋變轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng),,兩相輸出繞組的電壓幅值隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化,,并且兩相輸出繞組電壓相位相差90°[7]。通過(guò)旋變解碼系統(tǒng)解碼兩相輸出繞組的電壓,,便可得到此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息,。
磁阻式旋變的電氣結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,其中,,勵(lì)磁繞組輸入電壓與兩相輸出繞組電壓有以下數(shù)學(xué)關(guān)系,。
勵(lì)磁繞組輸入電壓為:
其中,E為勵(lì)磁繞組輸入電壓幅值,,f為勵(lì)磁繞組輸入電壓頻率,。
兩相輸出繞組電壓分別為:
其中,K為輸出電壓的增益系數(shù),,θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的電角度,。
兩相輸出繞組電壓分別是與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的正弦函數(shù)和余弦函數(shù),解碼系統(tǒng)采集輸出繞組的電壓,,通過(guò)解碼計(jì)算,,便可以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)角的位置信息。
2 硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中電子電路硬件以AD公司的專用解碼芯片AD2S1205為核心,,外圍電路主要包括旋變勵(lì)磁電路,、旋變輸出信號(hào)調(diào)理電路以及解碼系統(tǒng)與單片機(jī)的通信接口電路和電源電路。
2.1 AD2S1205工作原理
AD2S1205是一款分辨率為12位的專用旋變解碼芯片,內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括可編程正弦波發(fā)生器,、Type II跟蹤環(huán)路,、錯(cuò)誤檢測(cè)電路和數(shù)據(jù)接口4個(gè)單元,內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示,。利用頻率選擇引腳(FS1和FS2引腳),可以輕松地將激勵(lì)頻率設(shè)置為10 kHz,、12 kHz,、15 kHz或20 kHz,本設(shè)計(jì)中正弦波激勵(lì)頻率為10 kHz,。AD2S1205采用Type II跟蹤環(huán)路跟蹤正余弦輸入信號(hào),,并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角位置或角速度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量,最大跟蹤速率為1 250 rps,。
Type II跟蹤閉環(huán)具體原理如下,,AD2S1205產(chǎn)生的輸出角(φ)反饋并與輸入角(θ,電機(jī)電角度)進(jìn)行比較,,藉此來(lái)跟蹤軸角(θ),;兩個(gè)角度之間的差異即誤差,如果轉(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角則該值趨于0,。為了測(cè)量誤差,,將S1-S3乘以sinφ,并將S2-S4與cosφ相乘,。
KE·(θ-φ)是轉(zhuǎn)子的角誤差與轉(zhuǎn)換器的數(shù)字角輸出之間的差值,,依靠解碼芯片內(nèi)部閉環(huán)系統(tǒng)可以將誤差信號(hào)歸零。當(dāng)該目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)時(shí),,φ等于旋轉(zhuǎn)角θ,,實(shí)現(xiàn)角度跟蹤。
2.2 外圍電路
為向旋變勵(lì)磁繞組提供高頻穩(wěn)定的正弦波激勵(lì),,并使旋變輸出的正余弦信號(hào)滿足解碼芯片的輸入需求,,同時(shí)保證解碼芯片輸出到單片機(jī)的角位置/角速度信號(hào)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力,設(shè)計(jì)了AD2S1205最小系統(tǒng)的外圍電路,。如圖3所示,,該外圍電路主要由勵(lì)磁電路、信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成,。
勵(lì)磁電路的設(shè)計(jì)需考慮AD2S1205對(duì)勵(lì)磁繞組的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度,,并且兼顧正弦激勵(lì)信號(hào)的增益大小,同時(shí)還必須對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片輸出信號(hào)進(jìn)行一定的濾波除噪處理,。如圖4所示,,EXC與為AD2S1205勵(lì)磁信號(hào)的輸出引腳,勵(lì)磁信號(hào)為中心電壓為2.5 V,峰值電壓為3.6 V的正弦波信號(hào),,兩引腳將產(chǎn)生峰值電壓為7.2 V的差分信號(hào),。本設(shè)計(jì)中旋變變比為0.286,若勵(lì)磁電路為單位增益,,則旋變輸出到解碼芯片的正余弦信號(hào)峰值僅為2 V,,滿足不了解碼芯片的輸入電壓要求(輸入端允許電壓3.15 V±27%),因此選用雙功率運(yùn)算放大器TCA0372DM對(duì)勵(lì)磁信號(hào)進(jìn)行放大處理,。
實(shí)際中電機(jī)角位移/角速度與旋變輸出信號(hào)并不成理想的正余弦關(guān)系,,信號(hào)中會(huì)有噪聲干擾和共模干擾,因此不可以將旋變輸出端與AD2S1205輸入端COS,、COSLO,、SIN、SINLO直接相連,,中間需設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路,。如圖5所示,旋變輸出信號(hào)經(jīng)COSLOIN,、COSIN,、SINLOIN、SININ輸入至信號(hào)調(diào)理電路,,經(jīng)濾波除噪后輸出至解碼芯片端口,。
3 軟件設(shè)計(jì)
為精確讀取并顯示旋變的角位置信息,兼顧電機(jī)角速度的計(jì)算,,以MCS12DG128單片機(jī)為平臺(tái)設(shè)計(jì)了旋變解碼系統(tǒng)軟件,。軟件設(shè)計(jì)具體包括單片機(jī)初始化、軟件濾波,、角位置信息計(jì)算,、角速度信息計(jì)算和CAN通信等部分。
如圖6所示,,程序開(kāi)始時(shí)首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)置,,將總線頻率設(shè)置為32 MHz,12路I/O口設(shè)置成輸入模式,,定時(shí)器中斷周期設(shè)為1 ms,。AD2S1205解碼所得角位置信號(hào)經(jīng)12路并行端口輸入至單片機(jī)I/O口,經(jīng)計(jì)算處理后得到0~2π范圍內(nèi)的電角度,。為獲得平穩(wěn)精確的電角度信息,,設(shè)計(jì)了中值濾波算法,對(duì)電角度信號(hào)進(jìn)行軟件濾波處理,,根據(jù)濾波后的電角度信息確定電機(jī)的換相時(shí)序,。如圖7所示,在計(jì)算角位置的同時(shí),由AD2S1205解碼所得角位置信息計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速,,并進(jìn)行中位值濾波處理,。
4 試驗(yàn)
4.1 試驗(yàn)平臺(tái)
在試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)中,所用到的設(shè)備主要有:直流開(kāi)關(guān)電源,、MCS12DG128開(kāi)發(fā)板,、永磁同步電機(jī)(帶磁阻式旋變)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板,、AutoBox和上位機(jī),。如圖8所示,開(kāi)關(guān)電源開(kāi)啟后,,開(kāi)發(fā)板由旋變解碼板獲得電機(jī)的電角度信息,,并根據(jù)電角度信息輸出六路PWM信號(hào),,控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)板換相,,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
試驗(yàn)開(kāi)始1 s后給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板通電,,PWM占空比固定為0.1,、頻率20 kHz,電機(jī)以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),。圖9給出了電機(jī)電角度變化,,由于電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),電角度由6.28~0范圍內(nèi)循環(huán)變化,;電角度受電機(jī)脈動(dòng),、硬件噪聲等干擾,并不是斜率不變的直線,。圖10表明電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 s時(shí)刻由0 r/min迅速上升,,約經(jīng)0.3 s后穩(wěn)定在460 r/min左右波動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明,,所設(shè)計(jì)的旋變解碼系統(tǒng)能夠有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī),,且能實(shí)時(shí)輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。
5 結(jié)論
本文分析了磁阻式旋變的工作原理,,并基于解碼芯片AD2S1205設(shè)計(jì)了旋變解碼系統(tǒng),,最后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的旋變解碼系統(tǒng)可以為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供電角度信號(hào),,且可以實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)速信息,,滿足電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需求。
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作者信息:
李育龍,,皮大偉,,閆明帥
(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京210094)