基于AU6802N1的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)接口電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院李耀海胡廣艷郝瑞祥葉斌

引言旋轉(zhuǎn)變壓器是一種模擬型機(jī)電元件，為了滿(mǎn)足交流傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字化控制的要求，就需要一定的信號(hào)接口電路，以實(shí)現(xiàn)其模擬信號(hào)與控制系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)化，這類(lèi)接口電路是一類(lèi)特殊的ADC，也就是所謂的旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）。日本多摩川公司生產(chǎn)的R/D轉(zhuǎn)換芯片AU6802N1可以方便地將旋轉(zhuǎn)變壓器的軸角位移信號(hào)（模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)所需要的數(shù)字信號(hào)，并具有多種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出模式，且使用簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高。本文介紹了AU6802N1的功能特性、位置檢測(cè)信號(hào)的輸出模式，并利用AU6802N1設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號(hào)測(cè)量的外圍接口電路，將其應(yīng)用于越野電動(dòng)車(chē)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)50kW4對(duì)極交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的測(cè)量。AU6802N1簡(jiǎn)介AU6802N1的內(nèi)部功能如圖1所示。

提供給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁信號(hào)由芯片內(nèi)部產(chǎn)生并通過(guò)RSO口輸出，其頻率可以設(shè)置為10/20kHz。由旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的轉(zhuǎn)速正弦信號(hào)和余弦信號(hào)分別通過(guò)S2－S4，S1－S3口輸入，再經(jīng)10位乘法器與反饋轉(zhuǎn)速的數(shù)字跟蹤量相乘，產(chǎn)生的信號(hào)再通過(guò)比較器和相位補(bǔ)償及同步校正處理后，得到所需轉(zhuǎn)速的數(shù)字量。轉(zhuǎn)速輸出模式可通過(guò)外部引腳FSEL1和FSEL2設(shè)置，轉(zhuǎn)速的數(shù)字量以脈沖形式、并行輸出形式、并行總線(xiàn)形式、SPI形式來(lái)傳遞給數(shù)字信號(hào)處理器。該芯片內(nèi)部還具有故障自檢，信號(hào)線(xiàn)斷路檢測(cè)及相位同步檢測(cè)等功能。AU6802N1采用TQFP－52封裝，大小僅為10.0×10.0×1.0mm3，工作溫度范圍為-40～125℃。輸出信號(hào)模式AU6802N1有三種輸出信號(hào)模式：脈沖接口模式、并行I/O接口模式和并行總線(xiàn)接口模式，這三種信號(hào)輸出模式可以通過(guò)其芯片引腳OUTMD、CSB、RDB、INTB的電平設(shè)置來(lái)設(shè)定。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(hào)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。該芯片所提供的多信號(hào)輸出模式為用戶(hù)的信號(hào)接口電路設(shè)計(jì)提供了更多的選擇，可以實(shí)現(xiàn)不同的用途。典型電路設(shè)計(jì)為了給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組提供滿(mǎn)足要求的高品質(zhì)正弦波勵(lì)磁信號(hào)，同時(shí)使所接收到的旋轉(zhuǎn)變壓器正/余弦信號(hào)能夠滿(mǎn)足芯片對(duì)輸入信號(hào)幅值與相位的要求，需要加入額外的信號(hào)處理電路。AU6802N1和旋轉(zhuǎn)變壓器接口的典型電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

雙電源式勵(lì)磁電壓Booster放大電路參數(shù)設(shè)計(jì)提供給旋轉(zhuǎn)變壓器的交流勵(lì)磁電壓由RSO－COM口輸出，頻率由引腳FSEL1和FSEL2設(shè)置，在圖2的電路中，勵(lì)磁電壓信號(hào)的頻率設(shè)置為10KHz。勵(lì)磁電壓的有效值通過(guò)雙電源Booster放大電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。該勵(lì)磁電壓信號(hào)又反饋回R1E－R2E端口，用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部相位同步檢測(cè)和斷相檢測(cè)。電路關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算如下：1）根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器參數(shù)的輸入阻抗ZRO、勵(lì)磁電壓VREF，計(jì)算出勵(lì)磁電流IREF：2）根據(jù)勵(lì)磁電流IREF及推薦的電路參數(shù)Ri、Rf、Cf的范圍來(lái)計(jì)算旋轉(zhuǎn)變壓器在獲得所需勵(lì)磁電流時(shí)的電阻RIEXT：RIEXT＝（VRSO×Rf）/（IREF×Ri）取RIEXT≤（ZRO/10）[Ω]式中，VRSO為RSO端口的輸出電壓（2VP－P），取Rf≥50kΩ，Ci×Ri≥5×10－4[s]，Cf×Rf≤5×10－6[s]返回至R1E－R2E口的勵(lì)磁電壓信號(hào)不能超過(guò)VCC（芯片電源電壓），所以，根據(jù)勵(lì)磁電壓Booster放大電路的電壓+VEXT來(lái)設(shè)置電阻參數(shù)RR1和RR2，如表1所示。

旋轉(zhuǎn)變壓器正/余弦信號(hào)

輸入電路參數(shù)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)變壓器正弦信號(hào)和余弦信號(hào)分別通過(guò)S3－S1和S4－S2口輸入，為使信號(hào)電平保持在近似于2－3VP－P，需要設(shè)置輸入增益。R11、R12、CN、CC組成的低通濾波器可以消除直流偏移并減少輸入信號(hào)噪聲值。這部分電路的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算如下：1）輸入增益G設(shè)置：G＝70kΩ/（RI＋20kΩ）其中RI＝RI1＋RI2，電阻值的誤差一般為1％，而12位分辨率時(shí)的誤差應(yīng)當(dāng)為0.25％。2）濾波器時(shí)間常數(shù)T的設(shè)置：一般取CC＝1000pF，T＝2×RI1×CN[s]3）直流偏移電阻的設(shè)置：直流偏移可用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)線(xiàn)（S1－S4）的斷路故障，但是會(huì)產(chǎn)生R/D轉(zhuǎn)換精度的誤差。因此，RBH和RBL要在遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電阻ZSS的情況下盡可能取值。若直流偏移未設(shè)置（例如沒(méi)有設(shè)置RBH和RBL），則不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)斷路信號(hào)。應(yīng)用越野電動(dòng)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)框圖如圖3所示。由于現(xiàn)場(chǎng)工況條件非常惡劣，選取的速度傳感器需要具備較強(qiáng)的抗沖擊/震動(dòng)能力和抗溫/濕度變化能力，光電編碼器已無(wú)法滿(mǎn)足要求，而采用旋轉(zhuǎn)變壓器的方案可以取得良好的控制效果。旋轉(zhuǎn)變壓器可以安裝在原來(lái)安裝在光電編碼器的位置上，所以對(duì)電機(jī)的外形尺寸無(wú)影響。本文采用圖2所示的接口電路對(duì)旋轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)50kW4對(duì)極交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。信號(hào)接口電路板既可以與控制電路板設(shè)計(jì)在一起，也可以單獨(dú)做板安裝于電機(jī)內(nèi)部。該試驗(yàn)系統(tǒng)中控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A，處理速度為40MIPS，指令周期為25ns，其片上接口資源豐富，控制功能強(qiáng)大，非常適合電機(jī)控制應(yīng)用。本文利用LF2407A內(nèi)部的QEP（正交編碼脈沖電路）來(lái)接收AU6802N1產(chǎn)生的軸位置角度。將兩次相鄰的軸位置角度相減，再乘以極對(duì)數(shù)后即可計(jì)算控制所需的角度，從而將高精度轉(zhuǎn)速信號(hào)直接應(yīng)用于電機(jī)閉環(huán)控制策略，例如適量控制算法中。結(jié)語(yǔ)試驗(yàn)證明本文所設(shè)計(jì)的電路輸出的位置信號(hào)波形品質(zhì)好，毛刺少，抗干擾能力強(qiáng)?；贏U6802N1所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)接口電路簡(jiǎn)單可靠，信號(hào)輸出模式靈活，與數(shù)字信號(hào)處理器之間接口方便。芯片AU6802N1尺寸小，性?xún)r(jià)比高，在高可靠性和高精度要求的交流電機(jī)控制系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。