《电子技术应用》
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基于AD2S1205的旋变解码系统设计
2018年电子技术应用第9期
李育龙,皮大伟,闫明帅
南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京210094
摘要: 为了利用磁阻式旋转变压器获取永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的转子位置信息和转速信息,基于解码芯片AD2S1205,设计了旋变解码系统。首先分析了磁阻式旋转变压器的工作原理,然后设计出旋变解码系统的硬件电路,并通过C代码实现转子位置信息和电机转速信息的计算。最后,利用单片机和电机驱动板驱动电机旋转,并通过CAN总线实时将转子位置信息和电机转速信息发送到dSPACE。实验结果表明,该旋变解码系统能够有效地解算出电机转子的位置信息和电机的转速信息。
中图分类号: TN4
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.180823
中文引用格式: 李育龙,皮大伟,闫明帅. 基于AD2S1205的旋变解码系统设计[J].电子技术应用,2018,44(9):71-74.
英文引用格式: Li Yulong,Pi Dawei,Yan Mingshuai. Design of decoding system to rotary transformer based on AD2S1205[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(9):71-74.
Design of decoding system to rotary transformer based on AD2S1205
Li Yulong,Pi Dawei,Yan Mingshuai
School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210000,China
Abstract: In order to obtain the rotor position information and speed information of permanent magnet synchronous motor with magnetic resistance rotary transformer,the system of spin decoding is designed.The design is based on decoding chip AD2S1205.Firstly, the working principle of the magnetic resistance rotary transformer is analyzed.Then the hardware circuit of the rotary decoding system is designed, and the rotor position information and motor speed information are calculated by C code.Finally, single chip microcomputer and motor drive plate are used to drive motor rotation.The rotor position information and motor speed information are sent to dSPACE in real time through the CAN bus.The experimental results show that the system can effectively solve the motor rotor position information and the motor speed information.
Key words : variable-reluctance resolver;decoder chip;CAN industrial network;hardware circuit;C code

0 引言

    永磁同步电机是一种反电动势为正弦波的直流无刷电机,多被应用到控制精度要求较高的场合[1]。该类型电机没有电刷,避免了有刷电机维护周期短、故障率高和电磁干扰等缺陷[2]。但是,为实现正常换向和转速控制,永磁同步电机需要转子位置传感器获取电机转子的位置信息和转速信息[3]

    常用转子的位置传感器有光电编码器、霍尔型位置传感器和旋转变压器3种[4]。其中,旋转变压器有着抗震性强、精度高、耐高温、耐湿度和寿命长等优点[5],适用于汽车等工作环境差的场所。但是,旋转变压器输出的是模拟信号,主控芯片不能直接读取转子位置信息,需设计解码电路将模拟信号转换为数字信号。因此,本文基于专用旋变解码芯片AD2S1205设计了一种旋变解码系统,并通过实验验证该系统的软硬件性能。

1 磁阻式旋变工作原理

    磁阻式旋变主要由定子和转子构成,其中旋变定子绕有励磁输入绕组和两相输出绕组,旋变转子由特定形状的铁芯构成,与电机输出轴同轴连接,不绕线圈,定子和转子不直接接触[6]。旋变工作时,励磁线圈通以固定频率的正弦电压,由于旋变转子的凸极效应,两相输出绕组的电压幅值随转子位置的变化而变化,并且两相输出绕组电压相位相差90°[7]。通过旋变解码系统解码两相输出绕组的电压,便可得到此时电机转子的位置信息。

    磁阻式旋变的电气结构示意图如图1所示,其中,励磁绕组输入电压与两相输出绕组电压有以下数学关系。

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    励磁绕组输入电压为:

    qrs4-gs1.gif

其中,E为励磁绕组输入电压幅值,f为励磁绕组输入电压频率。

    两相输出绕组电压分别为:

     qrs4-gs2-3.gif

其中,K为输出电压的增益系数,θ为转子转过的电角度。

    两相输出绕组电压分别是与转子位置有关的正弦函数和余弦函数,解码系统采集输出绕组的电压,通过解码计算,便可以获得电机转角的位置信息。

2 硬件设计

    本设计中电子电路硬件以AD公司的专用解码芯片AD2S1205为核心,外围电路主要包括旋变励磁电路、旋变输出信号调理电路以及解码系统与单片机的通信接口电路和电源电路。

2.1 AD2S1205工作原理

    AD2S1205是一款分辨率为12位的专用旋变解码芯片,内部结构包括可编程正弦波发生器、Type II跟踪环路、错误检测电路和数据接口4个单元,内部结构原理图如图2所示。利用频率选择引脚(FS1和FS2引脚),可以轻松地将激励频率设置为10 kHz、12 kHz、15 kHz或20 kHz,本设计中正弦波激励频率为10 kHz。AD2S1205采用Type II跟踪环路跟踪正余弦输入信号,并将正弦和余弦输入端的信息转换为输入角位置或角速度所对应的数字量,最大跟踪速率为1 250 rps。

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    Type II跟踪闭环具体原理如下,AD2S1205产生的输出角(φ)反馈并与输入角(θ,电机电角度)进行比较,藉此来跟踪轴角(θ);两个角度之间的差异即误差,如果转换器正确跟踪输入角则该值趋于0。为了测量误差,将S1-S3乘以sinφ,并将S2-S4与cosφ相乘。

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    KE·(θ-φ)是转子的角误差与转换器的数字角输出之间的差值,依靠解码芯片内部闭环系统可以将误差信号归零。当该目标得以实现时,φ等于旋转角θ,实现角度跟踪。

2.2 外围电路

    为向旋变励磁绕组提供高频稳定的正弦波激励,并使旋变输出的正余弦信号满足解码芯片的输入需求,同时保证解码芯片输出到单片机的角位置/角速度信号有足够的驱动能力,设计了AD2S1205最小系统的外围电路。如图3所示,该外围电路主要由励磁电路、信号调理电路和信号驱动电路构成。

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    励磁电路的设计需考虑AD2S1205对励磁绕组的驱动强度,并且兼顾正弦激励信号的增益大小,同时还必须对驱动芯片输出信号进行一定的滤波除噪处理。如图4所示,EXC与qrs4-t3-x1.gif为AD2S1205励磁信号的输出引脚,励磁信号为中心电压为2.5 V,峰值电压为3.6 V的正弦波信号,两引脚将产生峰值电压为7.2 V的差分信号。本设计中旋变变比为0.286,若励磁电路为单位增益,则旋变输出到解码芯片的正余弦信号峰值仅为2 V,满足不了解码芯片的输入电压要求(输入端允许电压3.15 V±27%),因此选用双功率运算放大器TCA0372DM对励磁信号进行放大处理。

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    实际中电机角位移/角速度与旋变输出信号并不成理想的正余弦关系,信号中会有噪声干扰和共模干扰,因此不可以将旋变输出端与AD2S1205输入端COS、COSLO、SIN、SINLO直接相连,中间需设计信号调理电路。如图5所示,旋变输出信号经COSLOIN、COSIN、SINLOIN、SININ输入至信号调理电路,经滤波除噪后输出至解码芯片端口。 

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3 软件设计 

    为精确读取并显示旋变的角位置信息,兼顾电机角速度的计算,以MCS12DG128单片机为平台设计了旋变解码系统软件。软件设计具体包括单片机初始化、软件滤波、角位置信息计算、角速度信息计算和CAN通信等部分。

    如图6所示,程序开始时首先对单片机进行初始化设置,将总线频率设置为32 MHz,12路I/O口设置成输入模式,定时器中断周期设为1 ms。AD2S1205解码所得角位置信号经12路并行端口输入至单片机I/O口,经计算处理后得到0~2π范围内的电角度。为获得平稳精确的电角度信息,设计了中值滤波算法,对电角度信号进行软件滤波处理,根据滤波后的电角度信息确定电机的换相时序。如图7所示,在计算角位置的同时,由AD2S1205解码所得角位置信息计算电机转速,并进行中位值滤波处理。

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4 试验

4.1 试验平台

    在试验平台设计中,所用到的设备主要有:直流开关电源、MCS12DG128开发板、永磁同步电机(带磁阻式旋变)、电机驱动板、AutoBox和上位机。如图8所示,开关电源开启后,开发板由旋变解码板获得电机的电角度信息,并根据电角度信息输出六路PWM信号,控制电机驱动板换相,进而驱动电机运转。

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4.2 试验结果分析

    试验开始1 s后给电机驱动板通电,PWM占空比固定为0.1、频率20 kHz,电机以固定转速运转。图9给出了电机电角度变化,由于电机逆时针旋转,电角度由6.28~0范围内循环变化;电角度受电机脉动、硬件噪声等干扰,并不是斜率不变的直线。图10表明电机转速在1 s时刻由0 r/min迅速上升,约经0.3 s后稳定在460 r/min左右波动。试验结果表明,所设计的旋变解码系统能够有效地驱动电机,且能实时输出电机的转速信息。

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5 结论

    本文分析了磁阻式旋变的工作原理,并基于解码芯片AD2S1205设计了旋变解码系统,最后进行试验测试。测试结果表明所设计的旋变解码系统可以为电机运转提供电角度信号,且可以实时计算转速信息,满足电机运转需求。

参考文献

[1] 梅雷.基于旋转变压器获取PMSM驱动系统位置和转速[D].合肥:合肥工业大学,2013.

[2] 陈久闪.EPS系统永磁同步电机转矩脉动抑制研究[D].合肥:合肥工业大学,2016.

[3] 陈守宇.基于永磁同步电机的EPS控制策略设计与试验研究[D].合肥:合肥工业大学,2014.

[4] 国明宇.A4平台C-EPS永磁无刷电机设计[D].沈阳:沈阳工业大学,2015.

[5] 周亚明.一种新型磁阻式旋转变压器及其解码电路的研究与设计[D].长沙:湖南大学,2013.

[6] 朱贤辉.磁阻式旋转变压器的工作原理及其应用[J].江苏科技信息,2017(25):35-36.

[7] 周凯,焦文良,王志宏,等.磁阻式旋转变压器绕组结构分析[J].信息技术,2013(1):61-65.



作者信息:

李育龙,皮大伟,闫明帅

(南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京210094)