崔業(yè)兵　許敬　李裕　曾凡銓　傅俊勇

摘 要： 旋轉變壓器有足夠大的激磁信號才能得到較高的位置精度，而解碼芯片提供的激磁信號較小，因此需要設計放大電路對激磁信號進行放大。以解碼芯片AD2S1200為基礎，對旋轉變壓器TS2620N21E11的激磁放大電路進行研究，設計了四個激磁放大電路，并詳細地介紹了它們的工作原理。采用高輸出電流運放構成的放大電路結構簡單，但成本較高，而采用普通運放加無輸出電容的功率放大電路時，盡管電路結構略顯復雜，但成本較低。仿真和實驗結果均證實了所設計的激磁放大電路的正確性和實用性。

關鍵詞： AD2S1200； TS2620N21E11； 激磁放大； OCL

中圖分類號： TN710?34； TM351 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0167?05

Research on exciting amplification circuit of rotary transformer for electric servo system

CUI Yebing， XU Jing， LI Yu， ZENG Fanquan， FU Junyong

（Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology， Shanghai 201109， China）

Abstract： The rotary transformer can obtain the high position accuracy with strong enough exciting signal， while the decoding chip provides poor exciting signal， it is necessary to design the amplifying circuit to amplify the exciting signal. On the basis of decoding chip AD2S1200， the exciting amplifying circuit of the rotary transformer TS2620N21E11 is studied. Four exciting amplifying circuits were designed， and their working principles are introduced in detail. The analysis results show that the amplifying circuit composed with the high output current amplifying circuit has simple structure but high cost； the power amplifying circuit with general operational amplifier and no output capacitance has slightly complex circuit structure but low cost. Both the simulation and experiment results verify that the exciting amplifying circuit is correct and practical.

Keywords： AD2S1200； TS2620N21E11； exciting amplification； OCL

0 引 言

在常用的光電編碼器、霍爾傳感器和旋轉變壓器（旋變）等轉子位置傳感器中，旋變是機械結構非常堅固的設備，可以在有灰塵、油、高溫、振動以及放射性等非常惡劣的環(huán)境下情況下工作，且自身具有抑制共模干擾的能力，這使得旋變只需要4根線來傳輸角度信號，也使其非常適于應用在重型機械加工和航空工業(yè)[1?2]。旋轉變壓器TS2620N21E11需要的激磁電壓為7 V，即峰峰值為19.8 V，頻率為10 kHz，輸入阻抗為70+j100 Ω，對應為阻感負載時，電阻為70 Ω，電感為1.6 mH。解碼芯片AD2S1200產(chǎn)生兩路共模電壓2.5 V、峰峰值3.6 V、相位相反的正弦激磁信號，頻率可設置為10 kHz，12 kHz，15 kHz以及20 kHz。如何設計一個放大電路將解碼芯片產(chǎn)生的激磁信號放大為旋變需要的激磁信號是本文將要闡述的內(nèi)容。解碼芯片AD2S90自身不提供激磁信號，文獻[3]和文獻[4]采用AD2S99產(chǎn)生激磁信號，不過電路比較復雜，且AD2S99價格較高。文獻[5]和文獻[6]以AD2S1200為基礎，但更加注重解碼芯片與DSP的接口設計，而對激磁電路的設計講解不多。文獻[7]和文獻[8]均以解碼芯片AU6802N1為基礎設計電路，文獻[8]對所采用的激磁放大電路進行了詳細的描述，但解碼電路AD2S1200和AU6802N1對激磁信號的要求不同。文獻[9]以解碼芯片AD698為基礎，設計的激磁放大電路驅(qū)動電流過小，不足以驅(qū)動本文所選用的旋變。本文在文獻[10]和文獻[11]的基礎上，根據(jù)供電電壓的不同設計了不同的激磁放大電路，通過比較各個電路發(fā)現(xiàn)不同供電條件下的較優(yōu)方案。本文通過Multisim仿真軟件對所設計的電路進行仿真，并搭建實物平臺驗證仿真結果。

1 旋轉變壓器原理

旋變是一個旋轉的變壓器，它能夠產(chǎn)生與轉子位置相對應的模擬信號，旋轉一圈對應0°～360°。無刷旋變結構如圖1所示，由環(huán)形變壓器和旋轉的變壓器組成，環(huán)形變壓器定轉子上的磁場方向均為軸向，在氣隙中的磁場方向為徑向，這樣定子的激磁電壓就可以感應到轉子上，而不受轉子旋轉的影響。

圖2為無刷式旋變繞組，當從最左邊向位于定子上的激磁繞組通入高頻正弦激磁電流，進而產(chǎn)生激磁磁場，從而在位于環(huán)形變壓器轉子上的繞組中產(chǎn)生感應電壓，那么環(huán)形變壓器轉子繞組和旋轉的變壓器轉子繞組組成的閉合回路中將產(chǎn)生高頻正弦電流，進而在旋轉的變壓器定子正余弦繞組上產(chǎn)生感應電勢，其幅值大小與定轉子相對位置（轉子角）有關。通過環(huán)形變壓器巧妙地將激磁信號由定子傳遞到轉子上，值得注意的是，從圖2中可看到旋轉的變壓器轉子繞組也有兩套。兩套繞組結構完全相同，一套繞組是激磁繞組，也稱為直軸繞組，另一套繞組為補償繞組，也稱為交軸繞組，在空間上與激磁繞組相差90°。

有兩種方法可以獲得與轉子位置有關的電壓信號。第一種方法是在轉子繞組中通入周期性的勵磁信號，定子繞組輸出電壓信號。當定子繞組放在合適的位置時，其輸出的電壓幅值與轉子位置角的正弦和余弦成正比。正余弦信號與激磁信號同相位，只是幅值受轉子角的正弦值和余弦值調(diào)制。第二種方法是通過給定子繞組勵磁來獲得與轉子角相對應的輸出信號。當兩個繞組通入兩個相位互差90°的周期信號時，如定子繞組S1?S3通入激磁信號Esin θ，定子繞組S2?S4通入激磁信號Esin（θ+90°）=Ecos θ，那么氣隙中將形成圓形的旋轉磁場，從而在轉子繞組上產(chǎn)生感應電壓，感應電壓的幅值和頻率恒定，但感應電壓的相位與轉子角有關。

旋變原理如圖3所示，當轉子繞組R2?R4的軸線與定子繞組S1?S3的軸線重合時，轉子會輸出與定子繞組S1?S3上勵磁信號同相位的信號（從變壓器的角度來理解），此時正弦信號相位為0°；當轉子繞組R2?R4的軸線與定子繞組S2?S4的軸線重合時，轉子會輸出與定子繞組S2?S4上的勵磁信號同相位的信號，此時正弦信號相位為90°。當轉子角在這兩位置之間時，轉子輸出信號的相位在0°～90°之間線性變化。通過旋轉轉子一圈，轉子輸出信號的相位也會從0°變?yōu)?0°，180°，270°，360°，即回到0°。

2 激磁放大電路的設計

解碼芯片AD2S1200所產(chǎn)生的兩路激磁信號[EXC]和[EXC]可表示為：[2.5+1.8sinωt]和[2.5-1.8sinωt]。旋變TS2620N21E11的額定激磁電壓有效值為7 V（峰峰值為19.8 V），將峰峰值為7.2 V的激磁信號放大為峰峰值19.8 V的激磁信號，放大系數(shù)為2.75。

2.1 激磁放大電路一

采用普通運放TL082搭建反比例放大電路，具體的電路如圖4所示。

圖4中R3和L1分別是旋變TS2620N21E11的等效輸入電阻和電感，對應輸入阻抗為70+j100 Ω。運放采用15 V單電源供電；R1，R2和R4，R5用于設置放大系數(shù)；電容C1和C2用于濾除激磁信號中的高頻成分；可調(diào)電阻R1用于設置偏置電壓Vb。通過調(diào)節(jié)偏置電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓[OUT]和[OUT]的平均值（共模電壓），使其大約為供電電壓的[12]。希望輸出電壓平均值為供電電壓的[12]是因為這樣可以獲得較大的正弦幅值。如果輸出電壓平均值較?。ù螅?，那么輸出電壓的最?。ù螅┲稻蜁。ù螅苋菀走_到運放的輸出限值。

激磁放大電路一的偏置電壓Vb與輸出電壓Vo的計算公式如下：

選取電阻、電容等參數(shù)如圖5中所示，則偏置電壓為3.8 V，輸出電壓平均值為7.38 V，輸出電壓最小值為2.43 V，輸出電壓最大值為12.33 V，峰峰值為9.9 V。通過電路仿真軟件Multisim搭建電路模型進行仿真，同時搭建實物電路進行實驗驗證。仿真波形和實驗波形分別如圖5和圖6所示。

圖6中曲線從上到下依次是CH1，CH2和CH3的波形，仿真結果顯示輸出波形畸變嚴重，這是因為運放的輸出電流較小，不足以為旋變的輸入阻抗提供足夠大的電流。旋變的激磁電壓有效值為7 V，輸入阻抗為70+j100 Ω，則輸入電流有效值為57.3 mA，峰值為81 mA，而TL072的輸出短路電流只有40 mA。

2.2 激磁放大電路二

為解決輸出電流太小的問題，可將運放TL082改為高輸出電流運放AD8397。運放AD8397是具有3～24 V的較寬供電電壓范圍、軌對軌輸出的運放，在負載為32 Ω時可以提供最大310 mA的負載電流。具體的電路原理圖如圖7所示，通過可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值大約為供電電壓的[12]，以獲得盡量大的輸出電壓范圍。采用Multisim搭建電路模型進行仿真，同時搭建實物電路進行實驗驗證。仿真波形和實驗波形分別如圖8和圖9所示。

從仿真波形和實驗波形均可看出，輸出波形正弦度較好，且與輸入波形相位相反，與理論結果相符。不過由于運放 AD8397的價格較高，使得放大電路的成本也比較高。

2.3 激磁放大電路三

提高輸出電流的另一種方法是采用無輸出電容的功率放大電路[11]，電路原理圖如圖10所示。

圖10中只提供了一路激磁信號EXC的放大電路，激磁信號[EXC]的放大電路與此相同。電路將放大電路的輸出作為反饋信號，通過電阻R1反饋至運放的反相輸入端，這樣可以保證輸出電壓與輸入電壓之間有較好的比例關系，而不會由于放大電路的三極管壓降等因素導致輸出電壓畸變。

電路中偏置電壓為3.8 V，放大系數(shù)為2.75，這些參數(shù)均與激磁放大電路一中的相同。負載電流為峰值81 mA的正弦波，查看BC846的數(shù)據(jù)手冊知集電極電流Ic為80 mA時，放大系數(shù)最小為100，那么基極電流Ib只需0.8 mA，顯然普通運放是可以輸出0.8 mA的。電路中設計電阻R13，R14起抑制三極管溫漂的作用，電阻值越大、抑制效果越好，但其上的壓降越大，導致旋變的電壓減小，因此應選擇合適的射極電阻，本電路選擇射極電阻為1 Ω?；鶚O驅(qū)動電阻R9，R10越大，其壓降越大，則運放的輸出端電壓越大，有可能超過運放的輸出電壓范圍，本電路選擇基極驅(qū)動電阻為100 Ω。

Multisim仿真波形和實驗波形分別如圖11和圖12所示。

圖11（a）和圖11（b）的區(qū)別在于CH3的位置不同，此處展示兩幅圖能更清楚地表達兩者之間的關系。以下波形均與此類似，將不再贅述。從圖11中可看出OUT（放大電路的輸出）電壓基本為正弦，而AMP1（運放的輸出）電壓畸變較大。采用Multisim中THD分析模塊分析得到OUT電壓的THD為0.28%，而AMP1電壓的THD為6.5%。

如圖12所示，假設負載電流為正，則由于三極管Q1的基極與射極之間存在導通壓降Ube，且基極驅(qū)動電阻R9和用于抑制溫漂的射極電阻R13也產(chǎn)生壓降，因此OCL電路的輸入電壓（AMP1）比輸出電壓（OUT）高一些；如果負載電流為負，輸入電壓會比輸出電壓低一些。由此可知，在負載電流極性發(fā)生變化時，輸入電壓與輸出電壓之差也會發(fā)生變化，如圖13所示。這就是的交越失真現(xiàn)象，只不過此處通過運放對輸出電壓作閉環(huán)控制使得輸出電壓比較正弦而輸入電壓產(chǎn)生了失真，而一般書中所講的交越失真均為輸出電壓失真。

2.4 激磁放大電路四

文獻[11]提出另一種電路來解決交越失真的問題。該電路與文獻[10]中的電路類似，具體電路如圖14所示。

圖14中兩個二極管的壓降與兩個三極管的導通電壓相近，R3，R10一般較小，用于設置三極管的靜態(tài)工作點，R2，R11取值應使得三極管靜態(tài)集電極電流約為1 mA。這樣，OCL電路的輸入電壓和輸出電壓近似相等，從而消除了交越失真。文獻[10]的電路中采用12 V電源供電，使用的運放為價格較高的軌對軌（Rail?to?Rail）運放AD8662。軌對軌運放的好處是輸出電壓能夠接近電源電壓，即有較大的輸出電壓擺幅（Output Voltage Swing）。根據(jù)此前的計算結果，激磁放大電路的輸出電壓峰峰值為9.9 V，在12 V電源供電條件下，普通運放的輸出電壓擺幅達不到9.9 V。如果將供電電壓改為15 V，則TL072是可以滿足要求的。仿真波形和實驗波形分別如圖15和圖16所示。

3 結 語

本文以解碼芯片AD2S1200為基礎，對旋轉變壓器TS2620N21E11的激磁放大電路進行了研究，設計了四個激磁放大電路，闡釋了4種放大電路的原理。通過實驗證明，設計的激磁放大電路精度高、可靠性好、抗干擾能力強，完全能夠滿足高速電機伺服控制系統(tǒng)的要求。

參考文獻

[1] GASKING J. Resolver?to?digital conversion： a simple and cost effective alternative to optical shaft encoders [R]. US： Analog Devices， 2012.

[2] KESTER W. Resolver?to?digital converters： tutorial [R]. US： Analog Devices， 2013.

[3] 薛山，溫旭輝，徐志捷.基于AD2S90的數(shù)字旋轉變壓器[J].電氣應用，2003（9）：102?104.

[4] 吳世輝，尹達一.用于旋轉變壓器的新型正弦波振蕩源技術研究[J].微特電機，2012（5）：23?26.

[5] 崔軍，溫旭輝，張立偉.新型永磁同步電機控制用旋轉變壓器/數(shù)字轉換器及其應用[J].電氣傳動，2005，35（11）：51?54.

[6] 羅德榮，周成，黃科元，等.基于AD2S1200的旋變接口電路設計及信號處理[J].電力電子技術，2008，42（8）：68?70.

[7] 陳繼華.旋轉變壓器在永磁同步電機控制系統(tǒng)中的應用[J].電機與控制應用，2012（5）：18?21.

[8] 吳紅星，洪俊杰，李立毅.基于旋轉變壓器的電動機轉子位置檢測研究[J].微電機，2008（1）：1?3.

[9] 樊澤明，郭月，袁朝輝.基于AD698的旋轉變壓器驅(qū)動及解碼電路設計[J].測控技術，2013（2）：110?113.

[10] ADI.用于AD2S1210旋變數(shù)字參考信號輸出的高電流驅(qū)動器[J].電子技術應用，2011（7）：25.

[11] 華成英，童詩白.模擬電子技術基礎[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.