《电子技术应用》

旋转变压器信号处理的低成本 、低分辨率方案

2016/8/12 14:31:00

旋转变压器(resover)包含三个绕组,即一个转子绕组和两个定子绕组。转子绕组随马达旋转,定子绕组位置固定且两个定子互为 90 度角(如图 1 所示)。这样,绕组形成了一个具有角度依赖系数的变压器。

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图 1:旋转变压器及其相关信号

将施加在转子绕组上的正弦载波耦合至定子绕组, 对定子绕组输出进行与转子绕组角度相关的幅度调制。由于安装位置的原因,两个定子绕组的调制输出信号的相位差为 90 度。通过解调两个信号可以获得马达的角度位置信息, 首先要接收纯正弦波及余弦波, 然后将其相除得到该角度的正切值,最终通过“反正切”函数求出角度值。由于一般情况下要使用 DSP进行算术处理, 因而需要将正弦及余弦波数字化。 目前市面上有几种具备这些功能的专用产品,然而其价格昂贵,对于大多数应用而言需要寻求其他替代方案。目前有一种最为常用的方法是,检测输出信号中载波频率的峰值来触发模数转换器(ADC)。如果总是在这一时间点转换调制信号,则将消除载波频率。由于更高分辨率的增量累加(Δ-∑)ADC 总是在一段时间内对信号进行积分采样,因此它将不仅仅转换峰值电压,因而需要采用诸如 TI ADS7861或 ADS8361 等逐次逼近 ADC,分辨率也被限制在 12~14 位。 这种方法还需要使用几种电路模块,必须生成合适的正弦载波,必须在合适的时间点触发转换过程,且 ADC 必须对信号进行同步转换。这样不仅增加了成本,且分辨率有限。

新概念使用过采样方法,并将解调移至数字域内,调制信号的过采样采用双通道 Δ-∑调制器 ADS1205,数字滤波器芯片 AMC1210 用于调制器输出的解调和抽取(decimation)。 调制器仅产生位流,这不同于 ADC 中的数字概念。为了输出相当于模拟输入电压的数字信号,必须使用数字滤波器来处理位流。 正弦滤波器是一种非常简单、 易于构建且硬件需求最少的一种滤波器。 那些频率为调制器时钟频率除以过采样率所得值的整数倍的信号将被抑制, 这些被抑制的频率点称为陷波(notch)。在此新概念中,积分器的抽取率设定的原则是使载波频率落入到某一陷波频率。 但首先需要对信号进行解调, 否则角度信息将与载波频率一起被忽略。该任务由 AMC1210 完成。AMC1210 具有四个通道,每个通道均提供如图 2 所示的滤波器结构。

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图 2:AMC1210 的数字滤波器结构

AMC1210 也可用于测量电流。在本例中,我们将比较器滤波器(comparator filter)用于过电流保护,能够在低分辨率情况下实现快速响应(如图中蓝色部分所示)。$部分在较低采样率情况下能够产生更高分辨率的输出,这部分用于控制环路。根据应用的需要,在这里可以使用正弦滤波器及积分器来优化滤波器的结构。此外,该通路还可用于滤波及解调。 首先,AMC1210 中的正弦滤波器对调制器的位流进行滤波,以将其转换为中等分辨率、中等速率的数据字。对 ADS1205 而言,最高效的三阶正弦滤波器的过采样率(OSR)为 128。过采样率超过 128 时,OSR 每增加一倍,信噪比仅增加 3dB。在解调过程后利用积分器可以达到同样的效果,而且还能缩短滤波器的延迟时间。将 OSR 设为 128 时会产生一个 14 位的数字调制信号,其数据速率为:

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该等式中,fmod 表示调制器的时钟频率,该时钟频率在调制器中降为原来的一半。在下例中,当时钟信号频率为 32.768MHz 时,三阶正弦滤波器的数据速率为 128kHz。现在需要对信号进行解调(如图 3 所示)。

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图 3:AMC1210 内部的解调过程示例

这表示当未调制载波为正时,14 位数字信号须乘以+1,若未调制载波为负则须乘以-1。我们需要考虑到载波信号通过旋转变压器、 线圈、 调制器以及正弦滤波器时产生的延时。 因此,AMC1210 具有相移校验功能,能够在相移 90 度内正常工作。若相移超过此范围,则必须在寄存器中编程。 最后,积分器 OSR 的设定原则是:载波频率是整个滤波器传输函数陷波的整数倍。在时域中,这等同于在多个载波周期内求积分。这样就完全抑制了载波频率。在此例中,如果积分器的 OSR 为 16,则分辨率提高 2 位(0.5 位/因数 2)。然而输出信号的幅度降低了 3dB(-0.5 位),原因是积分器产生的是解调信号的平均电压而非峰值电压。 总结:AMC1210 的输出为数字正弦波或余弦波,数据速率为 8kHz,噪声性能为 15.5 位。该信号的幅度比输入调制信号降低了 3dB。



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