0 引言

    永磁同步電機(jī)是一種反電動(dòng)勢(shì)為正弦波的直流無刷電機(jī)，多被應(yīng)用到控制精度要求較高的場(chǎng)合^[1]。該類型電機(jī)沒有電刷，避免了有刷電機(jī)維護(hù)周期短、故障率高和電磁干擾等缺陷^[2]。但是，為實(shí)現(xiàn)正常換向和轉(zhuǎn)速控制，永磁同步電機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息和轉(zhuǎn)速信息^[3]。

    常用轉(zhuǎn)子的位置傳感器有光電編碼器、霍爾型位置傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器3種^[4]。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器有著抗震性強(qiáng)、精度高、耐高溫、耐濕度和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)^[5]，適用于汽車等工作環(huán)境差的場(chǎng)所。但是，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的是模擬信號(hào)，主控芯片不能直接讀取轉(zhuǎn)子位置信息，需設(shè)計(jì)解碼電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。因此，本文基于專用旋變解碼芯片AD2S1205設(shè)計(jì)了一種旋變解碼系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的軟硬件性能。

1 磁阻式旋變工作原理

    磁阻式旋變主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中旋變定子繞有勵(lì)磁輸入繞組和兩相輸出繞組，旋變轉(zhuǎn)子由特定形狀的鐵芯構(gòu)成，與電機(jī)輸出軸同軸連接，不繞線圈，定子和轉(zhuǎn)子不直接接觸^[6]。旋變工作時(shí)，勵(lì)磁線圈通以固定頻率的正弦電壓，由于旋變轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)，兩相輸出繞組的電壓幅值隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，并且兩相輸出繞組電壓相位相差90°^[7]。通過旋變解碼系統(tǒng)解碼兩相輸出繞組的電壓，便可得到此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。

    磁阻式旋變的電氣結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中，勵(lì)磁繞組輸入電壓與兩相輸出繞組電壓有以下數(shù)學(xué)關(guān)系。

    勵(lì)磁繞組輸入電壓為：

其中，E為勵(lì)磁繞組輸入電壓幅值，f為勵(lì)磁繞組輸入電壓頻率。

    兩相輸出繞組電壓分別為：

其中，K為輸出電壓的增益系數(shù)，θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電角度。

    兩相輸出繞組電壓分別是與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)，解碼系統(tǒng)采集輸出繞組的電壓，通過解碼計(jì)算，便可以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)角的位置信息。

2 硬件設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)中電子電路硬件以AD公司的專用解碼芯片AD2S1205為核心，外圍電路主要包括旋變勵(lì)磁電路、旋變輸出信號(hào)調(diào)理電路以及解碼系統(tǒng)與單片機(jī)的通信接口電路和電源電路。

2.1 AD2S1205工作原理

    AD2S1205是一款分辨率為12位的專用旋變解碼芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括可編程正弦波發(fā)生器、Type II跟蹤環(huán)路、錯(cuò)誤檢測(cè)電路和數(shù)據(jù)接口4個(gè)單元，內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。利用頻率選擇引腳(FS1和FS2引腳)，可以輕松地將激勵(lì)頻率設(shè)置為10 kHz、12 kHz、15 kHz或20 kHz，本設(shè)計(jì)中正弦波激勵(lì)頻率為10 kHz。AD2S1205采用Type II跟蹤環(huán)路跟蹤正余弦輸入信號(hào)，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角位置或角速度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，最大跟蹤速率為1 250 rps。

    Type II跟蹤閉環(huán)具體原理如下，AD2S1205產(chǎn)生的輸出角(φ)反饋并與輸入角(θ，電機(jī)電角度)進(jìn)行比較，藉此來跟蹤軸角(θ)；兩個(gè)角度之間的差異即誤差，如果轉(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角則該值趨于0。為了測(cè)量誤差，將S₁-S₃乘以sinφ，并將S₂-S₄與cosφ相乘。

    KE·(θ-φ)是轉(zhuǎn)子的角誤差與轉(zhuǎn)換器的數(shù)字角輸出之間的差值，依靠解碼芯片內(nèi)部閉環(huán)系統(tǒng)可以將誤差信號(hào)歸零。當(dāng)該目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)時(shí)，φ等于旋轉(zhuǎn)角θ，實(shí)現(xiàn)角度跟蹤。

2.2 外圍電路

    為向旋變勵(lì)磁繞組提供高頻穩(wěn)定的正弦波激勵(lì)，并使旋變輸出的正余弦信號(hào)滿足解碼芯片的輸入需求，同時(shí)保證解碼芯片輸出到單片機(jī)的角位置/角速度信號(hào)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，設(shè)計(jì)了AD2S1205最小系統(tǒng)的外圍電路。如圖3所示，該外圍電路主要由勵(lì)磁電路、信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

    勵(lì)磁電路的設(shè)計(jì)需考慮AD2S1205對(duì)勵(lì)磁繞組的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，并且兼顧正弦激勵(lì)信號(hào)的增益大小，同時(shí)還必須對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片輸出信號(hào)進(jìn)行一定的濾波除噪處理。如圖4所示，EXC與為AD2S1205勵(lì)磁信號(hào)的輸出引腳，勵(lì)磁信號(hào)為中心電壓為2.5 V，峰值電壓為3.6 V的正弦波信號(hào)，兩引腳將產(chǎn)生峰值電壓為7.2 V的差分信號(hào)。本設(shè)計(jì)中旋變變比為0.286，若勵(lì)磁電路為單位增益，則旋變輸出到解碼芯片的正余弦信號(hào)峰值僅為2 V，滿足不了解碼芯片的輸入電壓要求(輸入端允許電壓3.15 V±27%)，因此選用雙功率運(yùn)算放大器TCA0372DM對(duì)勵(lì)磁信號(hào)進(jìn)行放大處理。

    實(shí)際中電機(jī)角位移/角速度與旋變輸出信號(hào)并不成理想的正余弦關(guān)系，信號(hào)中會(huì)有噪聲干擾和共模干擾，因此不可以將旋變輸出端與AD2S1205輸入端COS、COSLO、SIN、SINLO直接相連，中間需設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路。如圖5所示，旋變輸出信號(hào)經(jīng)COSLOIN、COSIN、SINLOIN、SININ輸入至信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)濾波除噪后輸出至解碼芯片端口。 

3 軟件設(shè)計(jì) 

    為精確讀取并顯示旋變的角位置信息，兼顧電機(jī)角速度的計(jì)算，以MCS12DG128單片機(jī)為平臺(tái)設(shè)計(jì)了旋變解碼系統(tǒng)軟件。軟件設(shè)計(jì)具體包括單片機(jī)初始化、軟件濾波、角位置信息計(jì)算、角速度信息計(jì)算和CAN通信等部分。

    如圖6所示，程序開始時(shí)首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)置，將總線頻率設(shè)置為32 MHz，12路I/O口設(shè)置成輸入模式，定時(shí)器中斷周期設(shè)為1 ms。AD2S1205解碼所得角位置信號(hào)經(jīng)12路并行端口輸入至單片機(jī)I/O口，經(jīng)計(jì)算處理后得到0～2π范圍內(nèi)的電角度。為獲得平穩(wěn)精確的電角度信息，設(shè)計(jì)了中值濾波算法，對(duì)電角度信號(hào)進(jìn)行軟件濾波處理，根據(jù)濾波后的電角度信息確定電機(jī)的換相時(shí)序。如圖7所示，在計(jì)算角位置的同時(shí)，由AD2S1205解碼所得角位置信息計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行中位值濾波處理。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

    在試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)中，所用到的設(shè)備主要有：直流開關(guān)電源、MCS12DG128開發(fā)板、永磁同步電機(jī)（帶磁阻式旋變）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、AutoBox和上位機(jī)。如圖8所示，開關(guān)電源開啟后，開發(fā)板由旋變解碼板獲得電機(jī)的電角度信息，并根據(jù)電角度信息輸出六路PWM信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)板換相，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

    試驗(yàn)開始1 s后給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板通電，PWM占空比固定為0.1、頻率20 kHz，電機(jī)以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。圖9給出了電機(jī)電角度變化，由于電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電角度由6.28～0范圍內(nèi)循環(huán)變化；電角度受電機(jī)脈動(dòng)、硬件噪聲等干擾，并不是斜率不變的直線。圖10表明電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 s時(shí)刻由0 r/min迅速上升，約經(jīng)0.3 s后穩(wěn)定在460 r/min左右波動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的旋變解碼系統(tǒng)能夠有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且能實(shí)時(shí)輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。

5 結(jié)論

    本文分析了磁阻式旋變的工作原理，并基于解碼芯片AD2S1205設(shè)計(jì)了旋變解碼系統(tǒng)，最后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的旋變解碼系統(tǒng)可以為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供電角度信號(hào)，且可以實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)速信息，滿足電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需求。

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作者信息:

李育龍，皮大偉，閆明帥

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094)