旋轉(zhuǎn)變壓器在高速永磁同步電動機(jī)中的應(yīng)用

1、旋轉(zhuǎn)變壓器在高速永磁同步電動機(jī)中的應(yīng)用    黃科元，董恒，黃守道    (湖南大學(xué)，湖南長沙4l0082)    摘要：介紹一種用于高速永磁同步電動機(jī)控制的轉(zhuǎn)子位置檢測方法，該方法采用旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器Au6802N1，將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字位置信號。設(shè)計了Au6802N1與旋轉(zhuǎn)變壓器和TMs320F2812之間的接口電路，并提出了種具有較強(qiáng)容錯性的位置信號數(shù)字處理方法。試驗(yàn)表明，該方案能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置和速度的檢測。O引  言    在采用磁

2、場定向控制的永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，需要實(shí)時地檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、速度的閉環(huán)控制。通常的檢測方法是使用光電編碼器，而常用的正交光電編碼器起動時需要一段時間進(jìn)行轉(zhuǎn)軸定位，而且抗沖擊震動性差，因此在需要快速響應(yīng)的高速運(yùn)行且對抗震要求較高的場合，往往使用旋轉(zhuǎn)變壓器。    旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是含位置信息的模擬信號，需要將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才可輸入到單片機(jī)或DsP等控制芯片。本文采用多摩川公司的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器Au6802N1將模擬位置信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字位置信號，同時采用TMs320F2812作主控cPu，可滿足系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子位置與速度信號實(shí)時快速檢測和處

3、理的要求。實(shí)驗(yàn)表明該方案確實(shí)可行，并具有較高的控制精度。1旋轉(zhuǎn)變壓器的原理本系統(tǒng)選用的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器如圖1所示。經(jīng)過無刷化設(shè)計，旋轉(zhuǎn)變壓器初級勵磁繞組(R1一R2)和二相正交的次級感應(yīng)繞組(s1一s3，s2一S4)同在定子側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)是與初級繞組和次級繞組磁通耦合的特殊結(jié)構(gòu)的線圈繞組。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子隨電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)、初級勵磁繞組外加交流勵磁電壓后，次級兩輸出繞組中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，大小為勵磁與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角的正、余弦值的乘積。旋轉(zhuǎn)變壓器輸入輸出關(guān)系如下：式中：F0勵磁最大幅值；    勵磁角頻率；    K旋轉(zhuǎn)變壓器變比； 

4、60;  轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。2基于Au6802N1的接口電路2 1旋轉(zhuǎn)變壓器與Au6802N1的接口電路Au6802N1提供給旋轉(zhuǎn)變壓器的交流勵磁電壓由RsOcOM口輸出，頻率由引腳FsEL1和FsEL2設(shè)置，在圖2的電路中勵磁電壓信號的頻率設(shè)置為10 kHz。勵磁電壓的有效值通過雙電源B00ster放大電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。該勵磁電壓信號又反饋回R1ER2E端口，用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部相位同步檢測和斷相檢測。旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的cos和sin信號經(jīng)過調(diào)理后分別由s3-s1和s4-s2端口進(jìn)入解碼芯片。參數(shù)選擇：V=15 V，Ri=22 k，Rf=100 k，R1=R2=3. 3 k，R3=R4=4. 7 ，

5、Rext=12 ，RRl=RR2=33 k，R11=20 k，R12=200 k，RBH=68 k，RBL=20 k；Ci=O1F，Cf=200 pF，Cn=100 pF，Cc=1 000 pF。22 Au6802Nl與TMs320F2812的接口設(shè)計本系統(tǒng)采用TMs：320F2812作為主控cPu，用Au6802Nl將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬位置信號(sin，cos)轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)字信號，然后由DSP將數(shù)字位置信號讀人并進(jìn)行處理。Au6802Nl有三種輸出信號模式：脈沖接口模式、并行IO接口模式和并行總線接口模式，這三種信號輸出模式可以通過其芯片引腳OuTMD、cSB、RDB、INTB的電平設(shè)置

6、來設(shè)定。脈沖接日模式是仿增量式光電編碼器工作方式，輸出正交編碼脈沖，同時還可以輸出磁極位置信號以及轉(zhuǎn)速故障信號。并行L0接口模式就是并行輸出絕對式位置信號的數(shù)字量。另外，可編程sPI口也為其與DsP之間傳輸電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號提供了理想的接口，在上述三種模式下均可正常工作而不需要任何設(shè)置。該芯片所提供的多種信號輸出模式為用戶的信號接口電路設(shè)計提供了更多的選擇，可以實(shí)現(xiàn)不同的用途。本系統(tǒng)中使用絕對式輸出模式，絕對式輸出為12位位置信號，分辨率60 000rmin;而且可以輸出方向信號和錯誤信號，外圍電路簡單，只需少許元件就可以完成解碼工作，輸出信號由電平轉(zhuǎn)換芯片SN74ALVcl64245完成Au

7、6802N1輸出5 v電平到DsP輸入3. 3 V電平的轉(zhuǎn)換后直接與DsP的IO口相連。其接口電路原理圖如圖3所示。3信號處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速6 000 rmin，功率42kw，極對數(shù)2對極；PwM采樣頻率為5 kHz；旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁信號頻率10 kHz，有效值7 V。由于干擾的存在，信號經(jīng)過Au6802M解碼出來的數(shù)字角位置信號與實(shí)際電機(jī)軸角不一定吻合，旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片會有丟脈沖的現(xiàn)象，進(jìn)而影響到轉(zhuǎn)子角度的精確測量，從ccs2000軟件的觀測窗口中可以看到，在角度測量斜坡線上會出現(xiàn)數(shù)值突變的情況，如圖4所示。由于角度測量的誤差，會導(dǎo)致電流沖擊。為了克服角度測量誤差，本系統(tǒng)采

8、用了中位值濾波和微分限幅補(bǔ)值對位置信號進(jìn)行了處理。實(shí)現(xiàn)中位值濾波方法為：DsP每隔5s連續(xù)讀取位置角7次，把7次采樣值按大小排列，取中間值(第4次)為本次的有效值。該方法能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，但實(shí)驗(yàn)表明不能完全消除干擾。因此對中位值濾波后的值進(jìn)一步進(jìn)行微分限幅補(bǔ)值處理，處理算法如下：(1)根據(jù)實(shí)際測試和經(jīng)驗(yàn)，確定相鄰兩次采樣允許的最大偏差值(設(shè)為delta M)；(2)讀取本次采樣值A(chǔ)(n)和上次采樣值A(chǔ)(n-1)，計算兩次值的偏差的絕對值deltaA=ABs(A(n)-A(n-1)；(3)判斷：如果deltaAdelta肼，則A(n)有效；如果deltaA>deltaM，

9、則本次值無效，A(n)=A(n-1)+delfaA(n-1)。本系統(tǒng)角度采樣在每個PwM周期進(jìn)行，采樣時間間隔為200s，相鄰兩次采樣允許的最大偏差角度delta M設(shè)定為當(dāng)前電機(jī)給定速度ref在一個采樣周期內(nèi)角度的變化值的兩倍，即：    deltaM=2refTs轉(zhuǎn)子數(shù)字角度的軟件處理流程圖如圖5所示。經(jīng)中位值濾波和微分限幅補(bǔ)值處理后消除了因干擾產(chǎn)生的角度數(shù)值突變，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)給定轉(zhuǎn)速6 000 rmin，IGBT上下橋臂死區(qū)時間設(shè)置為5s，圖7a為旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁波形；圖7b為旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號所示；圖7c是電動機(jī)對應(yīng)的電流波形；圖7d是電機(jī)對應(yīng)的線電壓波形；經(jīng)檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)速波動百分之零點(diǎn)零五。4結(jié)語在高速大功率永磁同步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，以旋轉(zhuǎn)變壓器Ts2225N12E102與解碼芯片Au6802Nl構(gòu)成