基于AU6802N1的旋轉(zhuǎn)變壓器信號接口電路的設(shè)計和應(yīng)用

引言

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種模擬型機電元件，為了滿足交流傳動系統(tǒng)數(shù)字化控制的要求，就需要一定的信號接口電路，以實現(xiàn)其模擬信號與控制系統(tǒng)數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)化，這類接口電路是一類特殊的adc，也就是所謂的旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（rdc）。

日本多摩川公司生產(chǎn)的r/d轉(zhuǎn)換芯片au6802n1可以方便地將旋轉(zhuǎn)變壓器的軸角位移信號（模擬信號）轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)所需要的數(shù)字信號，并具有多種標準信號輸出模式，且使用簡單、成本低、可靠性高。本文介紹了au6802n1的功能特性、位置檢測信號的輸出模式，并利用au6802n1設(shè)計了旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號測量的外圍接口電路，將其應(yīng)用于越野電動車交流傳動控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對50kw 4對極交流異步電機轉(zhuǎn)子位置信號的精確測量。

au6802n1簡介

au6802n1的內(nèi)部功能如圖1所示。

提供給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁信號由芯片內(nèi)部產(chǎn)生并通過rso口輸出，其頻率可以設(shè)置為10/20khz。

由旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的轉(zhuǎn)速正弦信號和余弦信號分別通過s2－s4，s1－s3口輸入，再經(jīng)10位乘法器與反饋轉(zhuǎn)速的數(shù)字跟蹤量相乘，產(chǎn)生的信號再通過比較器和相位補償及同步校正處理后，得到所需轉(zhuǎn)速的精確數(shù)字量。

轉(zhuǎn)速輸出模式可通過外部引腳fsel1和fsel2設(shè)置，轉(zhuǎn)速的數(shù)字量以脈沖形式、并行輸出形式、并行總線形式、spi形式來傳遞給數(shù)字信號處理器。
該芯片內(nèi)部還具有故障自檢，信號線斷路檢測及相位同步檢測等功能。
au6802n1采用tqfp－52封裝，大小僅為10.0×10.0×1.0mm3，工作溫度范圍為-40～125℃。

輸出信號模式

au6802n1有三種輸出信號模式：脈沖接口模式、并行i/o接口模式和并行總線接口模式，這三種信號輸出模式可以通過其芯片引腳outmd、csb、rdb、intb的電平設(shè)置來設(shè)定。

另外，可編程spi口也為其與dsp之間傳輸電機轉(zhuǎn)子的位置信號提供了理想的接口。在上述三種模式下均可正常工作而不需要任何設(shè)置。該芯片所提供的多信號輸出模式為用戶的信號接口電路設(shè)計提供了更多的選擇，可以實現(xiàn)不同的用途。

典型電路設(shè)計

為了給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁繞組提供滿足要求的高品質(zhì)正弦波勵磁信號，同時使所接收到的旋轉(zhuǎn)變壓器正/余弦信號能夠滿足芯片對輸入信號幅值與相位的要求，需要加入額外的信號處理電路。au6802n1和旋轉(zhuǎn)變壓器接口的典型電路設(shè)計如圖2所示。

雙電源式勵磁電壓booster放大電路參數(shù)設(shè)計

提供給旋轉(zhuǎn)變壓器的交流勵磁電壓由rso－com口輸出，頻率由引腳fsel1和fsel2設(shè)置，在圖2的電路中，勵磁電壓信號的頻率設(shè)置為10khz。勵磁電壓的有效值通過雙電源booster放大電路進行調(diào)節(jié)。該勵磁電壓信號又反饋回r1e－r2e端口，用于實現(xiàn)內(nèi)部相位同步檢測和斷相檢測。電路關(guān)鍵參數(shù)計算如下：

1）根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器參數(shù)的輸入阻抗zro、勵磁電壓vref，計算出勵磁電流iref：
2）根據(jù)勵磁電流iref及推薦的電路參數(shù)ri、rf、cf的范圍來計算旋轉(zhuǎn)變壓器在獲得所需勵磁電流時的電阻riext：

riext＝（vrso×rf）/（iref×ri）
取riext≤（zro/10）[ω] 式中，vrso為rso端口的輸出電壓（2vp－p），取rf≥50kω，ci×ri≥5×10－4[s]，cf×rf≤5×10－6[s]
返回至r1e－r2e口的勵磁電壓信號不能超過vcc（芯片電源電壓），所以，根據(jù)勵磁電壓booster放大電路的電壓+vext來設(shè)置電阻參數(shù)rr1和rr2，如表1所示。

旋轉(zhuǎn)變壓器正/余弦信號

輸入電路參數(shù)設(shè)計

旋轉(zhuǎn)變壓器正弦信號和余弦信號分別通過s3－s1和s4－s2口輸入，為使信號電平保持在近似于2－3vp－p，需要設(shè)置輸入增益。r11、r12、cn、cc組成的低通濾波器可以消除直流偏移并減少輸入信號噪聲值。這部分電路的關(guān)鍵參數(shù)計算如下：

1）輸入增益g設(shè)置：
g＝70kω/（ri＋20kω）
其中ri＝ri1＋ri2，電阻值的最大誤差一般為1％，而12位分辨率時的最大誤差應(yīng)當為0.25％。
2）濾波器時間常數(shù)t的設(shè)置：
一般取cc＝1000pf，t＝2×ri1×cn[s]
3）直流偏移電阻的設(shè)置：
直流偏移可用于檢測旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號線（s1－s4）的斷路故障，但是會產(chǎn)生r/d轉(zhuǎn)換精度的誤差。因此，rbh和rbl要在遠遠小于旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電阻zss的情況下盡可能取最大值。若直流偏移未設(shè)置（例如沒有設(shè)置rbh和rbl），則不會產(chǎn)生信號斷路信號。

應(yīng)用

越野電動車交流傳動系統(tǒng)試驗框圖如圖3所示。由于現(xiàn)場工況條件非常惡劣，選取的速度傳感器需要具備較強的抗沖擊/震動能力和抗溫/濕度變化能力，光電編碼器已無法滿足要求，而采用旋轉(zhuǎn)變壓器的方案可以取得良好的控制效果。

旋轉(zhuǎn)變壓器可以安裝在原來安裝在光電編碼器的位置上，所以對電機的外形尺寸無影響。本文采用圖2所示的接口電路對旋轉(zhuǎn)信號進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對50kw4對極交流異步電動機轉(zhuǎn)速的測量。信號接口電路板既可以與控制電路板設(shè)計在一起，也可以單獨做板安裝于電機內(nèi)部。

該試驗系統(tǒng)中控制器采用ti公司的dsp芯片tms320lf2407a，處理速度為40mips，指令周期為25ns，其片上接口資源豐富，控制功能強大，非常適合電機控制應(yīng)用。本文利用lf2407a內(nèi)部的qep（正交編碼脈沖電路）來接收au6802n1產(chǎn)生的軸位置角度。將兩次相鄰的軸位置角度相減，再乘以極對數(shù)后即可計算控制所需的角度，從而將高精度轉(zhuǎn)速信號直接應(yīng)用于電機閉環(huán)控制策略，例如適量控制算法中。

結(jié)語

試驗證明本文所設(shè)計的電路輸出的位置信號波形品質(zhì)好，毛刺少，抗干擾能力強。

基于au6802n1所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)變壓器信號接口電路簡單可靠，信號輸出模式靈活，與數(shù)字信號處理器之間接口方便。

芯片au6802n1尺寸小，性價比高，在高可靠性和高精度要求的交流電機控制系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價值。