| 旋轉變壓器在高速永磁同步電動機中的應用
黃科元，董恒，黃守道
(湖南大學，湖南長沙4l0082)
摘要：介紹一種用于高速永磁同步電動機控制的轉子位置檢測方法，該方法采用旋轉變壓器／數字轉換器Au6802N1，將旋轉變壓器輸出的模擬信號轉化為數字位置信號。設計了Au6802N1與旋轉變壓器和TMs320F2812之間的接口電路，并提出了’種具有較強容錯性的位置信號數字處理方法。試驗表明，該方案能夠準確地實現電機位置和速度的檢測。
O引 言
在采用磁場定向控制的永磁同步電動機調速系統中，需要實時地檢測電機轉子位置及轉速，以實現轉矩、速度的閉環控制。通常的檢測方法是使用光電編碼器，而常用的正交光電編碼器起動時需要一段時間進行轉軸定位，而且抗沖擊震動性差，因此在需要快速響應的高速運行且對抗震要求較高的場合，往往使用旋轉變壓器。
旋轉變壓器的輸出是含位置信息的模擬信號，需要將其轉換為數字信號才可輸入到單片機或DsP等控制芯片。本文采用多摩川公司的旋轉變壓器數字轉換器Au6802N1將模擬位置信號轉換成12位數字位置信號，同時采用TMs320F2812作主控cPu，可滿足系統對轉子位置與速度信號實時快速檢測和處理的要求。實驗表明該方案確實可行，并具有較高的控制精度。
1旋轉變壓器的原理
本系統選用的無刷旋轉變壓器如圖1所示。經過無刷化設計，旋轉變壓器初級勵磁繞組(R1一R2)和二相正交的次級感應繞組(s1一s3，s2一S4)同在定子側，轉子側是與初級繞組和次級繞組磁通耦合的特殊結構的線圈繞組。
當旋轉變壓器轉子隨電機同步旋轉、初級勵磁繞組外加交流勵磁電壓后，次級兩輸出繞組中便會產生感應電勢，大小為勵磁與轉子旋轉角的正、余弦值的乘積。旋轉變壓器輸入輸出關系如下：
式中：F0——勵磁****幅值；
ω——勵磁角頻率；
K——旋轉變壓器變比；
θ——轉子旋轉角度。
2基于Au6802N1的接口電路
2 1旋轉變壓器與Au6802N1的接口電路
Au6802N1提供給旋轉變壓器的交流勵磁電壓由RsO—cOM口輸出，頻率由引腳FsEL1和FsEL2設置，在圖2的電路中勵磁電壓信號的頻率設置為10 kHz。勵磁電壓的有效值通過雙電源B00ster放大電路進行調節。該勵磁電壓信號又反饋回R1ER2E端口，用于實現內部相位同步檢測和斷相檢測。旋轉變壓器產生的cos和sin信號經過調理后分別由s3-s1和s4-s2端口進入解碼芯片。參數選擇：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的接口設計
本系統采用TMs：320F2812作為主控cPu，用Au6802Nl將旋轉變壓器輸出的模擬位置信號(sin，cos)轉換為并行的數字信號，然后由DSP將數字位置信號讀人并進行處理。Au6802Nl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的電平設置來設定。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，同時還可以輸出磁極位置信號以及轉速故障信號。并行L／0接口模式就是并行輸出****式位置信號的數字量。另外，可編程sPI口也為其與DsP之間傳輸電機轉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置。該芯片所提供的多種信號輸出模式為用戶的信號接口電路設計提供了更多的選擇，可以實現不同的用途。本系統中使用****式輸出模式，****式輸出為12位位置信號，分辨率60 000r／min;而且可以輸出方向信號和錯誤信號，外圍電路簡單，只需少許元件就可以完成解碼工作，輸出信號由電平轉換芯片SN74ALVcl64245完成Au6802N1輸出5 v電平到DsP輸入3. 3 V電平的轉換后直接與DsP的I／O口相連。其接口電路原理圖如圖3所示。
3信號處理及實驗結果
實驗電機參數：額定轉速6 000 r／min，功率42kw，極對數2對極；PwM采樣頻率為5 kHz；旋轉變壓器勵磁信號頻率10 kHz，有效值7 V。由于干擾的存在，信號經過Au6802M解碼出來的數字角位置信號與實際電機軸角不一定吻合，旋轉變壓器解碼芯片會有丟脈沖的現象，進而影響到轉子角度的精確測量，從ccs2000軟件的觀測窗口中可以看到，在角度測量斜坡線上會出現數值突變的情況，如圖4所示。由于角度測量的誤差，會導致電流沖擊。
為了克服角度測量誤差，本系統采用了中位值濾波和微分限幅補值對位置信號進行了處理。實現中位值濾波方法為：DsP每隔5μs連續讀取位置角7次，把7次采樣值按大小排列，取中間值(第4次)為本次的有效值。該方法能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，但實驗表明不能完全消除干擾。因此對中位值濾波后的值進一步進行微分限幅補值處理，處理算法如下：
(1)根據實際測試和經驗，確定相鄰兩次采樣允許的****偏差值(設為delta M)；
(2)讀取本次采樣值A(n)和上次采樣值A(n-1)，計算兩次值的偏差的****值deltaA=ABs(A(n)-A(n-1))；
(3)判斷：如果deltaA≤delta肼，則A(n)有效；如果deltaA>deltaM，則本次值無效，A(n)=A(n-1)+delfaA(n-1)。
本系統角度采樣在每個PwM周期進行，采樣時間間隔為200μs，相鄰兩次采樣允許的****偏差角度delta M設定為當前電機給定速度ωref在一個采樣周期內角度的變化值的兩倍，即：
deltaM=2ωrefTs
轉子數字角度的軟件處理流程圖如圖5所示。經中位值濾波和微分限幅補值處理后消除了因干擾產生的角度數值突變，如圖6所示。
實驗給定轉速6 000 r／min，IGBT上下橋臂死區時間設置為5μs，圖7a為旋轉變壓器勵磁波形；圖7b為旋轉變壓器輸出信號所示；圖7c是電動機對應的電流波形；圖7d是電機對應的線電壓波形；經檢測電動機的轉速波動≤百分之零點零五。
4結語
在高速大功率永磁同步電動機驅動系統中，以旋轉變壓器Ts2225N12E102與解碼芯片Au6802Nl構成的高精度位置速度檢測電路，通過對轉子位置的合理數字處理，能夠實現轉子位置轉速的精確測量。實驗證明，本文設計的接口電路和數字處理方法簡單，精度高，可靠性好抗干擾能力強，完全能夠滿足控制的要求。 |
