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微特電機論文:旋轉變壓器
 
 

在數控機床、工業機器人等伺服驅動系統中,現在已采用永磁式Ac伺服動機,這就要求必須檢測出轉子磁極的****位置。同時,也要求能檢測出轉子的運動速度和系統的位置信息。除了可選擇光電編碼器作為傳感器外,由于旋轉變壓器具有結構堅固耐用等突出優點,因此,在機電一體化產品中獲得了越來越廣泛的應用。
    旋轉變壓器有一相定子繞組輸入、兩相轉子繞組輸出的結構方式,它所配用的R/D(旋轉變壓器軸角/數字轉換器)是檢測轉子兩個繞組輸出電壓振幅比,以此求取旋轉變壓器的轉子角位置,這種檢測轉角的方式稱為跟蹤方式。
    作為移相器應用時,定子旋轉變壓器通常為二相勵磁繞組,轉子為一相輸出繞組。在這種結構情況下,所用的R/D轉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子角位置加以說明。
    旋轉變壓器的基本結構是由定子鐵心與線圈、轉子鐵心與線圈及轉子輸出變壓器組成。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。
  轉子鐵心上繞有一個轉子繞組(有的旋轉變壓器在轉子上繞有二相正交繞組),為了把轉子繞組的輸出電壓無接觸地取出來,故把轉子輸出變壓器的一次線圈接到轉子繞組的輸出端,這樣就取代了傳統的滑環和電刷。這個轉子輸出變壓器的二次線圈在靜止側,其輸出信號中就包含有轉子位置的信息,經過電子線路處理后,就可提取出各種有效信息參與系統控制。
  下面,首先來分析旋轉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。
  如果旋轉變壓器的轉子位置由基準位置轉過了θ角,則轉子的輸出信號電壓為
   
式中,k為旋轉變壓器的變壓比。
  由式(3—2)所表示的旋轉變壓器輸出信號可以看出,對于定子的正弦勵磁信號來說,旋轉變壓器的轉子從基準位置所轉過的角,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正好是旋轉變壓器轉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變壓器的轉子位置信息,也就是可以得到Ac伺服電動機轉子磁極位置信息。旋轉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。由于把旋轉變壓器定、轉子線圈的位置調準到分別與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伺服電動機轉子磁極的位置。用這個包含轉子位 置信息的正弦信號去調制速度調節器的輸出信 號,就可得到由轉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。由轉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永磁伺服電動機驅動系統的基本原理。為了得到頻率穩定的旋轉變壓器勵磁信 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變壓器定子進行高頻勵磁,通過高頻數字信號處理,容易得到旋轉變壓器轉子的旋轉角度信息。
   若轉子旋轉角速度為Wr則有
 
    由上式可見,由于旋轉變壓器轉子旋轉,其輸出信號的角頻率也隨之發生變化,輸出信號的角頻率變化正好等于旋轉變壓器轉子即Ac伺服電動機轉子的角速度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,而且轉子角速度wr一般來說都遠遠小于旋轉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,這是利用旋轉變壓器的移相功能來檢測電動機轉子的磁極位置兩速度。
    從原理上講,用光電編碼器來檢測轉子的磁極位置是把位置這一連續變化的量在每周內離散成六等分,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。而旋轉變壓器本身所輸出的位置信息是連續變化的模擬量,經過高頻數字化處理后去調制速度調節器的輸出信號,因而可對電樞電流的相位實現精細控制。因而使Ac伺服電動機獲得十分平穩的低速特性,這是旋轉變壓器用于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。
    在使用旋轉變壓器的情況下,常用一種稱為旋轉變壓器/數字轉換器(RDc)的電路將轉子磁極位置信號和系統位置信號轉換成數字信號輸出,提供給系統使用。下面介紹AD公司****一代可編程正弦波振蕩器AI)2S99及高精度、可變分辨率的旋轉變壓器/數字轉換器AD2S80A組成的位置檢測系統,它精度高、速度快可靠性好 ,在高精度伺服系統中得到廣泛應用。

 正弦波振蕩器AD2S99的內部結構如圖3 12所示。它輸出的正弦激勵信號送入旋轉變壓器中的原邊(轉子繞組),從旋轉變壓器的副邊(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系統,這樣可保證正弦波激勵信號的穩定性。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,并可作旋轉變壓器/數字轉換器(RDc)的過零參考點。當引腳sIN和cOs上的信號不良或脫落時,LOs引腳就會變為高電平,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節。

AD2S80A是****一代的旋轉變壓器/數字轉換器芯片機。其分辨率有lO,12,14,16 bit幾種可以選擇,可由引腳scl和sc2的邏輯狀態來決定。而其帶寬及跟蹤速度等動態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,來代替測速發電機,這一點非常重要。AD2S80A的內部功能如圖3—13所示。


  由圖可知,由A3和A4構成兩個積分環節,AD2S80A運行于II型伺服環的跟蹤方式。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,可以減少從旋轉變壓器到轉換器RDC遠距離長線帶來的誤差。16條數據線輸出口有三態輸出數據鎖存功能,通過對引腳的控制,可以向8位或16位數據總線傳輸。

      系統采用數字信號處理器DSP(或單片機)采集和處理轉子位置信號,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與DSP的接151示意原理如圖3—14所示。

圖3—14中的旋轉變壓器的轉子繞組由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變壓器和SIN  COS信號分別相連:信號地和模擬地在內部連接,而模擬地與數字地必須在外部接。DSP通過對RDC的操作,可以讀取AD2S80A轉換的轉子位置16位二沖制數據,并在內部進行數據處理。

 

 

 
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