文獻標識碼: 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)設計[J].電子技術(shù)應用,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
永磁同步電機是一種反電動勢為正弦波的直流無刷電機,多被應用到控制精度要求較高的場合[1],。該類型電機沒有電刷,,避免了有刷電機維護周期短、故障率高和電磁干擾等缺陷[2],。但是,,為實現(xiàn)正常換向和轉(zhuǎn)速控制,永磁同步電機需要轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取電機轉(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,、精度高、耐高溫,、耐濕度和壽命長等優(yōu)點[5],,適用于汽車等工作環(huán)境差的場所。但是,,旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的是模擬信號,,主控芯片不能直接讀取轉(zhuǎn)子位置信息,需設計解碼電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,。因此,,本文基于專用旋變解碼芯片AD2S1205設計了一種旋變解碼系統(tǒng),并通過實驗驗證該系統(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,,勵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,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],。通過旋變解碼系統(tǒng)解碼兩相輸出繞組的電壓,便可得到此時電機轉(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,勵磁繞組輸入電壓與兩相輸出繞組電壓有以下數(shù)學關(guān)系,。
勵磁繞組輸入電壓為:
其中,,E為勵磁繞組輸入電壓幅值,f為勵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,通過解碼計算,,便可以獲得電機轉(zhuǎn)角的位置信息,。
2 硬件設計
本設計中電子電路硬件以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磁電路,、旋變輸出信號調(diào)理電路以及解碼系統(tǒng)與單片機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,、錯誤檢測電路和數(shù)據(jù)接口4個單元,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),,可以輕松地將激勵頻率設置為10 kHz、12 kHz,、15 kHz或20 kHz,,本設計中正弦波激勵頻率為10 kHz。AD2S1205采用Type II跟蹤環(huán)路跟蹤正余弦輸入信號,,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應的數(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,,電機電角度)進行比較,藉此來跟蹤軸角(θ),;兩個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)可以將誤差信號歸零,。當該目標得以實現(xiàn)時,φ等于旋轉(zhuǎn)角θ,,實現(xiàn)角度跟蹤,。
2.2 外圍電路
為向旋變勵磁繞組提供高頻穩(wěn)定的正弦波激勵,并使旋變輸出的正余弦信號滿足解碼芯片的輸入需求,,同時保證解碼芯片輸出到單片機的角位置/角速度信號有足夠的驅(qū)動能力,,設計了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磁電路,、信號調(diào)理電路和信號驅(qū)動電路構(gòu)成。
勵磁電路的設計需考慮AD2S1205對勵磁繞組的驅(qū)動強度,,并且兼顧正弦激勵信號的增益大小,,同時還必須對驅(qū)動芯片輸出信號進行一定的濾波除噪處理。如圖4所示,,EXC與為AD2S1205勵磁信號的輸出引腳,,勵磁信號為中心電壓為2.5 V,峰值電壓為3.6 V的正弦波信號,,兩引腳將產(chǎn)生峰值電壓為7.2 V的差分信號,。本設計中旋變變比為0.286,若勵磁電路為單位增益,,則旋變輸出到解碼芯片的正余弦信號峰值僅為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%),因此選用雙功率運算放大器TCA0372DM對勵磁信號進行放大處理,。
實際中電機角位移/角速度與旋變輸出信號并不成理想的正余弦關(guān)系,,信號中會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,,中間需設計信號調(diào)理電路,。如圖5所示,,旋變輸出信號經(jīng)COSLOIN、COSIN,、SINLOIN,、SININ輸入至信號調(diào)理電路,經(jīng)濾波除噪后輸出至解碼芯片端口,。
3 軟件設計
為精確讀取并顯示旋變的角位置信息,,兼顧電機角速度的計算,以MCS12DG128單片機為平臺設計了旋變解碼系統(tǒng)軟件,。軟件設計具體包括單片機初始化,、軟件濾波、角位置信息計算,、角速度信息計算和CAN通信等部分,。
如圖6所示,程序開始時首先對單片機進行初始化設置,,將總線頻率設置為32 MHz,,12路I/O口設置成輸入模式,定時器中斷周期設為1 ms,。AD2S1205解碼所得角位置信號經(jīng)12路并行端口輸入至單片機I/O口,,經(jīng)計算處理后得到0~2π范圍內(nèi)的電角度。為獲得平穩(wěn)精確的電角度信息,,設計了中值濾波算法,,對電角度信號進行軟件濾波處理,根據(jù)濾波后的電角度信息確定電機的換相時序,。如圖7所示,,在計算角位置的同時,由AD2S1205解碼所得角位置信息計算電機轉(zhuǎn)速,,并進行中位值濾波處理,。
4 試驗
4.1 試驗平臺
在試驗平臺設計中,所用到的設備主要有:直流開關(guān)電源,、MCS12DG128開發(fā)板,、永磁同步電機(帶磁阻式旋變)、電機驅(qū)動板,、AutoBox和上位機,。如圖8所示,開關(guān)電源開啟后,,開發(fā)板由旋變解碼板獲得電機的電角度信息,,并根據(jù)電角度信息輸出六路PWM信號,控制電機驅(qū)動板換相,進而驅(qū)動電機運轉(zhuǎn),。
4.2 試驗結(jié)果分析
試驗開始1 s后給電機驅(qū)動板通電,,PWM占空比固定為0.1、頻率20 kHz,,電機以固定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn),。圖9給出了電機電角度變化,由于電機逆時針旋轉(zhuǎn),,電角度由6.28~0范圍內(nèi)循環(huán)變化;電角度受電機脈動,、硬件噪聲等干擾,,并不是斜率不變的直線。圖10表明電機轉(zhuǎn)速在1 s時刻由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,。試驗結(jié)果表明,所設計的旋變解碼系統(tǒng)能夠有效地驅(qū)動電機,,且能實時輸出電機的轉(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設計了旋變解碼系統(tǒng),,最后進行試驗測試,。測試結(jié)果表明所設計的旋變解碼系統(tǒng)可以為電機運轉(zhuǎn)提供電角度信號,且可以實時計算轉(zhuǎn)速信息,,滿足電機運轉(zhuǎn)需求,。
參考文獻
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作者信息:
李育龍,,皮大偉,,閆明帥
(南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京210094)