劉偉奇，張玉玲，皮利萍，韓繼文*，朱大賓

（1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076；2.北京長(zhǎng)征高科技有限公司，北京 100076）

1 概述

在采用矢量控制的永磁無(wú)刷電機(jī)交流伺服系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量位置。獲取轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量位置的方法通?？煞譃橛修D(zhuǎn)子位置傳感器和無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器兩類?？紤]到航天伺服機(jī)構(gòu)的高速、高精度、高穩(wěn)定性要求，某電動(dòng)伺服系統(tǒng)采用由高可靠旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成絕對(duì)編碼式轉(zhuǎn)子位置傳感器的方案。圖1所示為以旋轉(zhuǎn)變壓器為核心的絕對(duì)編碼式轉(zhuǎn)子位置傳感器的組成原理圖。從圖中可以看到，以旋轉(zhuǎn)變壓器為核心的轉(zhuǎn)子位置傳感器主要有4大組成部分：旋轉(zhuǎn)變壓器、旋變激勵(lì)電路、旋變信號(hào)處理電路、輸出電路。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是含位置信息的模擬信號(hào)，需要外加勵(lì)磁信號(hào)，且必須通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）將其輸出的模擬位置信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，才可輸入到DSP控制芯片。由于旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上以獲取位置信號(hào)，其輸出電壓等級(jí)為伏級(jí)，易受到等級(jí)為百伏級(jí)的電機(jī)電壓的干擾，而位置檢測(cè)電路離驅(qū)動(dòng)電路較近，輸入/輸出信號(hào)線易受到高速開(kāi)關(guān)器件的干擾，因此轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路電磁環(huán)境較差。因此，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)線的抗干擾設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的PCB布局設(shè)計(jì)是保證轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)精度和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

圖1 轉(zhuǎn)子位置傳感器組成原理圖Fig.1 Composition scheme of rotor position transducer

本文在分析旋轉(zhuǎn)變壓器及其檢測(cè)電路周圍電磁環(huán)境的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于AD2S83和AD2S99芯片的旋轉(zhuǎn)變壓器電路方案，解決旋轉(zhuǎn)變壓器工作的電磁環(huán)境較差影響位置檢測(cè)信號(hào)穩(wěn)定性的問(wèn)題，提高電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)精度，獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置和速度的閉環(huán)控制，提高控制驅(qū)動(dòng)器的工作性能。

2 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案

針對(duì)某伺服系統(tǒng)應(yīng)用的惡劣電磁環(huán)境和高位置檢測(cè)精度要求，本項(xiàng)目著重提高電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)精度和穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)方案，考慮轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的實(shí)用性、精度和穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，以解決轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)精度問(wèn)題，且有利于該轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路在其他電動(dòng)項(xiàng)目中的推廣應(yīng)用。

旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上，按照電磁感應(yīng)原理工作, 采用正交的兩相繞組，定、轉(zhuǎn)子上都有繞組，彼此同心安排，互相耦合聯(lián)系，主要用于角度位置伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的產(chǎn)生和檢測(cè)元件。旋轉(zhuǎn)變壓器初級(jí)勵(lì)磁繞組(R1～R2)和兩相正交的次級(jí)感應(yīng)繞組(S1～S3, S2～S4)同在定子側(cè), 轉(zhuǎn)子側(cè)是與初級(jí)繞組和次級(jí)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(jí)勵(lì)磁繞組外加交流勵(lì)磁電壓后,次級(jí)兩輸出繞組中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),大小為勵(lì)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)系為：

式中：E0勵(lì)磁最大幅值；X為勵(lì)磁角頻率；K為旋轉(zhuǎn)變壓器變比；H為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是含位置信息的模擬信號(hào)，又需要外加勵(lì)磁信號(hào)，故必須通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）將其輸出的模擬位置信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，才可輸入到單片機(jī)或DSP 等控制芯片。

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器電氣原理圖Fig. 2 Electric scheme of the resolver

由于受到電機(jī)電壓、電機(jī)軸負(fù)載變化等的影響，旋轉(zhuǎn)變壓器工作的電磁環(huán)境較差，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁信號(hào)和正、余弦輸出信號(hào)幅值和頻率均受到干擾，因此，設(shè)計(jì)中充分考慮其輸出信號(hào)線的抗干擾設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的PCB布局設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)選擇AD2S83作為RDC芯片。AD2S83是一種利用數(shù)字鎖相技術(shù)，工作于II型伺服環(huán)的跟蹤式RDC，其數(shù)字輸出能以選取的最大跟蹤速率自動(dòng)跟蹤軸角輸入，沒(méi)有靜態(tài)誤差。由于它在把旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)時(shí)，采用比率式跟蹤方法，輸出數(shù)字角只與正弦和余弦輸入信號(hào)的比值有關(guān)，而與它們的絕對(duì)值大小無(wú)關(guān)，因此，AD2S83對(duì)輸入信號(hào)的幅值和頻率變化不敏感，不必使用穩(wěn)定、精確的振蕩器來(lái)產(chǎn)生參考信號(hào)，而仍能保證精確度，這是AD2S83最突出的優(yōu)點(diǎn)。AD2S83轉(zhuǎn)換環(huán)路中相敏檢測(cè)器的存在保證了對(duì)參考信號(hào)中的正交分量有很高的抑制能力。另外，它抑制噪聲、諧波的能力強(qiáng)。

2.1 基于AD2S83的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本文選擇AD2S83作為旋轉(zhuǎn)變壓器至數(shù)字轉(zhuǎn)換器，配合并行信號(hào)轉(zhuǎn)串行信號(hào)芯片的使用，采用同步串行通信保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｃ绹?guó)AD 公司推出的以BMOSⅡ工藝制造的并行輸出芯片(如 AD2S80, AD2S83)功能強(qiáng)大，功耗低(300mW)。AD2S83 最突出的優(yōu)點(diǎn)就在于它可由用戶選擇相應(yīng)的參數(shù)來(lái)優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能，可通過(guò)選擇外圍電路決定其工作的分辨率、帶寬和動(dòng)態(tài)性能。AD2S83外圍電路如下圖3所示。輸出分辨率最高可設(shè)置為16位，SC1，SC2均為高電平。此時(shí)，參考頻率與閉環(huán)帶寬的比率7.5∶1，選擇C4=185.3 pF，C5=925 pF，R5=516 k，跟蹤速率為16.25 r/s。高頻濾波器的作用是消除直流偏置和減少進(jìn)入到AD2S83信號(hào)中的噪聲, 因?yàn)樗鼈冇绊懴嗝魴z測(cè)器的輸出。據(jù)此，選擇R1=R2=15 kΩ，C1=C2=1100 pF。由于該高頻濾波器對(duì)輸入到相敏檢測(cè)器的信號(hào)有3倍的衰減,因此,它會(huì)影響環(huán)路的增益。

圖3 AD2S83工作原理圖Fig. 3 Principle scheme of AD2S83

合適的R3、C3使信號(hào)在參考頻率上沒(méi)有明顯的相位移，本方案中，R3=100 kΩ，C3=2.2 nF。

VCO的輸入電阻R6用來(lái)設(shè)置變換器的最大跟蹤速率。本方案中，R6=64 kΩ。C6=390 pF，C7=150 pF，R7=3.3 kΩ。

2.2 基于AD2S99的激磁信號(hào)及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用日本多摩川公司無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器TS2620N21E11，激磁信號(hào)為7 V，激磁頻率為10 kHz。選用AD2S99為旋轉(zhuǎn)變壓器提供激磁信號(hào)，激磁信號(hào)為7 V，激磁頻率為10 kHz；為了保證AD2S99產(chǎn)生的激磁信號(hào)和旋轉(zhuǎn)變壓器TS262N21E11的阻抗匹配，采用了OP279和甲乙類放大電路組合來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。

2.3 與DSP的通訊模式

設(shè)計(jì)中，為了提高位置信息傳輸?shù)目煽啃?，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)采用SPI串行通訊模式傳輸?shù)紻SP中。AD2S83輸出的數(shù)據(jù)為16位的并行數(shù)據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)與DSP的SPI通訊，需要把AD2S83輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)。并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)通過(guò)74HC165芯片實(shí)現(xiàn)。此款芯片只能轉(zhuǎn)換8位數(shù)據(jù)，而本方案中設(shè)定AD2S83輸出的數(shù)據(jù)為16位，因此需要將兩片74HC165進(jìn)行級(jí)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)16位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)輸出的任務(wù)。通過(guò)試驗(yàn)確定了時(shí)序、軟件以及硬件各信號(hào)端的處理，硬件連接如圖5所示。

圖4 基于AD2S99的勵(lì)磁信號(hào)及驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig. 4 Scheme of excitation signal and drive circuit based on AD2S99

圖5 并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)的原理圖Fig. 5 Scheme of parallel data transforming into serial data

旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁、解碼電路與DSP控制板的接口采用一個(gè)插座對(duì)插和一個(gè)扁平電纜連接的形式。

圖6 旋變解碼電路與DSP的連接Fig. 6 Connecting of resolver decoding circuit with DSP

2.4 電源變換電路

旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)調(diào)理電路中，所需的電源主要有±12V/GND，±5V/GND，+3.3 V，由控制板提供的電源±15V/GND分別通過(guò)電源變換模塊LM7812/7912、LM7805/7905和 TPS75733變 換而來(lái)，其原理圖如圖7所示。

圖7 電源變換電路Fig. 7 Power transforming circuit

圖8 旋轉(zhuǎn)變壓信號(hào)調(diào)理電路試驗(yàn)波形Fig. 8 Test waveform of the resolver signal conditioning circuit

2.5 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的PCB設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)

為了保證電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的抗干擾能力，改進(jìn)設(shè)計(jì)在PCB設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)中注意了以下幾點(diǎn)：（1）首先對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的正、余弦輸出信號(hào)以及參考信號(hào)分別采用雙絞屏蔽線，并用錫紙和銅網(wǎng)進(jìn)行了屏蔽處理。（2）旋變的兩個(gè)信號(hào)地應(yīng)與其對(duì)應(yīng)的信號(hào)線并行走線連到AD2S83的信號(hào)地管腳, 以減少正、余弦信號(hào)間的耦合。（3）在AD2S83/AD2S99/74HC165的各電源/地之間要分別并聯(lián)100 uF (陶瓷) 和10 uF (鉭) 的去耦電容, 且在布局上它們應(yīng)盡量靠近AD2S83/AD2S99/74HC165放置, 各電源都應(yīng)有自己?jiǎn)为?dú)的去耦電容。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電源的穩(wěn)定性極大地影響轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性，應(yīng)采用抗干擾性能好的電源模塊為AD2S83/AD2S99供電。

圖9 串行通訊試驗(yàn)波形Fig. 9 Test waveform of the serial communication

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

根據(jù)以上對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的改進(jìn)，系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，聯(lián)調(diào)試驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。圖8給出勵(lì)磁信號(hào)波形、旋轉(zhuǎn)變壓器副邊波形。圖9給出busy信號(hào)、時(shí)鐘脈沖、選通信號(hào)、串行數(shù)據(jù)信號(hào)的波形。由圖中可以看出，數(shù)據(jù)信號(hào)波形光滑、品質(zhì)好、毛刺少，抗干擾能力強(qiáng)，精度高。

聯(lián)調(diào)試驗(yàn)表明，即使在電磁環(huán)境較惡劣的情況下，該改進(jìn)電路仍然可以快速準(zhǔn)確地讀取位置信息，完全可以滿足對(duì)轉(zhuǎn)子位置和速度進(jìn)行快速準(zhǔn)確控制的要求，且尺寸小，適于小型化設(shè)計(jì)，成本較低，性價(jià)比高，工作可靠，使用方便，在高可靠性和高精度要求的交流電機(jī)控制系統(tǒng)中，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目研究解決機(jī)電伺服系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路，有效地提高惡劣環(huán)境下轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的可靠性，并且提供可變精度（位置檢測(cè)精度高速時(shí)為12位，低速時(shí)可達(dá)16位），為提高機(jī)電伺服系統(tǒng)的性能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其技術(shù)成果已成功應(yīng)用于某電動(dòng)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器項(xiàng)目的研發(fā)設(shè)計(jì)中。