旋轉(zhuǎn)變壓器在高速永磁同步電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用
黃科元，董恒，黃守道
(湖南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙4l0082)
摘要：介紹一種用于高速永磁同步電動(dòng)機(jī)控制的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法，該方法采用旋轉(zhuǎn)變壓器／數(shù)字轉(zhuǎn)換器Au6802N1，將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字位置信號(hào)。設(shè)計(jì)了Au6802N1與旋轉(zhuǎn)變壓器和TMs320F2812之間的接口電路，并提出了’種具有較強(qiáng)容錯(cuò)性的位置信號(hào)數(shù)字處理方法。試驗(yàn)表明，該方案能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置和速度的檢測(cè)。
O引 言
在采用磁場(chǎng)定向控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)地檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、速度的閉環(huán)控制。通常的檢測(cè)方法是使用光電編碼器，而常用的正交光電編碼器起動(dòng)時(shí)需要一段時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)軸定位，而且抗沖擊震動(dòng)性差，因此在需要快速響應(yīng)的高速運(yùn)行且對(duì)抗震要求較高的場(chǎng)合，往往使用旋轉(zhuǎn)變壓器。
旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是含位置信息的模擬信號(hào)，需要將其轉(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。本文采用多摩川公司的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器Au6802N1將模擬位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字位置信號(hào)，同時(shí)采用TMs320F2812作主控cPu，可滿足系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子位置與速度信號(hào)實(shí)時(shí)快速檢測(cè)和處理的要求。實(shí)驗(yàn)表明該方案確實(shí)可行，并具有較高的控制精度。
1旋轉(zhuǎn)變壓器的原理
本系統(tǒng)選用的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器如圖1所示。經(jīng)過無刷化設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)變壓器初級(jí)勵(lì)磁繞組(R1一R2)和二相正交的次級(jí)感應(yīng)繞組(s1一s3，s2一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)系如下：
式中：F0——?jiǎng)?lì)磁****幅值；
ω——?jiǎng)?lì)磁角頻率；
K——旋轉(zhuǎn)變壓器變比；
θ——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。
2基于Au6802N1的接口電路
2 1旋轉(zhuǎn)變壓器與Au6802N1的接口電路
Au6802N1提供給旋轉(zhuǎn)變壓器的交流勵(lì)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(lì)磁電壓信號(hào)的頻率設(shè)置為10 kHz。勵(lì)磁電壓的有效值通過雙電源B00ster放大電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。該勵(lì)磁電壓信號(hào)又反饋回R1ER2E端口，用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部相位同步檢測(cè)和斷相檢測(cè)。旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的cos和sin信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后分別由s3-s1和s4-s2端口進(jìn)入解碼芯片。參數(shù)選擇：V=15 V，Ri=22 kΩ，Rf=100 kΩ，R1=R2=3. 3 kΩ，R3=R4=4. 7 Ω，Rext=12 Ω，RRl=RR2=3．3 kΩ，R11=20 kΩ，R12=200 kΩ，RBH=68 kΩ，RBL=20 kΩ；Ci=O．1μF，Cf=200 pF，Cn=100 pF，Cc=1 000 pF。
2．2 Au6802Nl與TMs320F2812的接口設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用TMs：320F2812作為主控cPu，用Au6802Nl將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬位置信號(hào)(sin，cos)轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)字信號(hào)，然后由DSP將數(shù)字位置信號(hào)讀人并進(jìn)行處理。Au6802Nl有三種輸出信號(hào)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(hào)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。脈沖接日模式是仿增量式光電編碼器工作方式，輸出正交編碼脈沖，同時(shí)還可以輸出磁極位置信號(hào)以及轉(zhuǎn)速故障信號(hào)。并行L／0接口模式就是并行輸出****式位置信號(hào)的數(shù)字量。另外，可編程sPI口也為其與DsP之間傳輸電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)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。該芯片所提供的多種信號(hào)輸出模式為用戶的信號(hào)接口電路設(shè)計(jì)提供了更多的選擇，可以實(shí)現(xiàn)不同的用途。本系統(tǒng)中使用****式輸出模式，****式輸出為12位位置信號(hào)，分辨率60 000r／min;而且可以輸出方向信號(hào)和錯(cuò)誤信號(hào)，外圍電路簡(jiǎn)單，只需少許元件就可以完成解碼工作，輸出信號(hào)由電平轉(zhuǎn)換芯片SN74ALVcl64245完成Au6802N1輸出5 v電平到DsP輸入3. 3 V電平的轉(zhuǎn)換后直接與DsP的I／O口相連。其接口電路原理圖如圖3所示。
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