摘  要：本文介紹了一種檢測轉(zhuǎn)子位置的方法，設(shè)計(jì)了基于RDC芯片AD2S90的旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號的接口電路，并在軍用裝甲車交流傳動系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的精確測量。
關(guān)鍵詞：位置傳感器；旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)；AD2S90

引言
    在軍用車輛交流傳動系統(tǒng)中，由于要適應(yīng)沖擊震動和溫濕度變化等惡劣的工作環(huán)境，普通檢測轉(zhuǎn)子位置的光電編碼器很容易損壞，而旋轉(zhuǎn)變壓器由于其堅(jiān)固耐用且可靠性高，可以很好地解決這一問題。但旋轉(zhuǎn)變壓器是一種模擬機(jī)電元件，不能滿足數(shù)字化的要求，故需要接口電路實(shí)現(xiàn)其模擬信號與控制系統(tǒng)數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)化，這類接口電路是一類特殊的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，也就是我們常說的旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)。

RDC電路設(shè)計(jì)
主要器件及原理
    本系統(tǒng)采用日本多摩川公司生產(chǎn)的TS262N21E11無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。電路中主要采用了ADI公司的兩個(gè)R/D轉(zhuǎn)換器AD2S90和程控振蕩器AD2S99，二者要配合使用。

    AD2S90是RDC電路設(shè)計(jì)的核心，內(nèi)部功能模塊主要是由相敏檢測器、乘法器、壓控振蕩器(VCO)、增減計(jì)數(shù)器形成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器的兩路定子繞組的輸出信號Esinwtsinq和Esinwtcosq分別送入AD2S90的sin和cos輸入引腳后，經(jīng)過其內(nèi)部運(yùn)放再送至乘法器中，此時(shí)，若內(nèi)部增減計(jì)數(shù)器輸出的初始數(shù)字角度j也被送入乘法器，則經(jīng)乘法運(yùn)算后得到的輸出信號為Esinwtcosqsinj和Esinwtsinqcosj，二者再進(jìn)行相減運(yùn)算便得到輸出信號Esinwtsin(q-j)，信號中的誤差部分被送入由相敏檢測器、乘法器、壓控振蕩器、增減計(jì)數(shù)器形成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使sin(q-j)=0，即q-j=0，此時(shí)增減計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字角度j就是轉(zhuǎn)子的位移角度。

    AD2S99是專為旋轉(zhuǎn)變壓器／數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供的勵(lì)磁信號源，信號頻率有4種選擇，即2kHz、5kHz、10kHz和20kHz。它不僅為AD2S90提供同步基準(zhǔn)電壓信號，同時(shí)還給旋轉(zhuǎn)變壓器提供高品質(zhì)的正弦波勵(lì)磁信號，還具有信號相位補(bǔ)償和信號丟失檢測等優(yōu)點(diǎn)。

RDC電路的總體設(shè)計(jì)方案
    旋轉(zhuǎn)變壓器二次繞組輸出的兩路信號sinj和cosj作為AD2S90的位置角檢測的模擬信號輸入，通過屏蔽雙絞線，分別接到AD2S90相應(yīng)的輸入端SIN和SINL0。同時(shí)，COS和COSL0的信號作為反饋信號接至AD2S99，通過AD2S99內(nèi)部處理后產(chǎn)生輸出信號SYNREF(為±3Vp-p方波輸出信號且相位與SIN和COS輸入信號保持一致)，連接至AD2S90的REF引腳，用于補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)變壓器一次側(cè)到二次側(cè)的相位偏差，否則會降低RDC的轉(zhuǎn)換精度。AD2S99通過輸出端EXC和/EXC(EXC和/EXC為兩路±2Vrms、8mA的正弦信號，且/EXC相位相對于EXC要超前180°)為旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組提供所需工作頻率的勵(lì)磁信號，勵(lì)磁信號的工作頻率可以通過AD2S99的引腳SEL1、SEL2和FBIAS來設(shè)置。另外，AD2S99的引腳LOS用于指示SIN和COS信號缺失的檢測情況，正常工作時(shí)LOS為低電平；若SIN和COS信號都低于LOS規(guī)定的電壓閾值(Vrms)，則LOS被上拉到高電平VDD。

    提供給控制器的位置信號有兩種輸出方式，一是SPI輸出(12位)，最高傳輸速率為2Mbps；二是模擬增量式編碼器輸出，A、B和NM信號，相當(dāng)于一個(gè)1024線增量式編碼器。

圖1 電路原理圖

    電路總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。接口電路設(shè)計(jì)還需要注意以下幾點(diǎn)：
1 電路中所有模擬地信號要以星形方式連接至AD2S90的引腳AGND。
2 若旋轉(zhuǎn)變壓器的信號通過屏蔽雙絞線傳輸時(shí)，屏蔽層也要連至 AGND引腳。
3 AD2S99的輸出信號SYNREF與AD2S90的輸入引腳REF相連時(shí)，為了減小AD2S99的SYNREF信號的直流偏移，需要添加0.1mF的串聯(lián)電容和100KW的對地電阻。

圖2　旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦信號波形圖

圖3　輸出給DSP的正交編碼脈沖波形

RDC電路試驗(yàn)波形
    圖2和圖3是RDC電路在4對極感應(yīng)電機(jī)測速系統(tǒng)的試驗(yàn)波形，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率為63.4Hz，旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊輸入勵(lì)磁信號頻率設(shè)置為10KHz。其中圖2是RDC電路的輸入波形，即由旋轉(zhuǎn)變壓器副邊的兩個(gè)繞組分別輸出的正弦信號和余弦信號；圖3是RDC電路的輸出波形，即以正交編碼脈沖形式提供給DSP的位置測量信號。參照圖2可見，輸入波形的品質(zhì)好，達(dá)到了RDC的設(shè)計(jì)要求；輸出的轉(zhuǎn)子位置信號波形符合DSP的QEP電路接收要求，而且脈沖正交性好，無毛刺，保證了DSP對位置信號的采樣精度。

結(jié)語
    該數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器最大的優(yōu)點(diǎn)在于其簡單、可靠的硬件電路和較高的精度與分辨率，本方案在軍用裝甲車交流傳動系統(tǒng)中很好地實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的精確測量。

參考文獻(xiàn)
1 李科杰．新編傳感器技術(shù)手冊．北京：國防工業(yè)出版社，2002
2 曲家騏，王季秩．伺服控制系統(tǒng)中的傳感器．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998