基于DSP的旋轉(zhuǎn)變壓器角度解碼方法

湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 周 曼 易吉良 呂道軒

0 引言

作為伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸位置和速度傳感設(shè)備，旋轉(zhuǎn)變壓器(以下簡(jiǎn)稱旋變)具有堅(jiān)固耐用、寬工作溫度、抑制共模噪聲等優(yōu)點(diǎn)，能夠在嚴(yán)酷環(huán)境中穩(wěn)定工作，廣泛應(yīng)用于軌道交通、新能源汽車以及具有嚴(yán)格安全要求的航空等工業(yè)領(lǐng)域。目前針對(duì)旋變解碼有兩種解碼方法：一種是硬件的解碼方法，主要是專用解碼芯片--旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片(resolver to digital convertor,RDC)。這種芯片解碼精度高，且能夠提供旋變所需的激勵(lì)信號(hào)，但這種方法最大的缺點(diǎn)是成本高，一片RDC甚至與旋變的價(jià)格相當(dāng)。另一種是軟件的解碼方法，可分為反正切法和角度跟蹤法(angle tracking observer,ATO)。

本文針對(duì)旋變的工作特性，設(shè)計(jì)外部信號(hào)調(diào)理電路和解碼系統(tǒng)，并通過TMS320F28335實(shí)現(xiàn)，然后再仿真軟件上驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖

圖2 旋變輸入、輸出信號(hào)波形圖

1 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

圖1所示說明了最常用旋變的工作原理，安裝在旋變轉(zhuǎn)子的激勵(lì)線圈輸入高頻激勵(lì)信號(hào)Ve，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。正交安裝在旋變定子的正弦線圈和余弦信號(hào)線圈感應(yīng)激勵(lì)線圈磁場(chǎng)產(chǎn)生交變電壓Vesin和Ve-cos，其幅值與旋變轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。圖2所示是旋變輸入激勵(lì)信號(hào)和輸出正弦、余弦信號(hào)波形圖，相應(yīng)的表達(dá)式如式(1)，k表示旋變的變壓比，ω表示勵(lì)磁電壓頻率，為旋變輸出的角度可以看出，隨著旋變轉(zhuǎn)動(dòng)，旋變的兩路輸出信號(hào)的包絡(luò)被調(diào)制為正弦和余弦信號(hào)。旋變解碼的任務(wù)便是從兩路輸出信號(hào)解算出旋變的角位移，進(jìn)而解算出角速度，以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式(1)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度可以通過求取正弦信號(hào)和余弦信號(hào)比值的反正切函數(shù)求得，如式(2)所示。

取N個(gè)相鄰采樣點(diǎn)的轉(zhuǎn)子位置角，求出角度增量，則可由式(3)得出旋變轉(zhuǎn)速。

其中，T為采樣周期。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 外部電路設(shè)計(jì)

外部電路設(shè)計(jì)分為三個(gè)模塊，分別是激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路、調(diào)理電路和輸出信號(hào)調(diào)理電路。

輸入信號(hào)調(diào)理電路通過DSP的TIME0定時(shí)器和電平轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生幅值5V，頻率10kHZ，占空比為50%的方波信號(hào)，再通過積分電路轉(zhuǎn)換三角波信號(hào)，最后經(jīng)過正弦波產(chǎn)生電路變?yōu)檎也?。正余弦信?hào)調(diào)理電路主要包括濾波電路、單端信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和絕對(duì)值加法電路。經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后的正余弦信號(hào)經(jīng)DSP的AD端口采集，再由解碼算法解算出轉(zhuǎn)子位置信息。

2.2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)

解算角度信息方法采用二階跟蹤法，即角度跟蹤法（ATO）的一種，其數(shù)學(xué)模型如圖3所示。其中，為旋變輸入角度值，Φ為估算的角度值，e是誤差信號(hào)。該二階系統(tǒng)能夠無差地跟蹤速度信號(hào)。觀測(cè)器對(duì)旋變輸出信號(hào)和估計(jì)值進(jìn)行比較，通過縮小實(shí)際值和估計(jì)值的誤差，使兩個(gè)變量達(dá)到一致，最后取這個(gè)值就是旋變的角度值。

圖3 系統(tǒng)ATO模型圖

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，對(duì)該解碼系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解碼系統(tǒng)平臺(tái)如圖4所示，由此系統(tǒng)，設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子分別以200rad/s、1000rad/s、4000rad/s

的速度旋轉(zhuǎn)，頻率為1kHz，記錄由該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并與設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速比較，由表1表明，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的旋變轉(zhuǎn)速與設(shè)定的轉(zhuǎn)速誤差在0.06%以內(nèi)，并且隨著轉(zhuǎn)速的增大，誤差越來越小，可以看出，該解碼系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)旋變的快速，準(zhǔn)確的位置解碼。

圖3 解碼系統(tǒng)測(cè)試圖

表1 測(cè)量結(jié)果及誤差

4 結(jié)論

以高性能伺服系統(tǒng)的位置和速度檢測(cè)為對(duì)象，以構(gòu)建低成本高精度實(shí)時(shí)旋變解碼方法和系統(tǒng)為研究目標(biāo)，研究針對(duì)旋變信號(hào)的二階觀測(cè)器，搭建基于DSP的旋變信號(hào)解碼系統(tǒng)，能夠無縫嵌入電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低成本高性能的旋變解碼方案。