旋转变压器／数字转换器在直流电机控制系统中的应用研究＊

2013-09-25李晓青陈华泰董海鹰

电气传动自动化 2013年5期

李晓青，陈华泰，董海鹰

（兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070）

1 引言

直流电动机具有良好的启、制动性能，可以实现在大范围内的平滑调速，因此，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。在采用电流、转速、位置控制的三闭环调速系统中，电机的速度和转子位置的准确、可靠检测是实现电机控制的关键。

在常用的光电编码器、霍尔传感器和旋转变压器等转子位置和速度传感器中，旋转变压器适用于高温、严寒、高速、高震动等场合，同时与旋转变压器/数字转换器配合使用能够产生转子绝对位置和速度的输出信息[1-3]。因此适用于直流电机的数字控制系统，可以实现直流电机系统高性能、高可靠性的要求。

本文提及的直流电机控制系统采用无刷旋转变压器检测电机的转子位置和电机的转速，采用新型的旋转变压器/数字转换器AD2S1210［4］将旋转变压器输出的模拟信号转化为数字的绝对位置和速度输出信号。分析了AD2S1210的工作原理，给出了与FPGA的通讯接口电路。

2 旋转变压器及其信号

旋转变压器[5-6]是一种精密的角度、位置、速度的检测装置，其工作原理与普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出的电压和输入的电压之比是一个常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移而发生变化，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦关系，或保持某一比例关系，或是在一定的转角范围内与转速成线性关系。本文选用可变磁阻的旋转变压器，其转子上不存在绕组，如图1所示。初级绕组和次级绕组均位于定子上，但是转子的特殊设计使得次级耦合随着角位置变化而发生正弦变化，输出电压的计算公式为：

其中：θ为轴角；sinωt为转子激励频率；E0为转子激励幅度。

图1 可变磁阻旋转变压器

图2 旋转变压器电信号图示

两个定子绕组机械错位90°。初级绕组采用交流基准源励磁。随后在定子次级绕组上的耦合的幅度是转子相对于定子的位置函数。因此，旋转变压器产生由轴角的正弦和余弦调制的两个输出电压（S3-S1，S2-S4）。旋转变压器是指从旋转变压器输出获得的信号，如式（1）、式（2）所示。如图2所示显示了输出的格式。

3 AD2S1210的工作原理

AD2S1210是新推出的10位至16位分辨率旋转变压器/数字转换器单片集成电路。集成了片上可编程正弦波振荡器，为旋转变压器提供正弦波励磁。转换器的正弦和余弦输入端允许输入电压为3.15VP-P±27%。可编程的激磁频率，可以很容易地将激磁频率设置为2kHz至20kHz范围内的多个标准频率。Type II跟踪环路能够跟踪输入信号，且没有转换延迟，可以抑制噪声，以及参考和输入信号的谐波失真，并将正弦和余弦输入端的信息转换为输入角度和速度所对应的数字量。通过16位并行端口或4线串行接口可以访问10位至16位绝对角位置数据，或者10位至16位带符号的数字量速度。最大跟踪速率为3125rps。故障检测电路可以检测旋转变压器的信号丢失、超范围输入信号、输入信号失配或位置跟踪丢失。故障检测可以由用户单独编程，以便针对特定应用进行优化。以上特点不仅简化了外围电路设计，而且使其功能得到了丰富，性价比比较高。

4 AD2S1210的配置模式

AD2S1210有配置模式和普通模式两种工作模式。配置模式用于对寄存器进行编程，以及设置AD2S1210的激磁频率、分辨率和故障检测阈值。配置模式也可以用于回读故障寄存器中的信息。位置和速度寄存器中的数据也可以在配置模式下进行回读。AD2S1210完全可以工作在配置模式下；或者初始化配置完成后，可以让器件离开配置模式，工作在普通模式下。在普通模式下工作时，数据输出可提供角位置或角速度数据。A0和A1输入用来确定AD2S1210是否处于配置模式，以及是否将位置或速度数据提供给输出引脚。如表1所示。

表1 模式配置

5 AD2S1210的数字接口

角位置和角速度二进制数据表示，可以通过16位并行接口或者一个时钟速率最高为25MHz的4线串行接口提取。AD2S1210利用一组片内寄存器控制其可编程功能。数据通过串行或并行接口写入这些寄存器。串行输出使能引脚处于高电平时，并行接口使能。处于低电平时，串行接口使能。片选信号必须处于低电平才能使能改接口。

6 AD2S1210在直流电机控制中的应用

本系统采用DSP+FPGA的控制方式[7-8]，采用TI的高性能数字信号处理器TMS320F2812［9］作为主控芯片，对电机进行相应的控制。DSP首先对传感器测得的电流信号、力信号、位置信号、速度信号进行处理得到相应的控制信号，然后通过控制PWM的输出来控制相应的电机。在此期间为了提高DSP的工作效率，本系统通过FPGA[10]来处理相应的逻辑以及通信问题。

在本系统中AD2S1210采用并行的工作方式。旋转变压器测得的转子角位置信号和电机的速度信号经过AD2S1210转换成相应的数字量信号。并由FPGA通过对AD2S1210进行读写控制，把相应的位置和速度数据存储在FPGA中，当DSP需要相应的数据时，FPGA在DSP的控制下将需要的数据传送到DSP。通过配置相应的引脚使得AD2S1210一直工作在配置模式。按照图3所示的时序，可以在并行模式下写入AD2S1210的片寄存器。按照图4所示的时序，可以回读一个片内寄存器所存储的数据，包括故障寄存器的数据。AD2S1210与整个系统的接口原理如图5所示。FPGA对AD2S1210的读写控制程序的流程图如图6所示[11]。为了减少硬件调试的工作，加快调试的进度，在程序的调试初期，运用MODELSIM进行了RTL级仿真，仿真的波形图如图7所以。在完成RTL级仿真之后，再连接好相应的硬件，通过FPGA的JTAG口进行测试，通过Quartus II自带的逻辑分析仪采集到的数据如图8所示。由图可知，该程序可以正确读取AD2S1210测得的速度和位置数据。