旋转变压器在转子位置测量中的应用

摘要：本文介绍了一种检测转子位置的方法，设计了基于RDC芯片AD2S90的旋转变压器位置信号的接口电路，并在军用装甲车交流传动系统中实现了异步电机转子位置信号的精确测量。
关键词：位置传感器；旋转变压器/数字转换器(RDC)；AD2S90

引言
在军用车辆交流传动系统中，由于要适应冲击震动和温湿度变化等恶劣的工作环境，普通检测转子位置的光电编码器很容易损坏，而旋转变压器由于其坚固耐用且可靠性高，可以很好地解决这一问题。但旋转变压器是一种模拟机电元件，不能满足数字化的要求，故需要接口电路实现其模拟信号与控制系统数字信号之间的相互转化，这类接口电路是一类特殊的模/数转换器，也就是我们常说的旋转变压器/数字转换器(RDC)。

RDC电路设计
主要器件及原理
    本系统采用日本多摩川公司生产的TS262N21E11无刷旋转变压器。电路中主要采用了ADI公司的两个R/D转换器AD2S90和程控振荡器AD2S99，二者要配合使用。

    AD2S90是RDC电路设计的核心，内部功能模块主要是由相敏检测器、乘法器、压控振荡器(VCO)、增减计数器形成的闭环反馈系统。当旋转变压器的两路定子绕组的输出信号Esinwtsinq和Esinwtcosq分别送入AD2S90的sin和cos输入引脚后，经过其内部运放再送至乘法器中，此时，若内部增减计数器输出的初始数字角度j也被送入乘法器，则经乘法运算后得到的输出信号为Esinwtcosqsinj和Esinwtsinqcosj，二者再进行相减运算便得到输出信号Esinwtsin(q-j)，信号中的误差部分被送入由相敏检测器、乘法器、压控振荡器、增减计数器形成的闭环反馈系统，使sin(q-j)=0，即q-j=0，此时增减计数器输出的数字角度j就是转子的位移角度。

    AD2S99是专为旋转变压器／数字转换器提供的励磁信号源，信号频率有4种选择，即2kHz、5kHz、10kHz和20kHz。它不仅为AD2S90提供同步基准电压信号，同时还给旋转变压器提供高品质的正弦波励磁信号，还具有信号相位补偿和信号丢失检测等优点。

RDC电路的总体设计方案
    旋转变压器二次绕组输出的两路信号sinj和cosj作为AD2S90的位置角检测的模拟信号输入，通过屏蔽双绞线，分别接到AD2S90相应的输入端SIN和SINL0。同时，COS和COSL0的信号作为反馈信号接至AD2S99，通过AD2S99内部处理后产生输出信号SYNREF(为±3Vp-p方波输出信号且相位与SIN和COS输入信号保持一致)，连接至AD2S90的REF引脚，用于补偿旋转变压器一次侧到二次侧的相位偏差，否则会降低RDC的转换精度。AD2S99通过输出端EXC和/EXC(EXC和/EXC为两路±2Vrms、8mA的正弦信号，且/EXC相位相对于EXC要超前180°)为旋转变压器的励磁绕组提供所需工作频率的励磁信号，励磁信号的工作频率可以通过AD2S99的引脚SEL1、SEL2和FBIAS来设置。另外，AD2S99的引脚LOS用于指示SIN和COS信号缺失的检测情况，正常工作时LOS为低电平；若SIN和COS信号都低于LOS规定的电压阈值(Vrms)，则LOS被上拉到高电平VDD。

    提供给控制器的位置信号有两种输出方式，一是SPI输出(12位)，最高传输速率为2Mbps；二是模拟增量式编码器输出，A、B和NM信号，相当于一个1024线增量式编码器。

图1 电路原理图

电路总体设计方案如图1所示。接口电路设计还需要注意以下几点：
1 电路中所有模拟地信号要以星形方式连接至AD2S90的引脚AGND。
2 若旋转变压器的信号通过屏蔽双绞线传输时，屏蔽层也要连至 AGND引脚。
3 AD2S99的输出信号SYNREF与AD2S90的输入引脚REF相连时，为了减小AD2S99的SYNREF信号的直流偏移，需要添加0.1mF的串联电容和100KW的对地电阻。

图2　旋转变压器正余弦信号波形图

图3　输出给DSP的正交编码脉冲波形

RDC电路试验波形
图2和图3是RDC电路在4对极感应电机测速系统的试验波形，此时电机转子频率为63.4Hz，旋转变压器的原边输入励磁信号频率设置为10KHz。其中图2是RDC电路的输入波形，即由旋转变压器副边的两个绕组分别输出的正弦信号和余弦信号；图3是RDC电路的输出波形，即以正交编码脉冲形式提供给DSP的位置测量信号。参照图2可见，输入波形的品质好，达到了RDC的设计要求；输出的转子位置信号波形符合DSP的QEP电路接收要求，而且脉冲正交性好，无毛刺，保证了DSP对位置信号的采样精度。