如何用旋转变压器精确确定电机角位和速度

电子监控和控制机械系统,如工业电机,伺服系统,机器人和车辆动力传动系,对提高效率,可靠性和安全性非常重要。然而,有效控制需要高精度的角度和速度旋转确定,这由于电噪声和恶劣环境而具有挑战性。解决方案在于由精确的旋变数字转换器(R / D)和运算放大器支持的旋转变压器。
本文简要讨论了与实现精确轴测量和控制相关的问题,以及为什么旋转变压器是许多应用的良好选择。然后,它会显示出分解器,一个R / d转换器的组合,如如何AD2S1210模拟器件,和适当的驱动放大器和滤波器电路可以创建一种高精度,健壮的位置和速度的测量和控制系统。

解决建设问题

旋转变压器是一种机电设备,可将机械运动转换为模拟电子信号。它本质上是一个旋转变压器,其交流电压输出遵循轴的角位置。旋转变压器的两个元件是单个绕组转子,其在固定定子内旋转。旋转变压器初级绕组位于定子上,次级绕组位于转子上(图1)。
可变磁阻旋转变压器图
图1:可变磁阻型旋转变压器有两个输入端子(R1,R2),两个正弦输出端子(S1,S3)和两个余弦输出端子(S2,S4)。(图片来源:ADI公司)
大多数旋转变压器电压规定在2伏有效值和40伏有效值之间,频率从50赫兹(Hz)到20千赫兹(kHz)。初级和次级绕组信号幅度之间的变换比在0.2伏特/伏特(V / V)至1V / V之间。通常,高性能旋转变压器需要高输入电压,这又需要更高功率的电子器件来满足高输出范围和更快的转换速率条件。角度精度范围从5弧分到0.5弧分,其中一度为60弧分,一弧分为60弧秒。
在图1中,转子绕组的交流参考电压激励(V R = E 0 SIN(wt))在R1和R2之间。任何定子绕组上的感应电压幅度与转子线圈轴和定子线圈轴之间的角度θ的正弦成比例。与E的转子的交流基准电压0 sinωt,定子的终端输出电压为:
R1 - R2 = E 0 sinωt等式 1
S3-S1 = T x E 0 sinot x sin eq。2
S2 - S4 = T Xë 0 sinωtX SIN(θ+ 90°)= T Xë 0 sinωtXCOSθ等式 3
两个定子输出信号是由正弦和余弦调制的轴角。激励正弦信号的图形表示,最大幅度为90°和270°,正弦和余弦输出信号的最大幅度为0°和180°(图2)。
旋转变压器电气输入(R1  -  R2)和输出信号的图表
图2:旋转变压器电气输入(R1 - R2)和输出信号。两个定子输出信号是由正弦和余弦调制的轴角。(图片来源:ADI公司)
完整的高性能R / D电路可精确测量航空电子设备,汽车和关键工业应用中的角位置和速度,这些应用要求在很宽的温度范围内具有高可靠性(图3)。
高性能R / D电路图
图3:高性能R / D电路,带差分输出端子(EXC:/ EXC)和差分正弦和余弦输入端子(SIN:SINLO,COS:COSLO)。注意,EXC等于图5中的EXE。(图像源:ADI公司)
在图3中,R / D电路具有旋转变压器转子驱动电路,具有两种工作模式:低功耗和高性能。在低功率状态下,单个+6伏供电系统运行时耗电量小于100毫安(mA)。整个系统为旋转变压器提供3.2伏有效值(9.2伏特pp)。处于高性能状态的系统采用+12伏单电源供电,为旋转变压器提供6.4伏有效值(18伏特pp)。
的3 次在R / d电路输出顺序有源滤波器,以旋转变压器转子和旋转变压器定子输出到R / d电路SIN / COS输入,最小化了系统的量化噪声的影响。在10位模式下,R / D电路最大跟踪速率为3125转/秒(RPS),其中分辨率等于21弧分。在16位模式下,R / D电路的最大跟踪速率为156.25 RPS,分辨率为19.8弧秒。

信号链设计考虑因素

ADI公司的AD2S1210WDSTZRL7 R / D电路具有可编程的10,12,14或16位数模转换器(DAC)和10,12,14或16位模数转换器(ADC) ,2个3 次阶低通滤波器,和一个旋转变压器。前3 次阶滤波器是在输出的R / d转换器的进入R1和R2解析器转子端子。第二3 次阶低通滤波器聚集在S1和S3的正弦分解器定子信号和S2和S4的余弦信号。通常,系统需要足够的带宽,足够的输出驱动能力以及在低功率和高性能配置之间切换的选项。
在该电路中,R / D电路的内部DAC产生10,12,14或16位正弦激励信号,峰峰值为3.6伏,电压范围为3.2至4.0伏。
在AD2S1210的输出,有一个低通3 次,其包括模拟设备阶滤波器AD8692ARMZ卷盘轨到轨运算放大器和模拟设备AD8397ARDZ-REEL7轨到轨高输出电流放大器。
采用+5 V电源,双通道AD8692低噪声CMOS运算放大器的输出范围为0.29至4.6伏。该放大器周围的电阻和电容实现了三个巴特沃斯滤波器极中的两个。AD8397高输出电流放大器适用于低功耗模式,与高性能模式相比,具有可切换的增益级和更高的电源电压能力,以及低通滤波器的第三极。AD8397的电源电压为+6伏,输出范围为0.18至5.87伏。电源电压为+12伏时,输出电压范围为0.35至11.7伏。
在定子的输出侧,四通道ADI公司的AD8694ARUZ-REEL低噪声CMOS轨到轨运算放大器连接到旋转变压器的SIN(S1和S3)和COS(S2和S4)引脚。AD8694与双通道AD8692属于同一系列,输出电压范围为0.37至4.6伏,电压为+5伏。AD2S1210 R / D转换器(SIN,SOLO,COS,COSLO)的差分输入具有峰值到峰值的信号范围,用于旋转变压器的正弦和余弦信号,通常为3.15伏,范围为2.3至4.0伏。
理想情况下,在该系统中,总信号链相移范围等于n×180° - 44°≤φ≤n×180°+ 44°,其中n是整数。

R / D电路细节

信号链设计考虑因素包括幅度和频率,以及稳定性和相移,而旋转变压器转子绕组阻抗模型包含电阻和电感元件。
AD2S1210 R / D电路激励信号范围为2 kHz至20 kHz,增量为250 Hz。来自AD8397的转子施加的激励信号与非理想电感和电阻元件接口。典型的电阻和电抗分量为50欧姆(Ω)至200Ω,0Ω至200Ω。标准转子激励电压可高达20伏特pp(7.1伏有效值),因此必须考虑旋转变压器驱动器的最大电流和最大功耗。为了适应这种接口,AD8397具有高输出电流(310 mA峰值,32Ω关闭±12 V电源),宽电源范围(24 V),低热阻封装(8引脚SOIC EP,θJA = 47.2°) C /瓦(W))和轨到轨输出电压。

分解器激励3 次阶滤波器和驱动器电路

AD2S1210内部DAC产生激励输出信号(EXC),产生量化噪声和失真(图4)。
在AD2S1210 EXC激励输出引脚上测量的10 kHz输出信号图
图4:在AD2S1210 EXC激励输出引脚上测量的10 kHz输出信号。(图片来源:ADI公司)
如果未经过滤,AD2S1210 EXC引脚上的图4输出噪声将通过旋转变压器传播并反馈到AD2S1210 SIN,SINLO,COS和COSLO引脚。
此外,必须特别注意激励电路中的增益和信号电平,以便AD8397输出驱动器不会饱和。AD2S1210输出信号的滤波器和功率放大器级满足旋转变压器电感输入级的严格要求(图5)。
激励驱动器和滤波器电路图
图5:R / D电路EXC输出端子和R1输入端子之间的励磁驱动器和滤波器电路。请注意,EXE等同于图2中的EXC。(图像源:Analog Devices)
在图4中,AD8692滤波器电路的直流增益为-1 V / V. ADI公司的ADG1612BRUZ-REEL四通道SPST开关S1闭合,以创建具有高VCC(≥+ 12V)的高性能模式条件。S1闭合时,AD8397驱动级的增益约为2.5 V / V. 2.5 V / V的增益可以从4.0伏pp EXE输入产生10伏pp输出。对于低功耗模式,S1打开时,增益等于1.28 V / V. 在这种配置中,4.0伏pp EXE输入产生5.12伏pp输出。
AD8692的配置是多反馈(MFB)三阶巴特沃斯低通滤波器。作为一般经验法则,放大器增益带宽积(GBWP)至少是-3分贝(dB)有源滤波器截止频率的20倍。截止频率在图5中为88 kHz,AD8692的GBWP为10 MHz,是截止频率的113倍。通常,该电路的相移为180°±15°。在图4的电路中,滤波器的-3 dB截止频率为88 kHz; 相移在10 kHz时为-13°。
双AD8692运算放大器用作3 次阶有源巴特沃斯滤波器,以减少驱动信号中的噪声(图6)。
噪声骑在信号上的图表显着减少
图6:在R / D转换器输出信号通过激励驱动器和滤波器之后,信号上的噪声显着降低,并为R1处的旋转变压器输入做好准备。(图片来源:ADI公司)
图6中的数据表明AD2S1210的内部DAC量化噪声显着降低。
同样,SIN(S1和S3)和COS(S2和S4)接收器电路使用两个四通道AD8694运算放大器作为有源噪声滤波器。AD2S1210 EXC引脚(CH1黄色)与SIN输入引脚(CH2蓝色)之间的总相移约为40°,低于最大设计值44°(图7)。
由模拟驱动器引起的信号相移图
图7:模拟驱动器和滤波器进入旋转变压器输入,旋转变压器和模拟滤波器导致信号相移返回R / D转换器。示波器屏幕截图显示了AD2S1210 EXC和SIN引脚之间的相移。(图片来源:ADI公司)

系统性能

本文评估电路使用ADI公司EVAL-CN0276-SDPZ电路板和ADI公司EVAL-SDP-CB1Z系统平台控制器板(图8)。
测试设置功能图图
图8:对应于图4,6,7,10和11的测试设置的功能图。(图像源:Analog Devices)
在图8中,两个板之间的120针配对连接器可以进行快速设置和电路性能评估。
EVAL-CN0276-SDPZ包含完整的电路,EVAL-SDP-CB1Z(SDP-B)与CN-0276评估软件一起交换EVAL-CN0276-SDPZ的数据(图9)。
Analog Devices EVAL-CN0276-SDPZ印刷电路板的图片
图9:EVAL-CN0276-SDPZ印刷电路板包含R / D转换器的完整电路。(图片来源:ADI公司)
通过整体系统噪声测量,Tamagawa TS2620N21E11的旋转变压器固定位置可生成输出代码直方图。AD2S1210的10位和16位角度精度模式的代码输出直方图显示了发送DAC和接收ADC的组合(图10和图11)。在本文中,TS2620N21E11旋转变压器具有0°相移和0.5的变比。旋转变压器的正弦(SIN)和余弦(COS)输出负载相等,至少是旋转变压器输出阻抗的20倍。
EXE图以10位角度精度模式传输
图10:EXE以10位角度精度模式发送,SIN / COS接收具有16位ADC分辨率。(图片来源:ADI公司)
EXC图传输16位角度精度模式
图11:EXC传输16位角度精度模式,SIN / COS接收,具有16位ADC分辨率。(图片来源:ADI公司)
在图10和图11中,VCC等于12伏特,这使得R / D转换器的全部16位处于高性能模式。

结论

解析器和R / D转换器(如ADI公司的AD2S1210)的组合可为潜在的恶劣环境电机控制应用创建高精度,稳健的位置和速度控制系统。
为了提供最佳的整体性能,AD8694和AD8397结合在一起,创建缓冲器/滤波器电路,放大激励信号,为旋变器提供适当的驱动,以及对次级信号进行滤波和反馈。利用AD2S1210的可变分辨率,参考产生和片上诊断功能,R / D转换器为旋变器应用提供了理想的解决方案。

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