王志宏，宦 昱，俞 華

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇揚(yáng)州 225101）

0 引言

角度傳感器是構(gòu)成伺服系統(tǒng)的重要組成部分，作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，其測量精度和可靠性將直接影響系統(tǒng)的控制性能［1］。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種常用的角度傳感器，具有成本低、精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在伺服系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用［2］。

為進(jìn)一步提高測量分辨率，可采用兩套旋轉(zhuǎn)變壓器和減速器配合，通過配置適當(dāng)?shù)臏p速比和數(shù)據(jù)組合算法，得到更高分辨率的測量數(shù)據(jù)，但這種方式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性和穩(wěn)定性較低［3］。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了無需機(jī)械減速器配合的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器，較傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)方式，其性能和可靠性得到了顯著提升。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器中集成了精通道和粗通道兩組反饋線圈，共有5 對(duì)引出線，其接線較復(fù)雜，在設(shè)備的裝配和調(diào)試過程中，易出現(xiàn)接線錯(cuò)誤，引起組合數(shù)據(jù)出錯(cuò)，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作［4］。

本文將基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理，對(duì)工程中常見的錯(cuò)誤接線模式進(jìn)行分析，給出在不同模式下的反饋數(shù)據(jù)和組合數(shù)據(jù)曲線圖，并總結(jié)出錯(cuò)誤接線模式修正流程圖，方便進(jìn)行對(duì)應(yīng)的接線修改和工程調(diào)試。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器組成結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)變壓器也稱作解算器（Resolver），簡稱旋變，由定子和轉(zhuǎn)子組成，工作原理與普通變壓器相似，其定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別相當(dāng)于傳統(tǒng)變壓器的原邊繞組和副邊繞組，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中R2、R4 對(duì)應(yīng)的引腳通常在內(nèi)部短接；外部引腳保留R1和R3作為激磁信號(hào)的輸入端；轉(zhuǎn)子上的S1～S4作為反饋信號(hào)的輸出端，與軸角解碼RDC（Resolver to Digital Convertor）芯片的對(duì)應(yīng)管腳相連［5］。

由旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，兩個(gè)轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓為：

式中：US1-S3、US4-S2分別為正弦繞組和余弦繞組的輸出電壓；URL-RH為激磁繞組輸入電壓；K、f、θ分別為比例系數(shù)、激磁信號(hào)頻率、當(dāng)前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角；αx和αy分別為兩個(gè)繞組輸出信號(hào)與激磁信號(hào)間的相位差，通常可忽略不計(jì)。

設(shè)αx和αy均為0°，令UR＝ KURL-RHsin（2πft），并分別用U13和U42表示US1-S3和US4-S2，則轉(zhuǎn)子繞組的輸出電壓可表示為：

RDC芯片通過外部引腳同時(shí)與激磁電壓和轉(zhuǎn)子反饋電壓相連，即可實(shí)時(shí)得到U13、U42和UR的數(shù)值，通過內(nèi)部解算可得到當(dāng)前的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為［6］：

2 雙通道旋變數(shù)據(jù)組合

通常，對(duì)于一個(gè)單通道旋變，若對(duì)應(yīng)RDC芯片的轉(zhuǎn)換分辨率設(shè)置為12位，則當(dāng)旋變的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，RDC芯片的輸出為0x000～0xFFF的12位并行總線數(shù)據(jù)。對(duì)于位置檢測精度要求較高的系統(tǒng)，一臺(tái)單通道旋變將無法滿足需求。在雙通道旋變中，在轉(zhuǎn)子中加入精通道繞組，當(dāng)旋變的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，對(duì)應(yīng)的精通道數(shù)據(jù)將旋轉(zhuǎn)N圈。其中N為粗精通道比，通?？扇?6、32和64等。

圖2 雙通道旋變數(shù)據(jù)組合原理

設(shè)粗精通道比為32∶1，粗通道與精通道對(duì)應(yīng)RDC芯片的輸出分辨率均為12 位，則可通過粗精通道數(shù)據(jù)組合算法，得到組合后的17位數(shù)據(jù)，提高位置傳感器的測量分辨率，雙通道旋變數(shù)據(jù)組合原理與流程如圖2～3 所示。為了得到正確的組合數(shù)據(jù)，必須保證粗通道低7位數(shù)據(jù)和精通道高7 位數(shù)據(jù)間的差值小于32，即粗精通道數(shù)據(jù)的零點(diǎn)應(yīng)對(duì)齊，且粗通道零點(diǎn)與精通道零點(diǎn)間的角度偏差小于2.8°。通常，雙通道旋變?cè)谠O(shè)計(jì)和加工過程中會(huì)保證粗精通道數(shù)據(jù)的零點(diǎn)偏差滿足使用要求。

圖3 雙通道旋變數(shù)據(jù)組合流程圖

3 雙通道旋變接線模式分析

由上述內(nèi)容可知，將旋變的引出線與RDC芯片的對(duì)應(yīng)引腳相連，輸入額定幅值和頻率的激磁電壓信號(hào)后，即可通過讀取粗、精通道對(duì)應(yīng)RDC芯片輸出的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行組合后得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。此時(shí)，若旋變的引出線與RDC芯片引腳連線因裝配、設(shè)計(jì)等出現(xiàn)錯(cuò)誤，則將導(dǎo)致解算后的精通道數(shù)據(jù)的零點(diǎn)偏差超出允許范圍，導(dǎo)致數(shù)據(jù)組合出錯(cuò)。由于粗通道信號(hào)接線錯(cuò)誤后只改變組合數(shù)據(jù)的零點(diǎn)位置，不影響數(shù)據(jù)組合，因此，以下討論均針對(duì)精通道信號(hào)的接線部分。

旋變精通道引線用S1～S4 表示，其中S1、S3 為正弦繞組；S4、S2為余弦繞組，分別對(duì)應(yīng)RDC芯片的S1′～S4′引腳。通常，可通過測量旋變繞組間電阻的方式確定繞組的配對(duì)情況，在以下討論中，將不考慮繞組接線配對(duì)錯(cuò)誤的情況，僅針對(duì)雙通道旋變中精通道引出線與RDC芯片間成對(duì)繞組的7種錯(cuò)誤線模式進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果給出對(duì)應(yīng)的正確接線模式。為便于分析，假設(shè)雙通道旋變的粗精通道比為1∶8，旋變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為60 r/min。

第一種錯(cuò)誤接線模式如圖4 所示，此時(shí)RDC 芯片中S1′和S3′引腳對(duì)應(yīng)的旋變引出線接反，可得RDC 側(cè)輸入的電壓分別為：

令θ′ ＝ - θ，可得：

式中：RDC芯片解算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為θ′，其與旋變轉(zhuǎn)子真實(shí)轉(zhuǎn)角θ間的關(guān)系為：

當(dāng)精通道旋變接線按此方式接錯(cuò)時(shí)，得到的組合數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 錯(cuò)誤接線模式1示意圖

圖5 接線模式1對(duì)應(yīng)的組合數(shù)據(jù)

第二種錯(cuò)誤接線模式如圖6（a）所示，此時(shí)RDC 芯片中S4′和S2′引腳對(duì)應(yīng)的旋變引出線接反。采用上述分析方法可得RDC芯片解算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ′ ＝- θ +180°，當(dāng)精通道旋變接線按此方式接錯(cuò)時(shí)，得到的組合數(shù)據(jù)如圖6（b）所示。

圖6 錯(cuò)誤接線模式2 及組合數(shù)據(jù)示意圖

基于相同的分析方法，可以得到在7種錯(cuò)誤接線模式下，RDC芯片轉(zhuǎn)換得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)θ′和真實(shí)的數(shù)據(jù)θ之間的關(guān)系，如表1所示。在不同的錯(cuò)誤接線模式下，可能導(dǎo)致解算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之間存在符號(hào)和相位的差異。此時(shí)，可根據(jù)表1的結(jié)果，通過轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)θ′與真實(shí)數(shù)據(jù)θ之間的關(guān)系確定錯(cuò)誤接線模式的編號(hào)，獲取RDC 芯片和旋變繞組當(dāng)前的連接關(guān)系，并以此為依據(jù)進(jìn)行接線的修改，得到正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

表1 錯(cuò)誤接線模式與轉(zhuǎn)換結(jié)果對(duì)應(yīng)表

若雙通道旋變的精通道接線錯(cuò)誤，則在與上述分析相同的仿真條件下，可得到不同的錯(cuò)誤接線模式對(duì)應(yīng)的粗精組合數(shù)據(jù)，如圖7～11所示。

圖7 接線模式3 對(duì)應(yīng)的組合數(shù)據(jù)

圖8 接線模式4 對(duì)應(yīng)的組合數(shù)據(jù)

圖9 接線模式5 對(duì)應(yīng)的組合數(shù)據(jù)

圖10 接線模式6 對(duì)應(yīng)的組合數(shù)據(jù)

圖11 接線模式7 對(duì)應(yīng)的組合數(shù)據(jù)

在實(shí)際工程調(diào)試中，若系統(tǒng)中采用了雙通道旋變，且由于精通道接線模式導(dǎo)致組合數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則可根據(jù)本節(jié)給出的不同錯(cuò)誤接線模式下對(duì)應(yīng)的組合數(shù)據(jù)曲線，與實(shí)際測得的曲線進(jìn)行對(duì)比，確定當(dāng)前的接線模式，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的接線修改，以得到正確的組合解算數(shù)據(jù)。

由表1還可知，在表中的任意接線模式下，如將RDC芯片對(duì)應(yīng)正弦繞組引腳S1′和S3′的接線進(jìn)行對(duì)調(diào)，則得到的新轉(zhuǎn)換結(jié)果θ″與當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果θ′的關(guān)系為θ″ ＝- θ′；將RDC芯片對(duì)應(yīng)余弦繞組引腳S4′和S2′的接線進(jìn)行對(duì)調(diào)，則得到的新轉(zhuǎn)換結(jié)果θ″與當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果θ′的關(guān)系為θ″ ＝ - θ′ +180°；將RDC芯片對(duì)應(yīng)正弦繞組引腳S1′、S3′的接線與余弦繞組引腳S4′、S2′的接線進(jìn)行成對(duì)調(diào)換，則得到的新轉(zhuǎn)換結(jié)果θ″與當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果θ′的關(guān)系為θ″ ＝- θ′ + 90°。在工程應(yīng)用中，可利用上述關(guān)系快速完成接線修改，得到正確的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)變壓器錯(cuò)誤接線修正流程如圖12所示。

根據(jù)上述分析結(jié)果，如在調(diào)試現(xiàn)場不能確定旋變每根接線對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確定義，則無法根據(jù)表1 的結(jié)論直接進(jìn)行接線修改。此時(shí)，通過進(jìn)一步分析，可以得到旋轉(zhuǎn)變壓器錯(cuò)誤接線修正流程如圖12所示。首先轉(zhuǎn)動(dòng)旋變轉(zhuǎn)子，使粗通道輸出數(shù)據(jù)為0°，判斷精通道輸出數(shù)據(jù)是否為90°或-90°，如相位差為±90°，則組間對(duì)調(diào)正弦繞組和余弦繞組的接線，否則，直接進(jìn)入下一步；如解算數(shù)據(jù)正確，則輸出解算數(shù)據(jù)，結(jié)束接線修正流程，否則，繼續(xù)判斷數(shù)據(jù)的正方向與預(yù)定方向是否一致；如正方向一致，則分別組內(nèi)對(duì)調(diào)正弦繞組和余弦繞組的接線，即可得到正確的輸出數(shù)據(jù)，如正方向不一致，則組內(nèi)對(duì)調(diào)任意一對(duì)繞組接線，返回上述的第二步；如數(shù)據(jù)仍然不正確，則繼續(xù)按流程圖組間對(duì)調(diào)正弦繞組和余弦繞組的接線，即可得到正確的輸出數(shù)據(jù)。

圖12 旋轉(zhuǎn)變壓器錯(cuò)誤接線修正流程圖

4 結(jié)束語

針對(duì)雙通道旋變接線復(fù)雜，易出現(xiàn)接線錯(cuò)誤，導(dǎo)致組合數(shù)據(jù)異常等問題，本文通過分析雙通道旋變的工作原理和數(shù)據(jù)組合方法，對(duì)不同的錯(cuò)誤接線模式下解算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到了其與真實(shí)數(shù)據(jù)間的關(guān)系以及各種接線模式對(duì)應(yīng)的雙通道旋變組合數(shù)據(jù)的曲線圖，并給出了錯(cuò)誤接線模式修正流程圖，方便工程應(yīng)用。分析結(jié)果對(duì)雙通道旋變的調(diào)試具有一定的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。