旋轉變壓器／數字轉換器在直流電機控制系統中的應用研究＊

2013-09-25 01:49:30李曉青陳華泰董海鷹

電氣傳動自動化 2013年5期

李曉青，陳華泰，董海鷹

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州 730070）

1 引言

直流電動機具有良好的啟、制動性能，可以實現在大范圍內的平滑調速，因此，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。在采用電流、轉速、位置控制的三閉環調速系統中，電機的速度和轉子位置的準確、可靠檢測是實現電機控制的關鍵。

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

本文提及的直流電機控制系統采用無刷旋轉變壓器檢測電機的轉子位置和電機的轉速，采用新型的旋轉變壓器/數字轉換器AD2S1210［4］將旋轉變壓器輸出的模擬信號轉化為數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 旋轉變壓器及其信號

旋轉變壓器[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，而旋轉變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉子的角位移而發生變化，輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦關系，或保持某一比例關系，或是在一定的轉角范圍內與轉速成線性關系。本文選用可變磁阻的旋轉變壓器，其轉子上不存在繞組，如圖1所示。初級繞組和次級繞組均位于定子上，但是轉子的特殊設計使得次級耦合隨著角位置變化而發生正弦變化，輸出電壓的計算公式為：

其中：θ為軸角；sinωt為轉子激勵頻率；E0為轉子激勵幅度。

圖1 可變磁阻旋轉變壓器

圖2 旋轉變壓器電信號圖示

兩個定子繞組機械錯位90°。初級繞組采用交流基準源勵磁。隨后在定子次級繞組上的耦合的幅度是轉子相對于定子的位置函數。因此，旋轉變壓器產生由軸角的正弦和余弦調制的兩個輸出電壓（S3-S1，S2-S4）。旋轉變壓器是指從旋轉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位分辨率旋轉變壓器/數字轉換器單片集成電路。集成了片上可編程正弦波振蕩器，為旋轉變壓器提供正弦波勵磁。轉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置為2kHz至20kHz范圍內的多個標準頻率。Type II跟蹤環路能夠跟蹤輸入信號，且沒有轉換延遲，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換為輸入角度和速度所對應的數字量。通過16位并行端口或4線串行接口可以訪問10位至16位絕對角位置數據，或者10位至16位帶符號的數字量速度。最大跟蹤速率為3125rps。故障檢測電路可以檢測旋轉變壓器的信號丟失、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編程，以便針對特定應用進行優化。以上特點不僅簡化了外圍電路設計，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行編程，以及設置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據也可以在配置模式下進行回讀。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，數據輸出可提供角位置或角速度數據。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據提供給輸出引腳。如表1所示。

表1 模式配置

5 AD2S1210的數字接口

角位置和角速度二進制數據表示，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利用一組片內寄存器控制其可編程功能。數據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在直流電機控制中的應用

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

在本系統中AD2S1210采用并行的工作方式。旋轉變壓器測得的轉子角位置信號和電機的速度信號經過AD2S1210轉換成相應的數字量信號。并由FPGA通過對AD2S1210進行讀寫控制，把相應的位置和速度數據存儲在FPGA中，當DSP需要相應的數據時，FPGA在DSP的控制下將需要的數據傳送到DSP。通過配置相應的引腳使得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，可以回讀一個片內寄存器所存儲的數據，包括故障寄存器的數據。AD2S1210與整個系統的接口原理如圖5所示。FPGA對AD2S1210的讀寫控制程序的流程圖如圖6所示[11]。為了減少硬件調試的工作，加快調試的進度，在程序的調試初期，運用MODELSIM進行了RTL級仿真，仿真的波形圖如圖7所以。在完成RTL級仿真之后，再連接好相應的硬件，通過FPGA的JTAG口進行測試，通過Quartus II自帶的邏輯分析儀采集到的數據如圖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據。