基于AD2S1210的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及速度檢測電路設(shè)計

倪有鵬1，胡清科2

(1.棗莊科技職業(yè)學(xué)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(shè)計了一種用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)有限公司生產(chǎn)的YS52XFW9753旋轉(zhuǎn)變壓器作為傳感器.通過AD2S1210給旋轉(zhuǎn)變壓器提供激勵信號，并對其回饋信號進(jìn)行解碼，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及速度的16位二進(jìn)制碼.采用DSP28335及永磁同步電機(jī)對設(shè)計方案進(jìn)行了檢測，測試結(jié)果表明該設(shè)計性能良好，可實(shí)時實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測.

關(guān)鍵詞：電機(jī)測速；轉(zhuǎn)子位置檢測；旋轉(zhuǎn)變壓器；AD2S1210

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)展，永磁同步電機(jī)得到了廣泛的使用，為滿足其電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)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(zhǔn)的電機(jī)電角度參數(shù)，而旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器的高精度位置信息，使得永磁同步電機(jī)能夠較好實(shí)現(xiàn)矢量控制策略，其性能穩(wěn)定，實(shí)時性好，速度響應(yīng)快[2-3].旋轉(zhuǎn)變壓器接收模擬激勵信號，根據(jù)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(zhuǎn)換為16位二進(jìn)制碼的位置及速度信號(速度信號第一位為速度標(biāo)示位，其數(shù)字信號為二進(jìn)制補(bǔ)碼)[4]，再用數(shù)字信號處理器TMS320F28335進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過串口通信SCI讀取永磁同步電機(jī)真實(shí)位置及速度量[5].

本文采用的旋轉(zhuǎn)變壓器是上海贏雙電機(jī)有限公司生產(chǎn)的YS52XFW9753，文中對其工作原理進(jìn)行分析，并詳細(xì)闡述AD2S1210的外圍設(shè)計電路，同時對其工作時序進(jìn)行分析，最后在永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行測試.

1旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器可分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、 線性旋轉(zhuǎn)變壓器及比例式旋轉(zhuǎn)變壓器，而正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器可分為經(jīng)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(zhuǎn)變壓器，其原理如圖1所示.

圖1 　旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器回饋電壓峰值，電壓Va、Vb分別為感應(yīng)繞組S1-S3、S2-S4上回饋電壓.當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器在交流基準(zhǔn)源激勵下，定子次級繞組上的感應(yīng)電壓隨轉(zhuǎn)軸相對于定子位置(轉(zhuǎn)軸與定子位置關(guān)系為軸角)的變化而變化.其交流激勵信號為

(1)

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

(2)

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

2AD2S1210外圍電路設(shè)計

AD2S1210內(nèi)部包括可編程的正弦波振蕩器、錯誤檢測電路、Ⅱ型閉環(huán)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)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(chǎn)生峰-峰值為3.15×(1±0.27)V、頻率為2 ~20kHz的基準(zhǔn)源信號.此基準(zhǔn)源信號通過濾波及功率放大電路向旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器激勵端電壓典型值為7V.考慮到旋轉(zhuǎn)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(shè)計為8V，以保證電路穩(wěn)定.

本文采用的高頻濾波器頻域表達(dá)式為

(3)

功率放大電路頻域表達(dá)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(shè)計參數(shù)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(dá)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(shí)所選參數(shù)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(zhuǎn)變壓器正余弦輸出端先經(jīng)過增益運(yùn)放電路，再經(jīng)過濾波電路.故可得正余弦接收端外圍電路增益運(yùn)放頻域表達(dá)式為

(6)

圖4　AD2S1210正余弦接收端外圍電路

濾波電路表達(dá)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(shè)計參數(shù)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(dá)式為

(8)

可得如圖5所示波特圖.

旋轉(zhuǎn)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(diào)制頻率為10kHz.故圖5所示波特圖證實(shí)所選參數(shù)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(huán)原理工作，連續(xù)跟蹤旋轉(zhuǎn)變壓器軸角，無需外部轉(zhuǎn)換和等待.

AD2S1210正弦波振蕩器經(jīng)過濾波及功放電路向旋轉(zhuǎn)變壓器提供勵磁信號，旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生兩組承載位置速度信息的正余弦模擬信號經(jīng)過增益及濾波電路輸入sin/sinlo、cos/coslo，分別經(jīng)過AD采樣后送入乘法器.同時將位置積分器的輸出數(shù)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(nèi)部產(chǎn)生的合成參考解調(diào)式(10)信號，可得

Ve=kVssin(θ-φ)

(11)

當(dāng)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(diào)器、一些積分器和一個補(bǔ)償濾波器形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，以使式(12)誤差信號歸零，則實(shí)現(xiàn)φ等于旋轉(zhuǎn)變壓器軸角θ，從而跟蹤恒定速度，而不存在固有誤差.

電機(jī)因由多對極組成，故其轉(zhuǎn)角分為電角度和機(jī)械角度.矢量控制策略中僅需精準(zhǔn)的電角度，而旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)為

(13)

式中m為數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù).

旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片根據(jù)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)決定其響應(yīng)時間及精度，數(shù)據(jù)的位數(shù)越多則精度越高，同時其響應(yīng)時間越慢.其精度為

(14)

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

表1　位置及速度檢測參數(shù)表

4AD2S1210通信方式

AD2S1210位置速度信號由16位二進(jìn)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(shù)據(jù).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(shí)時性.并口通信實(shí)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(shí)時性、穩(wěn)定性，本文選取并口通信方式.

配置SOE引腳為高電平，設(shè)定為并口通信.配置RES0、RES1引腳為高電平，設(shè)定為16位二進(jìn)制碼.A0A1=00為輸出位置數(shù)據(jù)，A0A1=01為輸出速度數(shù)據(jù)，A0A1=11為配置模式.

當(dāng)要從AD2S1210中讀取數(shù)據(jù)時，SAMPLE引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，使其位置和速度積分器轉(zhuǎn)移到相應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵黾拇嫫?A0A1引腳狀態(tài)決定輸出寄存器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)值，并且對輸出緩沖器使能.當(dāng)RD返回高電平，數(shù)據(jù)引腳也返回高阻態(tài).

5測試結(jié)果

本文采用DSP28335控制以及永磁同步電機(jī)測試平臺對設(shè)計電路進(jìn)行檢測，測試結(jié)果證實(shí)該設(shè)計性能良好，可實(shí)時實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測.

本文所設(shè)計電路的旋轉(zhuǎn)變壓器激勵頻率為10kHz，電壓峰峰值為8V，圖6波形證實(shí)了其正確性.圖7為正余弦接收端信號，其波形體現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)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(xiàn)了并口通信的時序?qū)崿F(xiàn).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(zhuǎn)子位置和速度信號.

圖6　旋轉(zhuǎn)變壓器激勵波形

圖7　正余弦接收端信號

圖8　并口通信時序波形圖

圖9　增量式編碼器仿真通信波形

測試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計電路的正確性，穩(wěn)定性.此電路結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)與電機(jī)的一體化，有利于更高精度電機(jī)控制，可極大推動電動汽車及機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展.

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(編輯：郝秀清)