在數(shù)控機床、工業(yè)機器人等伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，現(xiàn)在已采用永磁式Ac伺服動機，這就要求必須檢測出轉(zhuǎn)子磁極的****位置。同時，也要求能檢測出轉(zhuǎn)子的運動速度和系統(tǒng)的位置信息。除了可選擇光電編碼器作為傳感器外，由于旋轉(zhuǎn)變壓器具有結構堅固耐用等突出優(yōu)點，因此，在機電一體化產(chǎn)品中獲得了越來越廣泛的應用。
旋轉(zhuǎn)變壓器有一相定子繞組輸入、兩相轉(zhuǎn)子繞組輸出的結構方式，它所配用的R／D(旋轉(zhuǎn)變壓器軸角／數(shù)字轉(zhuǎn)換器)是檢測轉(zhuǎn)子兩個繞組輸出電壓振幅比，以此求取旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子角位置，這種檢測轉(zhuǎn)角的方式稱為跟蹤方式。
作為移相器應用時，定子旋轉(zhuǎn)變壓器通常為二相勵磁繞組，轉(zhuǎn)子為一相輸出繞組。在這種結構情況下，所用的R／D轉(zhuǎn)換器是用來檢測輸出信號的相位變化。這種檢測方式稱為相位檢測方式，這兩種檢測轉(zhuǎn)角位置的方式不同，所選用的R／D也不同，應該特別加以注意。下面僅就常用的相位檢測方式如何檢測出轉(zhuǎn)子角位置加以說明。
旋轉(zhuǎn)變壓器的基本結構是由定子鐵心與線圈、轉(zhuǎn)子鐵心與線圈及轉(zhuǎn)子輸出變壓器組成。如圖3-lO所示。
定子鐵心上的二相繞組軸線在空間上正交，并且以相位差為90。的正弦和余弦電流進行勵磁，通常勵磁電流的頻率遠遠高于工頻。
轉(zhuǎn)子鐵心上繞有一個轉(zhuǎn)子繞組(有的旋轉(zhuǎn)變壓器在轉(zhuǎn)子上繞有二相正交繞組)，為了把轉(zhuǎn)子繞組的輸出電壓無接觸地取出來，故把轉(zhuǎn)子輸出變壓器的一次線圈接到轉(zhuǎn)子繞組的輸出端，這樣就取代了傳統(tǒng)的滑環(huán)和電刷。這個轉(zhuǎn)子輸出變壓器的二次線圈在靜止側(cè)，其輸出信號中就包含有轉(zhuǎn)子位置的信息，經(jīng)過電子線路處理后，就可提取出各種有效信息參與系統(tǒng)控制。
下面，首先來分析旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號與輸入信號的關系。
式中，um為勵磁信號的幅值；w0為勵磁信號角頻率。
如果旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子位置由基準位置轉(zhuǎn)過了θ角，則轉(zhuǎn)子的輸出信號電壓為
式中，k為旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比。
由式(3—2)所表示的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號可以看出，對于定子的正弦勵磁信號來說，旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子從基準位置所轉(zhuǎn)過的角，變成了在輸出信號中的相位移角口。也就是說，輸出信號在時間上的相移角θ正好是旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子偏離基準位置的空間位移角θ。如果設法將這個相位移信號加以處理并提取出來，那么就可以得到旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子位置信息，也就是可以得到Ac伺服電動機轉(zhuǎn)子磁極位置信息。旋轉(zhuǎn)變壓器定子的勵磁信號和輸出信號的相位關系如圖3一11所示。
若把勵磁信號u1-3為基準電壓，通過相位檢波電路對相位進行檢出，從相位檢波電路的輸出中就可以得到kumsinθ信號。由于把旋轉(zhuǎn)變壓器定、轉(zhuǎn)子線圈的位置調(diào)準到分別與Ac伺服電動機電樞及磁極的位置相重合，那么信號kumsinθ就原封不動地表示了Ac伺服電動機轉(zhuǎn)子磁極的位置。用這個包含轉(zhuǎn)子位 置信息的正弦信號去調(diào)制速度調(diào)節(jié)器的輸出信 號，就可得到由轉(zhuǎn)子磁極位置所決定的交流電流指令信號，作為控制Ac伺服電動機定子電流相位的依據(jù)。由轉(zhuǎn)子磁極在空間上的位置控制
制定子電流在時間上的相位，而且實現(xiàn)了交流電流的正弦化，這就是正弦電流控制型自控式Ac永磁伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)的基本原理。為了得到頻率穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁信 號，通常采用晶體振蕩器作為振蕩源。由于晶體振蕩器頻率很高，需將其輸出信號適當分頻，可得到兩相正交的勵磁信號u1-3和u2-4采用這兩個分頻信號對旋轉(zhuǎn)變壓器定子進行高頻勵磁，通過高頻數(shù)字信號處理，容易得到旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度信息。
若轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度為Wr則有
由上式可見，由于旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其輸出信號的角頻率也隨之發(fā)生變化，輸出信號的角頻率變化正好等于旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子即Ac伺服電動機轉(zhuǎn)子的角速度wr。
如果把輸出信號uR1-2的角頻率變化提取出來，就得到了電動機的旋轉(zhuǎn)角速度信息。這種關系無論速度是恒定的還是變化的情況都適用。顯然，角速度是角度位置的微分，而且轉(zhuǎn)子角速度wr一般來說都遠遠小于旋轉(zhuǎn)變壓器定子線圈勵磁信號的角頻率，使提取速度信號變得比較容易。
實際上，這是利用旋轉(zhuǎn)變壓器的移相功能來檢測電動機轉(zhuǎn)子的磁極位置兩速度。
從原理上講，用光電編碼器來檢測轉(zhuǎn)子的磁極位置是把位置這一連續(xù)變化的量在每周內(nèi)離散成六等分，每一種輸出信號的編碼組合代表空間60°角，顯然這種磁極位置的檢測分辨率是很低的。而旋轉(zhuǎn)變壓器本身所輸出的位置信息是連續(xù)變化的模擬量，經(jīng)過高頻數(shù)字化處理后去調(diào)制速度調(diào)節(jié)器的輸出信號，因而可對電樞電流的相位實現(xiàn)精細控制。因而使Ac伺服電動機獲得十分平穩(wěn)的低速特性，這是旋轉(zhuǎn)變壓器用于Ac伺服控制的一個突出特點。但這種方式使得電子處理電路復雜化，
成本提高。
在使用旋轉(zhuǎn)變壓器的情況下，常用一種稱為旋轉(zhuǎn)變壓器／數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDc)的電路將轉(zhuǎn)子磁極位置信號和系統(tǒng)位置信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，提供給系統(tǒng)使用。下面介紹AD公司****一代可編程正弦波振蕩器AI)2S99及高精度、可變分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器／數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S80A組成的位置檢測系統(tǒng)，它精度高、速度快可靠性好 ，在高精度伺服系統(tǒng)中得到廣泛應用。
正弦波振蕩器AD2S99的內(nèi)部結構如圖3 12所示。它輸出的正弦激勵信號送入旋轉(zhuǎn)變壓器中的原邊(轉(zhuǎn)子繞組)，從旋轉(zhuǎn)變壓器的副邊(兩個定子繞組)輸出兩個正交信號。這兩個信號分別引入到AI)2S99的sIN和cOs引腳上，構成一個同步鎖定閉環(huán)系統(tǒng)，這樣可保證正弦波激勵信號的穩(wěn)定性。AI)2S99會輸出一個同步基準信號(3V方波)，它可以補償溫度變化引起的相位漂移，因而不需要另加外
部相位補償電路。此信號與sIN和cOs引腳信號同步鎖定，并可作旋轉(zhuǎn)變壓器／數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDc)的過零參考點。當引腳sIN和cOs上的信號不良或脫落時，LOs引腳就會變?yōu)楦唠娖�，作為微處理器的故障處理信號。AI)2S99的標準輸出頻率有2.5，10，20kHz四種，可以通過sElll和sEIJ2的邏輯電平的設置調(diào)整，其中間頻率可通過在FBIAs與電源之間連接電阻的大小來調(diào)節(jié)。
AD2S80A是****一代的旋轉(zhuǎn)變壓器／數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片機。其分辨率有l(wèi)O，12，14，16 bit幾種可以選擇，可由引腳scl和sc2的邏輯狀態(tài)來決定。而其帶寬及跟蹤速度等動態(tài)特性則通過選擇外圍元件決定。通常跟蹤速度的范圍與分辨率的關系如表3—2所示。這些性能指標，根據(jù)公式可以選擇出外圍電路元件。關于計算公式，，受限于篇幅，這里不再敘述：另外，AD2S80A可輸出與速度成正比的模擬信號，來代替測速發(fā)電機，這一點非常重要。AD2S80A的內(nèi)部功能如圖3—13所示。
由圖可知，由A3和A4構成兩個積分環(huán)節(jié)，AD2S80A運行于II型伺服環(huán)的跟蹤方式。輸出將自動跟蹤輸入，并且速度逐步上升到****跟蹤速度。因為它是采用一種比率式跟蹤方法，輸出的數(shù)字角度只與輸入的sIN和cOs信號比值有關，而與它們的****值無關，這樣具有高的噪聲抑制比，可以減少從旋轉(zhuǎn)變壓器到轉(zhuǎn)換器RDC遠距離長線帶來的誤差。16條數(shù)據(jù)線輸出口有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存功能，通過對引腳的控制，可以向8位或16位數(shù)據(jù)總線傳輸。
系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理器DSP(或單片機)采集和處理轉(zhuǎn)子位置信號，因此需要將AD2S80A與DSP進行接口。、以ADS299和AD2S80A組成的位置測量系統(tǒng)與DSP的接151示意原理如圖3—14所示。
圖3—14中的旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組由AD2S99激勵，其定子輸出分別接到AD2s99和AD2S80A的相關引腳：而AD2s99向AD2S80A提供參考基準信號。需要注意的是，因AD2S80A內(nèi)部無變壓器．若輸入信號超過2V，則應變換成適合電壓后再輸入。旋變的兩條信號地線應該與轉(zhuǎn)換器的SIN GND管腳相連以減少其SIN COS信號的耦合：．同時由于這個原因，應該用屏蔽的雙絞線把旋轉(zhuǎn)變壓器和SIN COS信號分別相連：信號地和模擬地在內(nèi)部連接，而模擬地與數(shù)字地必須在外部接。DSP通過對RDC的操作，可以讀取AD2S80A轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)子位置16位二沖制數(shù)據(jù)，并在內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理。
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