旋轉(zhuǎn)變壓器／數(shù)字轉(zhuǎn)換器在直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究＊

李曉青，陳華泰，董海鷹

（蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

1 引言

直流電動機(jī)具有良好的啟、制動性能，可以實現(xiàn)在大范圍內(nèi)的平滑調(diào)速，因此，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在采用電流、轉(zhuǎn)速、位置控制的三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確、可靠檢測是實現(xiàn)電機(jī)控制的關(guān)鍵。

在常用的光電編碼器、霍爾傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置和速度傳感器中，旋轉(zhuǎn)變壓器適用于高溫、嚴(yán)寒、高速、高震動等場合，同時與旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器配合使用能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)子絕對位置和速度的輸出信息[1-3]。因此適用于直流電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)直流電機(jī)系統(tǒng)高性能、高可靠性的要求。

本文提及的直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用新型的旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S1210［4］將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字的絕對位置和速度輸出信號。分析了AD2S1210的工作原理，給出了與FPGA的通訊接口電路。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器及其信號

旋轉(zhuǎn)變壓器[5-6]是一種精密的角度、位置、速度的檢測裝置，其工作原理與普通變壓器基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對固定的，所以輸出的電壓和輸入的電壓之比是一個常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移而發(fā)生變化，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或是在一定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。本文選用可變磁阻的旋轉(zhuǎn)變壓器，其轉(zhuǎn)子上不存在繞組，如圖1所示。初級繞組和次級繞組均位于定子上，但是轉(zhuǎn)子的特殊設(shè)計使得次級耦合隨著角位置變化而發(fā)生正弦變化，輸出電壓的計算公式為：

其中：θ為軸角；sinωt為轉(zhuǎn)子激勵頻率；E0為轉(zhuǎn)子激勵幅度。

圖1 可變磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器電信號圖示

兩個定子繞組機(jī)械錯位90°。初級繞組采用交流基準(zhǔn)源勵磁。隨后在定子次級繞組上的耦合的幅度是轉(zhuǎn)子相對于定子的位置函數(shù)。因此，旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生由軸角的正弦和余弦調(diào)制的兩個輸出電壓（S3-S1，S2-S4）。旋轉(zhuǎn)變壓器是指從旋轉(zhuǎn)變壓器輸出獲得的信號，如式（1）、式（2）所示。如圖2所示顯示了輸出的格式。

3 AD2S1210的工作原理

AD2S1210是新推出的10位至16位分辨率旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器單片集成電路。集成了片上可編程正弦波振蕩器，為旋轉(zhuǎn)變壓器提供正弦波勵磁。轉(zhuǎn)換器的正弦和余弦輸入端允許輸入電壓為3.15VP-P±27%?？删幊痰募ご蓬l率，可以很容易地將激磁頻率設(shè)置為2kHz至20kHz范圍內(nèi)的多個標(biāo)準(zhǔn)頻率。Type II跟蹤環(huán)路能夠跟蹤輸入信號，且沒有轉(zhuǎn)換延遲，可以抑制噪聲，以及參考和輸入信號的諧波失真，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對應(yīng)的數(shù)字量。通過16位并行端口或4線串行接口可以訪問10位至16位絕對角位置數(shù)據(jù)，或者10位至16位帶符號的數(shù)字量速度。最大跟蹤速率為3125rps。故障檢測電路可以檢測旋轉(zhuǎn)變壓器的信號丟失、超范圍輸入信號、輸入信號失配或位置跟蹤丟失。故障檢測可以由用戶單獨(dú)編程，以便針對特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。以上特點(diǎn)不僅簡化了外圍電路設(shè)計，而且使其功能得到了豐富，性價比比較高。

4 AD2S1210的配置模式

AD2S1210有配置模式和普通模式兩種工作模式。配置模式用于對寄存器進(jìn)行編程，以及設(shè)置AD2S1210的激磁頻率、分辨率和故障檢測閾值。配置模式也可以用于回讀故障寄存器中的信息。位置和速度寄存器中的數(shù)據(jù)也可以在配置模式下進(jìn)行回讀。AD2S1210完全可以工作在配置模式下；或者初始化配置完成后，可以讓器件離開配置模式，工作在普通模式下。在普通模式下工作時，數(shù)據(jù)輸出可提供角位置或角速度數(shù)據(jù)。A0和A1輸入用來確定AD2S1210是否處于配置模式，以及是否將位置或速度數(shù)據(jù)提供給輸出引腳。如表1所示。

表1 模式配置

5 AD2S1210的數(shù)字接口

角位置和角速度二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示，可以通過16位并行接口或者一個時鐘速率最高為25MHz的4線串行接口提取。AD2S1210利用一組片內(nèi)寄存器控制其可編程功能。數(shù)據(jù)通過串行或并行接口寫入這些寄存器。串行輸出使能引腳處于高電平時，并行接口使能。處于低電平時，串行接口使能。片選信號必須處于低電平才能使能改接口。

6 AD2S1210在直流電機(jī)控制中的應(yīng)用

本系統(tǒng)采用DSP+FPGA的控制方式[7-8]，采用TI的高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812［9］作為主控芯片，對電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。DSP首先對傳感器測得的電流信號、力信號、位置信號、速度信號進(jìn)行處理得到相應(yīng)的控制信號，然后通過控制PWM的輸出來控制相應(yīng)的電機(jī)。在此期間為了提高DSP的工作效率，本系統(tǒng)通過FPGA[10]來處理相應(yīng)的邏輯以及通信問題。

在本系統(tǒng)中AD2S1210采用并行的工作方式。旋轉(zhuǎn)變壓器測得的轉(zhuǎn)子角位置信號和電機(jī)的速度信號經(jīng)過AD2S1210轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量信號。并由FPGA通過對AD2S1210進(jìn)行讀寫控制，把相應(yīng)的位置和速度數(shù)據(jù)存儲在FPGA中，當(dāng)DSP需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PGA在DSP的控制下將需要的數(shù)據(jù)傳送到DSP。通過配置相應(yīng)的引腳使得AD2S1210一直工作在配置模式。按照圖3所示的時序，可以在并行模式下寫入AD2S1210的片寄存器。按照圖4所示的時序，可以回讀一個片內(nèi)寄存器所存儲的數(shù)據(jù)，包括故障寄存器的數(shù)據(jù)。AD2S1210與整個系統(tǒng)的接口原理如圖5所示。FPGA對AD2S1210的讀寫控制程序的流程圖如圖6所示[11]。為了減少硬件調(diào)試的工作，加快調(diào)試的進(jìn)度，在程序的調(diào)試初期，運(yùn)用MODELSIM進(jìn)行了RTL級仿真，仿真的波形圖如圖7所以。在完成RTL級仿真之后，再連接好相應(yīng)的硬件，通過FPGA的JTAG口進(jìn)行測試，通過Quartus II自帶的邏輯分析儀采集到的數(shù)據(jù)如圖8所示。由圖可知，該程序可以正確讀取AD2S1210測得的速度和位置數(shù)據(jù)。

圖3 并行端口寫入時序-配置模式

圖4 并行端口讀取時序-配置模式

圖5 AD2S1210與整個系統(tǒng)的接口原理圖

圖6 AD2S1210的讀寫控制程序的流程圖

圖7 用Modelsim得到的仿真圖

7 結(jié)論

基于AD2S1210的旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子位置和速度檢測方法硬件電路簡單可靠，與整個系統(tǒng)的通信方式靈活，容易實現(xiàn)。該方法在比較精確的直流電機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖8 Quartus II自帶的邏輯分析儀采集到的數(shù)據(jù)

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