《电子技术应用》

XMC4500 DSD在旋转变压器上的应用

2016/8/14 22:33:00

        日前,永磁伺服同步电机的使用越加的广泛,而MCU迅速发展使得电机伺服系统设计方案越来越简单可靠。伺服控制电机需要位置反馈,与传统的位置传感器想比,旋转变压器更容易维护,适合在环境恶劣的工况下工作。本文基于英飞凌推出的新一代M4处理器完成了带旋转变压器伺服控制系统的硬件设计和软件设计;系统选用的是英飞凌新一代的处理器XMC4500,文章具体介绍了旋转变压器原理,以及旋变解调的硬件电路设计。
        永磁伺服同步电机调速系统磁场定向控制中,电机位置速度的反馈对实现速度闭环极为重要。电机反馈传感器在很大程度上决定了运动控制的的性能,传感器的误差限制了位置速度的精度。目前检测电机速度的方法也有多种,如光电编码器,霍尔传感器,旋转变压器。旋转变压器输出的是含有位置信号的模拟信号,工作可靠,寿命长,对机械噪声不敏感,适合应用在高温潮湿,震动等环境恶劣的工况下。旋转变压器需要高频正弦激励信号,输出的模拟信号也是高频的,需要对其信号解调才能获得转子的位置信息。传统的信号解调方法是使用解码芯片,常用的解码芯片有AD2S90,AS2S99,AD2S1200 等等。但是这些专用的芯片对模通常价格比较昂贵。Infineon公司新推出的 Xmc4500 内置Delta-Sigma 解调功能,是该微控制器的一大特色,利用这一功能可以十分方便的支持旋转变压器。本文基于XMC4500设计了旋变方案的伺服驱动系统。

1旋转变压器解调原理
        1.1旋转变压器简单介绍
        本文采用的是多摩川旋变,型号为:TS4746N3220E501  励磁电压要求10KHZ, 幅值为7V。旋转变压器由励磁绕组和次边输出绕组组成,如图(1)所示,Uref是励磁绕组,Usin,Ucos是输出绕组。输出电压和转子位置关系表达式:

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其中K 是变压比, 是角速度, =2*pi*f,f 即励磁电压的频率,E是励磁电压幅值,即转子的角度。由上式可知,当在励磁绕组上施加励磁电压后,随着转子的角度在输出绕组上就产生了含有转子位置信息的  波形。如图2所示。

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  图 1 旋转变压器示意图

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  图2 旋转变压器励磁以及输出电压波形

1.2 传统旋转变压器解调原理
      图3是传统旋转变压器解调原理图。旋转变压器的输出信号与估计位置角的正余弦值相乘,得到:

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将两者求差得到:

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(6)式在经过检波器得到位置误差信息,再积分激励压控振荡器,压控振荡器再引起计数器的上下计数得到位置。

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图3传统旋转变压器解调原理图


1.3 XMC4500 DSD解调原理

           由表达式(1),(2),(3)可以得出旋转变压器的输出绕组含有转子位置信息。XMC4500内置DSD数字处理部分,能解调旋变反馈信号,并支持旋变励磁信号产生。旋转变压器反馈信号经模数转换器后将数字比特率流信号送至XMC4500解调变可以得到转子的角度信息了。XMC4500的DSD功能使得软件开发非常的简单,只要合理配置寄存器便可以求出角度。图4是DSD解调详细过程。在一个载波周期内对旋转变压器的反馈信号进行N点抽样,根据载波的符号对抽样值进行整形。载波符号波形即为载波同频率的方波:

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因此参考信号和输入信号相乘得到:

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即为图4中的波形4所示。将傅里叶展开

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经过低通滤波滤除高频信号可以得到与输入信号包络信号成正比的信号即图4中的第六个波形:

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  图4  旋转变压器信号解调过程  

 1.4锁相环原理
          为了得到更精确的角度信息,让经过PLL锁相环实现相同步。PLL锁相环原理如图所示:

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图5  PLL锁相环原理

  即为所求得得角度。首先利用三角函数关系以及 (当 为很小值时),得到角度误差 ,进过PI调节器以及第一个积分得到速度 ,速度再积分即得到角度 。合理调节PI参数可以保证 精确度和响应速度。


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