唐文濤，李得至，彭 佳，連大偉，顏 明

(1.荊楚理工學(xué)院，荊門 448000，2.襄陽寒樺精機(jī)有限公司，襄陽 441021)

0 引言

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器(簡稱旋變)作為永磁電機(jī)的位置傳感器，在汽車、航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其天生具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，能夠連續(xù)高速、長壽命地運(yùn)行的特點(diǎn)，具有抗干擾、耐高低溫、耐濕度等優(yōu)點(diǎn)，使旋變成為隨動系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)中不可替代的部件[1-3]。關(guān)于旋變的設(shè)計及開發(fā)目前已有較多的報道，但是有關(guān)它的電氣參數(shù)的檢測系統(tǒng)，目前主流的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是基于GJB2143A多極和雙通道旋變通用規(guī)范中電氣參數(shù)測試方法規(guī)定來實(shí)施[4]。以旋變的電氣誤差為例，測試所有零位的電氣誤差，在最大正、負(fù)零位誤差所處零位的極對下各測一對極的電氣誤差，每對極測24點(diǎn)（電氣角度每隔15°測一點(diǎn)），取各位置誤差中的最大值的絕對值為旋變的電氣誤差。基于該原理搭建的系統(tǒng)，存在效率低、角度分辨率不高不能實(shí)際反映旋變電氣角度誤差等缺點(diǎn)，在旋變的研發(fā)階段尚可，但是在生產(chǎn)環(huán)節(jié)卻顯得不足。

本文以52-4對極旋變?yōu)槔?，搭建和開發(fā)了一種高效、高精度旋轉(zhuǎn)變壓器電氣參數(shù)綜合檢測平臺，能對旋變的電氣角度誤差、零點(diǎn)誤差、變壓比、阻抗、相位移、諧波分量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的檢測，并能將各參數(shù)保存。平臺具有較高的精度、可移植性、及可靠度，適用于旋變的研究、開發(fā)、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)。

1 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子槽上分別繞有正弦勵磁繞組，正弦輸出繞組及余弦輸出繞組。旋轉(zhuǎn)變壓器是利用轉(zhuǎn)子與齒槽之間氣隙的變化，使兩相信號繞組輸出的感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦變化關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個電氣周期時，輸出電壓變化周期數(shù)等于極對數(shù)。輸出兩相信號繞組輸出電壓具有相同幅值、頻率，且對稱布置，相位相差90°，正弦和余弦信號分別如式(1)、式(2)所示[5-7]：

式中：ku為電壓變比，u1為勵磁電壓幅值；ω為勵磁頻率；P為轉(zhuǎn)子極對數(shù)；θ為轉(zhuǎn)子角。

要求解電氣誤差，實(shí)際旋變角度的解算就是關(guān)鍵。根據(jù)兩相信號繞組輸出基波電壓同相分量的包絡(luò)線的正切值，即可計算出轉(zhuǎn)子的位置信息，如式(3)所示[8-10]：

式(4)中通過對輸出兩相值的符號，確定轉(zhuǎn)子實(shí)際的角度位置θ′，即：當(dāng)sin＞0且cos＞0時，轉(zhuǎn)子位于第一象限，取i=0；當(dāng)sin＞0且cos＜0時，轉(zhuǎn)子位于第二象限，取i=1；當(dāng)sin＜0且cos＜0時，轉(zhuǎn)子位于第三象限，取i=2；當(dāng)sin＜0且cos＞0時轉(zhuǎn)子位于第四象限，取i=3。

2 平臺的硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)處理兩部分構(gòu)成，具體如圖1平臺的總體架構(gòu)所示。作為數(shù)據(jù)處理主體的上位機(jī)獲取阻抗測試儀中的阻抗值并得到中央處理模塊中旋變的勵磁信號及輸出正、余弦信號和并進(jìn)行處理，通過上位機(jī)界面顯示出電氣參數(shù)信息。

圖1 平臺總體架構(gòu)

平臺控制過程如下：首先信號源提供0.7V，10kHz的電壓脈沖信號，同時上位機(jī)通過RS232串口控制PLC[11]，將繼電器1和繼電器2打開，待測旋變獲得電壓有效值7V,頻率10kHz的勵磁信號，上位機(jī)通過RS232串口獲得旋變的阻抗信息；其次，PLC通過繼電器將阻抗測試儀關(guān)閉，旋變兩路模擬輸出信號打開；隨后，PLC通過電磁閥給轉(zhuǎn)臺通電，上位機(jī)通過RS232串口控制電機(jī)驅(qū)動器，并驅(qū)動轉(zhuǎn)臺，中央處理器獲得轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度的增量脈沖信號，即可得到旋變旋轉(zhuǎn)角度的參考信號，與此同時，中央處理器也獲得了旋變輸出的兩路模擬輸出信號，上位機(jī)通過調(diào)用中央處理器API將旋變的兩路模擬信號轉(zhuǎn)換成兩路數(shù)字信號；最后，上位機(jī)從中央處理器中獲取旋變角度的參考信號和實(shí)際信號，并分析與解算相關(guān)參數(shù)。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于轉(zhuǎn)臺輸出的角度信號為增量脈沖信號，由于其角度分辨率高及數(shù)據(jù)處理時采樣率高，可以得到較高精度的旋變角度參考信號及擬合出純凈的勵磁信號，由此保證電氣參數(shù)解算的精度。

2.1 中央處理模塊

中央處理模塊選擇PICO 5442D MSO示波器，主要完成兩路模擬信號的采樣，并將它們和轉(zhuǎn)臺輸出的角度信號發(fā)送到上位機(jī)。硬件系統(tǒng)帶寬（-3dB）60M；4個模擬通道，16個數(shù)字通道，滿足系統(tǒng)兩路模擬信號輸入，1路數(shù)字信號輸入的要求；USB3.0、3個通道時，使用Pico SDK，在14位模式時最大采樣率達(dá)到125MS/s，緩沖區(qū)內(nèi)存128 MS；輸入范圍±10mV至±20V全量程，根據(jù)旋變的實(shí)際輸出電壓范圍，本系統(tǒng)選擇±5V全量程，電壓分辨率0.3mV；噪聲（在±10mV范圍），在14位模式下為100μV RMS。PICO 5442D MSO可以使用各種采樣模式捕獲數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用塊模式，采樣率選取最大值125MS/s，模擬通道和1個數(shù)字通道的AD通道采樣點(diǎn)數(shù)為83885764個，14位采樣數(shù)據(jù)以二個字節(jié)存儲，充分利用了緩沖區(qū)最大空間。對旋變輸出兩路信號的采樣完全同步，保證了兩路信號的正交。

相關(guān)接口函數(shù)如下：

ps5000aOpenUnit：打開PICO 5442D MSO；

ps5000aSetChannel：選擇通道范圍和AC/DC耦合；

ps5000aSetDigitalPort：設(shè)置數(shù)字端口；

ps5000aGetTimebase：選擇時基，直到每個樣本所需的納秒為止；

ps5000aSetSimpleTrigger：使用觸發(fā)設(shè)置功能設(shè)置采樣觸發(fā)；

ps5000aSetTriggerDigitalPortProperties：設(shè)置各個數(shù)字通道的觸發(fā)方向；

ps5000aSetTriggerChannelConditionsV2；設(shè)置通道或端口的觸發(fā)條件；

ps5000aRunBlock：啟動示波器運(yùn)行等到示波器準(zhǔn)備就緒；

ps5000aBlockReady：回調(diào)（或使用ps5000aIsReady）；

ps5000aSetDataBuffer：告訴驅(qū)動程序內(nèi)存緩沖區(qū)在哪里；

ps5000aGetValues：從示波器傳輸數(shù)據(jù)塊

ps5000aStop：停止使用；

ps5000aCloseUnit：關(guān)閉設(shè)備。

2.2 轉(zhuǎn)臺及驅(qū)動器

轉(zhuǎn)臺選擇橫川DD馬達(dá)DMFE80-003RE型號，驅(qū)動器選擇VCII-03-230。馬達(dá)瞬時最大輸出扭矩3.5N·m，連續(xù)最大扭矩1N·m，最大轉(zhuǎn)速4rps,額定轉(zhuǎn)速2rps，編碼器分辨率1205760pulse/sev，絕對精度±32/±10arc-sec,重復(fù)定位精度±1.5arc-sec，負(fù)載安裝面機(jī)械精度小于5μm。

轉(zhuǎn)臺的調(diào)試：首先，調(diào)整KNLD（微分增益），將KNLP(比例增益)設(shè)置為默認(rèn)值的一半，將KNLI(積分增益)和KNLIV（導(dǎo)數(shù)-積分增益）設(shè)置為零，增加KNLD，直到ICMD（電流指令）出現(xiàn)振蕩。ICMD紋波的可接受水平主要取決于負(fù)荷：輕負(fù)荷（＜2x轉(zhuǎn)動慣量），額定電流的5%為正常水平。其次調(diào)整KNLP，增加KNLP的值，直到PE（位置誤差）出現(xiàn)振蕩。隨著KNLP比例增益的增加，各個運(yùn)動相（加速、穩(wěn)定、減速）的位置誤差都達(dá)到穩(wěn)定值。最佳效果為：各個運(yùn)動相的位置誤差達(dá)到恒定，并且在換相時（加速到穩(wěn)定、穩(wěn)定到減速、減速到停止）沒有振蕩。接著增加KNLIV，直到PE出現(xiàn)振蕩，增加KNLIV增益，以減少位置誤差，降低對外部擾動的敏感性，同時減少停止時的穩(wěn)定狀態(tài)位置誤差。當(dāng)KNLIV比例增益增加時，各個運(yùn)動階段（加速、穩(wěn)定、減速）的位置誤差減少。當(dāng)每個運(yùn)動階段轉(zhuǎn)換后，位置誤差以最快可能速度降低，且轉(zhuǎn)換時不存在振蕩時，則調(diào)整達(dá)到最佳狀態(tài)。隨后調(diào)整KNLI，KNLI用來減少運(yùn)動期間和停止時的位置誤差。在不產(chǎn)生過沖或振蕩的前提下，應(yīng)盡量提高KNLI。最后調(diào)整kiff Spring 增益（柔性系統(tǒng)補(bǔ)償）。系統(tǒng)中NLPEAFF值體現(xiàn)的是電機(jī)和符合間連接的自然振蕩頻率。系統(tǒng)柔性越高，此頻率越低。因此NLPEAFF的調(diào)整從最高值開始，然后逐漸降低。

轉(zhuǎn)臺調(diào)試后，評價了轉(zhuǎn)臺在不同轉(zhuǎn)速下的PE。由于系統(tǒng)將PE以脈沖數(shù)形式呈現(xiàn)，通過下列公式一能將脈沖誤差轉(zhuǎn)換成角度誤差：

其中，每轉(zhuǎn)線速為8194，反饋類型為128?？紤]到轉(zhuǎn)臺啟動和終止時加減速的影響，采用轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)1.5圈，即旋變此時經(jīng)過1.5個機(jī)械周期，在中間穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的1個機(jī)械周期中評價角度誤差。通過圖2所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)臺在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速10rpm，100rpm和150rpm下，最大誤差角度分別約為±4.7秒，±9.3秒及±12.4秒。為滿足實(shí)際生產(chǎn)中測試效率與測量精度的需求，轉(zhuǎn)臺速度可以選擇100rpm，每臺旋變的檢測時間約為3秒。增量差分光柵脈沖信號通過驅(qū)動器發(fā)送到編碼器差分轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理。差分轉(zhuǎn)換模塊輸出的是16位數(shù)字信號，需要在PICO 5442D MSO提取其中第三位數(shù)據(jù)即1路光柵脈沖信號。該脈沖信號其中有一定的雜波成分，需要再次經(jīng)過PICO 5442D MSO示波器濾波處理。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下PE(位置誤差)

2.3 阻抗測試儀

阻抗測試儀選用同惠TH2810D型LCR數(shù)字電橋。TH2810D提供與PC通訊的RS232接口，全雙工異步通訊，通過該接口可以實(shí)現(xiàn)所有面板按鍵功能，并可通過該接口查詢儀器的測量狀態(tài)采集測試結(jié)果。主機(jī)發(fā)送的命令以ASCII代碼傳送，以NL（即換行符，ASCII代碼10）為結(jié)束符，TH2810D收到結(jié)束符后才開始執(zhí)行命令。TH2810D一旦執(zhí)行到查詢命令，將立即發(fā)送查詢結(jié)果。為了保證測試結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確，選擇TH2810D的SLOW測試速度，每秒約2.5次；根據(jù)旋變的電阻范圍，選擇TH2810D在100源內(nèi)阻時，1K量程；波特率9600bps，數(shù)據(jù)位8BIT，停止位1BIT。

2.4 信號源

信號源選用普源RIGOL DG4202函數(shù)/任意波形發(fā)生器。該設(shè)備最高可輸出200MHz正弦波，能滿足激勵源10KHz頻率的要求，具有500MSa/s采樣率，14bits垂直分辨率，具有2ppm高頻率穩(wěn)定度，相位噪聲低至-115dBc/Hz，可生成穩(wěn)定、純凈的信號。盡管輸出信號電壓有效值幅值為0.7V，通過功率放大器后，經(jīng)過頻譜分析，可以得到電壓有效值幅值為7V,頻率為10kHz的純凈的正弦勵磁信號，可以有效地消除電源中攜帶的諧波對旋變的解算角度的影響。

2.5 轉(zhuǎn)臺定位部件

轉(zhuǎn)臺定位部件如圖3所示，整體結(jié)構(gòu)采用7075鋁合金非導(dǎo)磁材質(zhì)設(shè)計加工，裝配精度0.02mm[12]。轉(zhuǎn)子固定在轉(zhuǎn)臺軸，兩個壓緊氣缸-2保持轉(zhuǎn)子水平固定，壓緊氣缸1及兩個固定端構(gòu)成三角結(jié)構(gòu)，保持旋變在平面上的穩(wěn)定。端子壓緊氣缸用來保持旋變與外接信號線路的無縫連接。氣缸的開、斷由PLC控制，定、轉(zhuǎn)子同心度0.02mm。

圖3 轉(zhuǎn)臺定位部件

3 平臺的軟件結(jié)構(gòu)

PICO 5442D MSO示波器提供了豐富的API，基于數(shù)據(jù)精度處理的需要，上位機(jī)中數(shù)據(jù)的處理及參數(shù)的顯示通過MATLAB平臺來實(shí)現(xiàn)[13]。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 平臺軟件流程圖

具體過程如下：初始化相應(yīng)串口，定子轉(zhuǎn)子同心定位；轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，阻抗檢測儀檢測旋變的阻抗值,設(shè)置阻抗值的范圍值，通過得到的實(shí)際值和這個范圍值來進(jìn)行比較，來判斷阻抗是是否合格，如果不合格程序?qū)⒅苯咏Y(jié)束；將示波器采集到的脈沖信號進(jìn)行濾波優(yōu)化處理，并得到同頻方波信號；方波轉(zhuǎn)換為同頻同幅值勵磁信號，根據(jù)脈沖數(shù)也能得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度即旋變旋轉(zhuǎn)的參考角度；由于輸出兩相信號中存在同頻的高頻干擾，通過差分運(yùn)算，對連續(xù)尖峰和現(xiàn)實(shí)的電磁干擾又很好的抑制，由此排除共模噪聲的干擾[14-15]；將得到的正余弦調(diào)制信號做幅值檢波，由此得到輸出的正余弦信號，并做傅里葉分析，得到包括基波在內(nèi)的諧波信號，并獲得兩相信號基波電壓的同向分量；通過正切法和角度象限判斷可以解算出旋變的實(shí)際角度；通過實(shí)際角度和參考角度可以得到旋變的電氣角度誤差；按照國標(biāo)要求，從零位誤差最大值來確定電氣誤差的的電氣周期，把該周期內(nèi)電氣角度誤差的正向和負(fù)向最大偏差偏差值分別作為旋變的最大正向和負(fù)向電氣角度誤差；輸出基波同向分量的電壓幅值與勵磁電壓幅值的比值即為變壓比；最后將阻抗值、電氣誤差、零點(diǎn)誤差、變壓比、諧波分量等參數(shù)在界面上顯示。圖5中藍(lán)色代表勵磁信號、紅色代表正弦調(diào)制輸出信號，綠色代表正弦調(diào)制輸出信號同向分量包絡(luò)線。

圖5 勵磁信號、輸出正弦信號及其包絡(luò)圖

徑向磁路磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器相對于繞線式旋轉(zhuǎn)變壓器來講，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點(diǎn)，因此可靠性好、故障少、壽命長[16]。但是由于徑向磁路的磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器在轉(zhuǎn)子位置變化時，氣隙長度隨之不斷改變，因此輸出阻抗值不固定，并且受負(fù)載影響較大，且氣隙磁導(dǎo)中含有較大成分的高次諧波。諧波的存在影響旋變的電氣誤差，為分析輸出精度，對波形提取包絡(luò)線后實(shí)施傅里葉變換并獲取各諧波分量。傅里葉變換需滿足狄利克雷條件，即滿足有限個間斷點(diǎn)和極值點(diǎn)的條件，x(n)絕對可和，即滿足表達(dá)式的條件[17]。由于系統(tǒng)采用長方形窗口傅里葉變換，故窗口內(nèi)的波浪激勵數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)N為常數(shù)，顯然一個電氣周期內(nèi)，兩相輸出信號有限數(shù)據(jù)均滿足該條件。則N點(diǎn)序列x(n)的離散傅里葉變換（DFT）為：

式中，i=0，1，2，…，N-1；。根據(jù)DFT，未知頻率激勵力可分解為幾種頻率正弦波形及噪聲疊加，分析該波頻率含量，可得系列頻率正弦波：

式中，F(xiàn)1-Fn為分解所得n次正弦波對應(yīng)的幅值；ω1-ωn為分解所得n次正弦波對應(yīng)的角頻率；?1-?n為分解所得n次正弦波對應(yīng)的初相位。不同角頻率正弦波對應(yīng)的幅值可以反映出旋變的諧波特性。

取一個電氣周期的勵磁信號同向分量，如圖6上所示，經(jīng)過FFT運(yùn)算后，頻譜如圖6所示，可見基波占主導(dǎo)，直流分量和其他諧波分量接近0值，證明同向基波分量的提取是可靠的。

圖6 勵磁信號同向分量及其FFT譜分析

4 系統(tǒng)展示

52-4對極旋轉(zhuǎn)變壓器電氣參數(shù)綜合檢測平臺轉(zhuǎn)臺如圖7左所示，圖7右為硬件控制平臺[18]；圖8中顯示了產(chǎn)品的上位機(jī)界面，能實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)偏差、正向電氣誤差、負(fù)向電氣誤差、阻抗值、變壓比、相位移、諧波分量的檢測，并依據(jù)電氣角度誤差±30分，輸入阻抗值120±20Ω，輸出阻抗值408±20Ω，變壓比0.286±10%，作為產(chǎn)品是否合格的標(biāo)準(zhǔn)。上位機(jī)界面中最下部的綠線顯示了一個機(jī)械周期的電氣角度誤差，黃線部分為零點(diǎn)偏差最大電氣周期的電氣角度誤差的曲線，代表了旋變的精度分。該測試旋變電氣誤差正向偏差為18.1365分，負(fù)向偏差為6.7117分，零點(diǎn)偏差6.3532分，輸入阻抗值100.058Ω，正弦輸出阻抗456.701，余弦輸出阻抗456.927，正弦輸出項(xiàng)與勵磁項(xiàng)的變壓比0.26583，余弦輸出項(xiàng)與勵磁項(xiàng)的變壓比0.26261，正弦輸出項(xiàng)相位移-6.8141度，余弦輸出項(xiàng)相位移-7.6339度，正弦輸出項(xiàng)直流量、基波、二次諧波、三次諧波、四次諧波、五次諧波分別為-11.8mV、2646mV、4.18mV、1.36mV、1.04mV、6.3mV,相應(yīng)余弦項(xiàng)為-10.1mV，2606mV，4.16mV，1.9mV，1.38mV，6.41mV。測試結(jié)果顯示該產(chǎn)品合格。除此之外界面也定義了部分的快捷鍵操作功能。對測試原始數(shù)據(jù)都保存在excess中，如圖9所示，方便對不同產(chǎn)品的不同參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

圖7 旋變綜合測試硬件平臺

圖8 系統(tǒng)上位機(jī)界面

圖9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存

5 結(jié)語

PICO 5442D MSO的采樣頻率遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)臺勵磁脈沖頻率，轉(zhuǎn)臺的絕對精度決定了勵磁信號角度的精度，也就是系統(tǒng)的電氣誤差的精度，即±10arc-sec；因?yàn)閯畲烹妷簽闃?biāo)準(zhǔn)純凈的信號，變壓比的精度由PICO 5442D MSO的采樣精度決定，盡管采樣位數(shù)為14位，但是差分處理后，實(shí)際采樣位數(shù)為15位，以兩相輸出幅值電壓有效值為2V計算，電壓精度為61μV；系統(tǒng)檢測時間主要由阻抗儀檢測時間、轉(zhuǎn)臺運(yùn)動時間及上位機(jī)數(shù)據(jù)處理時間決定，在轉(zhuǎn)臺以100 rpm轉(zhuǎn)速在1周半內(nèi)及TH2810D的SLOW測試速度下，經(jīng)測定完成一次檢測需要15秒。輸出阻抗精度由阻抗測試儀精度決定，為100Ω±5%。