精密旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)量角位置和速度

　　簡介

　　旋變器和機(jī)電傳感器可用來精確測(cè)量角位置，以可變耦合變壓器的方式工作，其初級(jí)繞組和兩個(gè)次級(jí)繞組之間的磁耦合量根據(jù)旋轉(zhuǎn)部件(轉(zhuǎn)子)位置而改變;轉(zhuǎn)子通 常安裝在電機(jī)軸上。旋變器可部署在工業(yè)電機(jī)控制、伺服器、機(jī)器人、混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車中的動(dòng)力系統(tǒng)單元以及要求提供精確軸旋轉(zhuǎn)的其他許多應(yīng)用中。旋變器 在這些應(yīng)用中可以長期耐受嚴(yán)苛條件，是惡劣環(huán)境下軍用系統(tǒng)的完美選擇。

　　標(biāo)準(zhǔn)旋變器的初級(jí)繞組位于轉(zhuǎn)子上，兩個(gè)次級(jí)繞組位于定子上。而另一方面，可變磁阻旋變器的轉(zhuǎn)子上無繞組，其初級(jí)和次級(jí)繞組均在定子上，但轉(zhuǎn)子的凸極(裸露極點(diǎn))將次級(jí)正弦變化耦合至角位置。圖 1 顯示經(jīng)典和可變磁阻旋變器。

　　圖 1. 經(jīng)典旋變器與可變磁阻旋變器

　　如等式 1 所示，當(dāng)正弦信號(hào)激勵(lì)初級(jí)繞組 R1 – R2時(shí)，在次級(jí) 繞組上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)信號(hào)。耦合至次級(jí)繞組的信號(hào)大小與相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)子位置成函數(shù)關(guān)系，其衰減系數(shù)稱為旋變器轉(zhuǎn)換比。由于次級(jí)繞組機(jī)械錯(cuò)位 90°，兩路正弦輸出信號(hào)彼此間的相位相差 90°。旋變器輸入和輸出電壓之間的關(guān)系如等式 2 和等式 3 所示。等式 2 為正弦信號(hào)，等式 3 為余弦信號(hào)。

 (1)

 (2)

 (3)

　　其中， θ 是軸角， ω 是激勵(lì)信號(hào)頻率， E0 是激勵(lì)信號(hào)幅度， T 是旋變器轉(zhuǎn)換比。

　　兩路輸出信號(hào)由軸角的正弦和余弦信號(hào)調(diào)制。激勵(lì)信號(hào)以及正弦和余弦輸出信號(hào)的圖示如圖 2 所示。正弦信號(hào)在 90°和 270°時(shí)具有最大幅度，余弦信號(hào)在 0°和 180°時(shí)具有最大幅度。

　　圖 2. 旋變器電氣信號(hào)示意圖

　　旋變器傳感器有一組獨(dú)特的參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。最重要的電氣參數(shù)以及相關(guān)的典型規(guī)格匯總在表 1 中。

　　表 1. 旋變器關(guān)鍵參數(shù)

　　旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器

　　采用正弦波參考信號(hào)激勵(lì)初級(jí)繞組會(huì)在次級(jí)繞組上產(chǎn)生兩路電磁感應(yīng)差分輸出信號(hào)(正弦信號(hào)和余弦信號(hào))。旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)在旋變器和系統(tǒng)微處理器之間實(shí)現(xiàn)接口，采用這些正弦和余弦信號(hào)解碼電機(jī)軸的角位置和旋轉(zhuǎn)速度。

　　大部分RDC使用Type-II跟蹤環(huán)路計(jì)算位置和速度。Type-II環(huán)路采用二階濾波器，確保靜止或恒定速度輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差為零。RDC對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行同步采樣，為跟蹤環(huán)路 提供數(shù)字化數(shù)據(jù)。使用這類環(huán)路的RDC最新實(shí)例，是ADI的完整 10 位至 16 位跟蹤轉(zhuǎn)換器AD2S1210 ，其片內(nèi)可編程正 弦振蕩器提供初級(jí)繞組的激勵(lì)信號(hào)。

　　如表 1 所示，典型旋變器需要一個(gè)低阻抗的 3 V rms至 7 V rms信號(hào)，才能驅(qū)動(dòng)初級(jí)繞組。RDC采用 5 V電源供電，提供典型值為 7.2 V p-p差分信號(hào)的激勵(lì)輸出。該信號(hào)的幅度和驅(qū)動(dòng)能力無法滿足旋變器的輸入規(guī)格。此外，旋變器最高可將信號(hào)衰減 5 倍，因此旋變器輸出幅度不符合RDC輸入幅度要 求，如表 2 所示。

　　對(duì)此問題的一種解決方案是使用差分放大器增壓初級(jí)端的正弦信號(hào)。該放大器必須要能夠驅(qū)動(dòng)低至 100 Ω的負(fù)載。常 見的做法是以大信號(hào)驅(qū)動(dòng)初級(jí)端，以獲得良好的信噪比。隨后，便能以電阻分壓器衰減輸出正弦和余弦信號(hào)。

　　在很多工業(yè)和汽車應(yīng)用中，噪聲環(huán)境下使用RDC會(huì)使正弦和余弦線路上感應(yīng)高頻噪聲。為了解決這一問題，應(yīng)盡可能靠近RDC放置一個(gè)簡單的差分低通濾波器。圖 3 顯示集成放大 器和濾波器的典型旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器接口。

　　圖 3. 典型旋變系統(tǒng)框圖