旋轉變壓器數字轉換器在轉子位置測量中的應用

引言

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

主要器件及原理

本系統采用日本多摩川公司生產的TS262N21E11無刷旋轉變壓器。電路中主要采用了ADI公司的兩個R/D轉換器AD2S90和程控振蕩器AD2S99，二者要配合使用。

RDC電路設計

AD2S90是RDC電路設計的核心，內部功能模塊主要是由相敏檢測器、乘法器、壓控振蕩器(VCO)、增減計數器形成的閉環反饋系統。當旋轉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，經過其內部運放再送至乘法器中，此時，若內部增減計數器輸出的初始數字角度j也被送入乘法器，則經乘法運算后得到的輸出信號為Esinwtcosqsinj和Esinwtsinqcosj，二者再進行相減運算便得到輸出信號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、增減計數器形成的閉環反饋系統，使sin(q-j)=0，即q-j=0，此時增減計數器輸出的數字角度j就是轉子的位移角度。

AD2S99是專為旋轉變壓器/數字轉換器提供的勵磁信號源，信號頻率有4種選擇，即2kHz、5kHz、10kHz和20kHz。它不僅為AD2S90提供同步基準電壓信號，同時還給旋轉變壓器提供高品質的正弦波勵磁信號，還具有信號相位補償和信號丟失檢測等優點。RDC電路的總體設計方案

旋轉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相應的輸入端SIN和SINL0。同時，COS和COSL0的信號作為反饋信號接至AD2S99，通過AD2S99內部處理后產生輸出信號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，用于補償旋轉變壓器一次側到二次側的相位偏差，否則會降低RDC的轉換精度。

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°)為旋轉變壓器的勵磁繞組提供所需工作頻率的勵磁信號，勵磁信號的工作頻率可以通過AD2S99的引腳SEL1、SEL2和FBIAS來設置。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LOS為低電平;若SIN和COS信號都低于LOS規定的電壓閾值(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，相當于一個1024線增量式編碼器。

電路總體設計方案。接口電路設計還需要注意以下幾點：

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 若旋轉變壓器的信號通過屏蔽雙絞線傳輸時，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，為了減小AD2S99的SYNREF信號的直流偏移，需要添加0.1mF的串聯電容和100KW的對地電阻。

RDC電路在4對極感應電機測速系統的試驗波形，此時電機轉子頻率為63.4Hz，旋轉變壓器的原邊輸入勵磁信號頻率設置為10KHz。其中RDC電路的輸入波形，即由旋轉變壓器副邊的兩個繞組分別輸出的正弦信號和余弦信號;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。可見，輸入波形的品質好，達到了RDC的設計要求；輸出的轉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。

結語

該數字旋轉變壓器最大的優點在于其簡單、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中很好地實現了異步電機轉子位置信號的精確測量。