日前，永磁伺服同步電機(jī)的使用越加的廣泛，而MCU迅速發(fā)展使得電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案越來越簡單可靠。伺服控制電機(jī)需要位置反饋，與傳統(tǒng)的位置傳感器想比，旋轉(zhuǎn)變壓器更容易維護(hù)，適合在環(huán)境惡劣的工況下工作。本文基于英飛凌推出的新一代M4處理器完成了帶旋轉(zhuǎn)變壓器伺服控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；系統(tǒng)選用的是英飛凌新一代的處理器XMC4500，文章具體介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器原理，以及旋變解調(diào)的硬件電路設(shè)計(jì)。
永磁伺服同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)磁場定向控制中，電機(jī)位置速度的反饋對實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)極為重要。電機(jī)反饋傳感器在很大程度上決定了運(yùn)動控制的的性能，傳感器的誤差限制了位置速度的精度。目前檢測電機(jī)速度的方法也有多種，如光電編碼器，霍爾傳感器，旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的是含有位置信號的模擬信號，工作可靠，壽命長，對機(jī)械噪聲不敏感，適合應(yīng)用在高溫潮濕，震動等環(huán)境惡劣的工況下。旋轉(zhuǎn)變壓器需要高頻正弦激勵信號，輸出的模擬信號也是高頻的，需要對其信號解調(diào)才能獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。傳統(tǒng)的信號解調(diào)方法是使用解碼芯片，常用的解碼芯片有AD2S90，AS2S99，AD2S1200 等等。但是這些專用的芯片對模通常價(jià)格比較昂貴。Infineon公司新推出的 Xmc4500 內(nèi)置Delta-Sigma 解調(diào)功能，是該微控制器的一大特色，利用這一功能可以十分方便的支持旋轉(zhuǎn)變壓器。本文基于XMC4500設(shè)計(jì)了旋變方案的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。
1旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)原理
1.1旋轉(zhuǎn)變壓器簡單介紹
本文采用的是多摩川旋變，型號為：TS4746N3220E501 勵磁電壓要求10KHZ, 幅值為7V。旋轉(zhuǎn)變壓器由勵磁繞組和次邊輸出繞組組成，如圖（1）所示，Uref是勵磁繞組，Usin,Ucos是輸出繞組。輸出電壓和轉(zhuǎn)子位置關(guān)系表達(dá)式：
![9SOXI09J[$UBG7[@[]7L$5R.png](http://files.chinaaet.com/images/2016/08/14/6360681157831919934878585.png "9SOXI09J[$UBG7[@[]7L$5R.png")
其中K 是變壓比， 
是角速度， =2*pi*f，f 即勵磁電壓的頻率，E是勵磁電壓幅值，
即轉(zhuǎn)子的角度。由上式可知，當(dāng)在勵磁繞組上施加勵磁電壓后，隨著轉(zhuǎn)子的角度在輸出繞組上就產(chǎn)生了含有轉(zhuǎn)子位置信息的 
，
波形。如圖2所示。
圖 1 旋轉(zhuǎn)變壓器示意圖
圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁以及輸出電壓波形
1.2 傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)原理
圖3是傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)原理圖。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號與估計(jì)位置角
的正余弦值相乘，得到：
將兩者求差得到：
(6)式在經(jīng)過檢波器得到位置誤差信息，再積分激勵壓控振蕩器，壓控振蕩器再引起計(jì)數(shù)器的上下計(jì)數(shù)得到位置。
圖3傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)原理圖
由表達(dá)式(1),(2),(3)可以得出旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組含有轉(zhuǎn)子位置信息。XMC4500內(nèi)置DSD數(shù)字處理部分，能解調(diào)旋變反饋信號，并支持旋變勵磁信號產(chǎn)生。旋轉(zhuǎn)變壓器反饋信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后將數(shù)字比特率流信號送至XMC4500解調(diào)變可以得到轉(zhuǎn)子的角度信息了。XMC4500的DSD功能使得軟件開發(fā)非常的簡單，只要合理配置寄存器便可以求出角度。圖4是DSD解調(diào)詳細(xì)過程。在一個(gè)載波周期內(nèi)對旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋信號進(jìn)行N點(diǎn)抽樣，根據(jù)載波的符號對抽樣值進(jìn)行整形。載波符號波形即為載波同頻率的方波：
因此參考信號和輸入信號相乘得到：
![~K_}@D1]H[RQ9HKBRU$A)G8.png](http://files.chinaaet.com/images/2016/08/14/6360681198629919936141427.png "~K_}@D1]H[RQ9HKBRU$A)G8.png")
即為圖4中的波形4所示。將
傅里葉展開
經(jīng)過低通濾波濾除高頻信號可以得到與輸入信號包絡(luò)信號成正比的信號即圖4中的第六個(gè)波形：
![K$G`001]JR5%T]D]Y0%C%GX.png](http://files.chinaaet.com/images/2016/08/14/6360681203546919937717543.png "K$G`001]JR5%T]D]Y0%C%GX.png")
圖4 旋轉(zhuǎn)變壓器信號解調(diào)過程
1.4鎖相環(huán)原理
為了得到更精確的角度信息，讓
經(jīng)過PLL鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)相同步。PLL鎖相環(huán)原理如圖所示：
圖5 PLL鎖相環(huán)原理
即為所求得得角度。首先利用三角函數(shù)關(guān)系以及
（當(dāng) 為很小值時(shí)），得到角度誤差
，進(jìn)過PI調(diào)節(jié)器以及第一個(gè)積分得到速度 ，速度再積分即得到角度 。合理調(diào)節(jié)PI參數(shù)可以保證 精確度和響應(yīng)速度。