基于AD2S1210的永磁同步電機轉子位置及速度檢測電路設計

2016-01-07 09:19:43倪有鵬,胡清科

山東理工大學學報(自然科學版) 2015年5期

倪有鵬1，胡清科2

(1.棗莊科技職業學院信息工程系, 山東棗莊 277500； 2.兗礦國泰化工有限公司，山東棗莊 277500 )

摘要：設計了一種用于檢測電機轉子位置及速度的電路方案，此方案基于AD2S1210解碼芯片作為處理器搭建外圍電路，采用上海贏雙電機有限公司生產的YS52XFW9753旋轉變壓器作為傳感器.通過AD2S1210給旋轉變壓器提供激勵信號，并對其回饋信號進行解碼，得到電機轉子位置及速度的16位二進制碼.采用DSP28335及永磁同步電機對設計方案進行了檢測，測試結果表明該設計性能良好，可實時實現電機轉子位置和速度的檢測.

關鍵詞：電機測速；轉子位置檢測；旋轉變壓器；AD2S1210

中圖分類號：TM464 文獻標志碼：A

收稿日期：2014-10-29

作者簡介：吳朋，男，1029396804@qq.com；通信作者：殷秀清，女， yinxq@163.com

文章編號：1672-6197(2015)05-0069-05

ThedetectioncircuitdesignofPMSMrotorpositionandspeedbasedonAD2S1210

NIYou-peng1，HUQing-ke2

(1.DepartmentofInformationEngineering,ZaozhuangVocationalCollegeofScienceandTechnology,Zaozhuang277500,China;

2.YankuangCathayPacificChemicalCompanyLimited,Zaozhuang277500,China)

Abstract:A circuit scheme for detecting rotors′ position and speed is proposed in this paper. Using decoder chip AD2S1210 as the processor,and YS52XFW9753 resolver, produced by Shanghai YingShuang Motor Ltd., as a sensor， a peripheral circuit is built. Incentives signals are provided to the resolver by AD2S1210, and its feedback signal is decoded to obtain the rotor position and speed of 16-bit binary code, which are detected by DSP28335 and resolver in this paper. The test results show that the design has a good performance, and can achieve real-time detection of the rotors′ position and speed.

Keywords:motorspeeddetection;rotorpositiondetection;resolver;AD2S1210

隨著電動汽車的快速發展，永磁同步電機得到了廣泛的使用，為滿足其電機驅動系統的高精度、快速性、可靠性等方面的要求，通常采用矢量控制策略.因此，需要精準的電機電角度參數，而旋轉變壓器因其堅固耐用，并能提供高精度的位置信息而得到深入研究[1].旋轉變壓器的高精度位置信息，使得永磁同步電機能夠較好實現矢量控制策略，其性能穩定，實時性好，速度響應快[2-3].旋轉變壓器接收模擬激勵信號，根據軸腳的變化反饋不同幅值的正余弦信號，對通過AD2S1210解碼芯片轉換為16位二進制碼的位置及速度信號(速度信號第一位為速度標示位，其數字信號為二進制補碼)[4]，再用數字信號處理器TMS320F28335進行數據處理，并通過串口通信SCI讀取永磁同步電機真實位置及速度量[5].

本文采用的旋轉變壓器是上海贏雙電機有限公司生產的YS52XFW9753，文中對其工作原理進行分析，并詳細闡述AD2S1210的外圍設計電路，同時對其工作時序進行分析，最后在永磁同步電機實驗平臺進行測試.

1旋轉變壓器的工作原理

旋轉變壓器可分為正余弦旋轉變壓器、線性旋轉變壓器及比例式旋轉變壓器，而正余弦旋轉變壓器可分為經典旋變和可變磁阻式旋變兩種[6].本文選用可變磁阻式正余弦旋轉變壓器，其原理如圖1所示.

圖1 　旋轉變壓器原理圖

圖1中θ為軸角，sin(ωt)為激勵特性，Vp為激勵信號電壓峰值，Vr為激勵信號電壓，Vs為旋轉變壓器回饋電壓峰值，電壓Va、Vb分別為感應繞組S1-S3、S2-S4上回饋電壓.當旋轉變壓器在交流基準源激勵下，定子次級繞組上的感應電壓隨轉軸相對于定子位置(轉軸與定子位置關系為軸角)的變化而變化.其交流激勵信號為

(1)

正余弦旋轉變壓器的兩個定子次級繞組電角度相差90° ，即為感應繞組S1-S3、S2-S4.同時可得出隨軸角變化而產生的正余弦回饋電壓.其電壓為

(2)

本文采用的YS52XFW9753旋轉變壓器極對數為3，激磁電壓7V(AC)，激磁頻率10kHz.

2AD2S1210外圍電路設計

AD2S1210內部包括可編程的正弦波振蕩器、錯誤檢測電路、Ⅱ型閉環系統及數據總線接口等4個單元.其中AD2S1210解碼芯片的可編程正弦波振蕩器可產生峰-峰值為3.15×(1±0.27)V、頻率為2 ~20kHz的基準源信號.此基準源信號通過濾波及功率放大電路向旋轉變壓器提供激勵.其電路如圖2所示.

圖2　AD2S1210正弦波振蕩器濾波及功放電路

AD2S1210的激勵信號典型輸出電壓峰峰值為7.2V，正余弦輸入端允許電壓為3.15×(1±0.27)V，濾波電路參考電壓典型值為2.47V，旋轉變壓器激勵端電壓典型值為7V.考慮到旋轉變壓器及外圍電路損耗，故采用功放電路將其激勵輸出電壓峰峰值設計為8V，以保證電路穩定.

本文采用的高頻濾波器頻域表達式為

(3)

功率放大電路頻域表達式為

(4)

由式(3)、式(4)可知此濾波器及功放電路頻域特性，其中濾波器帶反向功能，故選定圖2中設計參數如下：R1=R2=R7=R8=20kΩ，R4=R10=R6=R12=1kΩ，R5=R11=4.7kΩ，R3=R9=6.8kΩ，C1=C5=470pF，C2=C6=56pF，C3=C7=2.2nF，C4=C8=2.7nF.可得濾波電路參考電壓、正弦波振蕩器輸出電壓與參考電壓差值及其功放電路增益的頻域表達式為

(5)

可得如圖3所示波特圖.

圖3　外圍激勵電路波特圖

文中所選正弦波振蕩器輸出頻率為10kHz，參考電壓為恒定值，故圖3所示波特圖證實所選參數滿足要求.

AD2S1210正余弦接收端外圍電路如圖4所示.由圖4可知，旋轉變壓器正余弦輸出端先經過增益運放電路，再經過濾波電路.故可得正余弦接收端外圍電路增益運放頻域表達式為

(6)

圖4　AD2S1210正余弦接收端外圍電路

濾波電路表達式為

(7)

由式(6)、式7可知正余弦接收端增益電路及濾波電路頻域特性，且都帶反向功能，故選定圖4中設計參數如下：R13=R18=27kΩ，R14=R19=22kΩ，R15=R16=R20=R21=2kΩ，R17=R22=1.2kΩ，C9=C12=220pF，C10=C13=3.9nF，C11=C14=680pF.可得正余弦接收端頻域增益、濾波電路參考電壓及增益輸出與參考電壓差值頻域表達式為

(8)

可得如圖5所示波特圖.

旋轉變壓器回饋電壓為3.5×(1±0.1)V，正余弦接收端電壓典型值為3.15V，調制頻率為10kHz.故圖5所示波特圖證實所選參數滿足要求.

圖5　正余弦接收電路波特圖

3AD2S1210位置速度解碼原理

AD2S1210按TypeII跟蹤閉環原理工作，連續跟蹤旋轉變壓器軸角，無需外部轉換和等待.

AD2S1210正弦波振蕩器經過濾波及功放電路向旋轉變壓器提供勵磁信號，旋轉變壓器產生兩組承載位置速度信息的正余弦模擬信號經過增益及濾波電路輸入sin/sinlo、cos/coslo，分別經過AD采樣后送入乘法器.同時將位置積分器的輸出數字角度φ也送入乘法器，可得

(9)

式(9)上式減去下式可得

(10)

利用內部產生的合成參考解調式(10)信號，可得

Ve=kVssin(θ-φ)

(11)

當角度誤差θ-φ的值很小時，式(11)可近似為

(12)

AD2S1210采用一個相位敏感解調器、一些積分器和一個補償濾波器形成一個閉環系統，以使式(12)誤差信號歸零，則實現φ等于旋轉變壓器軸角θ，從而跟蹤恒定速度，而不存在固有誤差.

電機因由多對極組成，故其轉角分為電角度和機械角度.矢量控制策略中僅需精準的電角度，而旋轉變壓器解碼芯片所得角度為電角度，可直接用于控制.其電角度絕對位置數據為

(13)

式中m為數據的二進制位數.

旋轉變壓器解碼芯片根據數據的二進制位數決定其響應時間及精度，數據的位數越多則精度越高，同時其響應時間越慢.其精度為

(14)

而其二進制位數10°所需時間分別為：10位數0.6ms，12位數2.2ms，14位數6.5ms，16位數27.5ms.其具體位置、速度跟蹤參數見表1.

表1　位置及速度檢測參數表

4AD2S1210通信方式

AD2S1210位置速度信號由16位二進制碼表示，可通過并口接口、時鐘速率最高為25MHz的串行接口和增量式編碼器仿真輸出接口三種通信方式讀取數據.其中串口通信方式所需引腳相對較少，但時序的要求較高，且不能很好地滿足實時性.并口通信實時性好，但所需引腳較多.增量式編碼器仿真通信與普通編碼器通信并無差別但需占用DSP的資源.考慮到通信的實時性、穩定性，本文選取并口通信方式.

配置SOE引腳為高電平，設定為并口通信.配置RES0、RES1引腳為高電平，設定為16位二進制碼.A0A1=00為輸出位置數據，A0A1=01為輸出速度數據，A0A1=11為配置模式.

當要從AD2S1210中讀取數據時，SAMPLE引腳由高電平變為低電平，使其位置和速度積分器轉移到相應的寄存器中，并更新故障寄存器.一小段時間后，片選引腳CS置底，數據傳輸到輸出寄存器.A0A1引腳狀態決定輸出寄存器數據是位置量還是速度量.再讀引腳RD置底，讀取輸出寄存器中的數據值，并且對輸出緩沖器使能.當RD返回高電平，數據引腳也返回高阻態.

5測試結果

本文采用DSP28335控制以及永磁同步電機測試平臺對設計電路進行檢測，測試結果證實該設計性能良好，可實時實現電機轉子位置和速度的檢測.

本文所設計電路的旋轉變壓器激勵頻率為10kHz，電壓峰峰值為8V，圖6波形證實了其正確性.圖7為正余弦接收端信號，其波形體現了旋轉變壓器工作原理及速度信號.圖8為并口通信時序波形，體現了并口通信的時序實現.圖9為增量式編碼器仿真通信波形，其可直接輸送給DSP29335，也可用來觀察轉子位置和速度信號.