1、旋轉變壓器在高速永磁同步電動機中的應用黃科元，董恒，黃守道（湖南大學，湖南長沙 410082）摘要：介紹一種用于高速永磁同步電動機控制的轉子位置檢測方法，該方法采用旋轉變壓器/數字轉換器AU6802N1，將旋轉變壓器輸出的模擬信號轉化為數字位置信號。設計了 AU6802N1與旋轉變壓器和TMS320F2812之間的接口電路，并提岀了 種具有較強容錯性的位置信號數字處理方法。試驗表明，該方案能夠準確地實現電機位置和速度的檢測。O引言在采用磁場定向控制的永磁同步電動機調速系統中，需要實時地檢測電機轉子位置及轉速，以實現轉矩、速度的閉環控制。通常的檢測方法是使用光電編碼器，而常用的正交光電編碼器起動

2、時需要一段時間進行轉軸定位，而且抗沖擊震動性差，因此在需要快速響應的高速運行且對抗震要求較高的場合，往往使用旋轉變壓器。旋轉變壓器的輸岀是含位置信息的模擬信號，需要將其轉換為數字信號才可輸入到單片機或DsP等控制芯片。本文采用多摩川公司的旋轉變壓器數字轉換器AU6802N1將模擬位置信號轉換成12位數字位置信號，同時采用TMS320F2812作主控cPu，可滿足系統對轉子位置與速度信號實時快速檢測和處理的要求。實驗 表明該方案確實可行，并具有較高的控制精度。1旋轉變壓器的原理本系統選用的無刷旋轉變壓器如圖1所示。經過無刷化設計，旋轉變壓器初級勵磁繞組（R1 一 R2）和二相正S2 一 S4）同

3、在定子側，轉子側是與初級繞組和次級繞組磁通耦合的特殊結構的S4 S2當旋轉變壓器轉子隨電機同步旋轉、初級勵磁繞組外加交流勵磁電壓后，次級兩輸岀繞組中便會產生感應 電勢，大小為勵磁與轉子旋轉角的正、余弦值的乘積。旋轉變壓器輸入輸岀關系如下:st-S4 = KE 彈-hH：（於 H式中：F 0勵磁最大幅值；3勵磁角頻率；K旋轉變壓器變比；9 轉子旋轉角度。2基于AU6802N1的接口電路 2 1旋轉變壓器與Au6802N1的接口電路Au6802N1提供給旋轉變壓器的交流勵磁電壓由RsO cOM 口輸出，頻率由引腳 FsELI和FsEL2設置，在圖2的電路中勵磁電壓信號的頻率設置為10 kHz。勵磁

4、電壓的有效值通過雙電源BOOster放大電路進行調節。該勵磁電壓信號又反饋回R1ER2E端口，用于實現內部相位同步檢測和斷相檢測。旋轉變壓器產生的cos和sin信號經過調理后分別由S3-S1和s4-s2端口進入解碼芯片。參數選擇：V=15 V，Ri=22 k Q, Rf=100kQ，Ri=R2=3. 3 kQ R3=R4=4. 7Q Rext=12 QRr=Rr2=3.3 k QRii=20 kQ,Ri2=200 k QRbh=68 kQ,Rbl=20 k Q Ci=O. 1 gF Cf=200 pF，Cn=100 pF，Cc=1 000 pF。圖2醸轉變壓器與AL68O2NI接口曲路2. 2

5、 AU6802NI 與 TMS320F2812 的接口設計本系統采用TMs : 320F2812作為主控cPu,用Au6802NI將旋轉變壓器輸出的模擬位置信號 (sin , cos)轉換為并行的數字信號，然后由DSP將數字位置信號讀人并進行處理。Au6802NI有三種輸出信號模式：脈沖接口模式、并行I /O接口模式和并行總線接口模式，這三種信號輸岀模式可以通過其芯片引腳OuTMD、cSB、RDB、INTB的電平設置來設定。 脈沖接日模式是仿增量式光電編碼器工作方式，輸出正交編碼脈沖,同時還可以輸岀磁極位置信號以及轉速故障信號。并行L/0接口模式就是并行輸岀絕對式位置信號的數字量。另外，可編程

6、sPI 口也為其與DsP之間傳輸電機轉子的位置信號提供了理想的接口，在上述三種模式 下均可正常工作而不需要任何設置。該芯片所提供的多種信號輸岀模式為用戶的信號接口電路設計提供了 更多的選擇，可以實現不同的用途。本系統中使用絕對式輸岀模式，絕對式輸岀為12位位置信號，分辨率60 000r/ min;而且可以輸出方向信號和錯誤信號，外圍電路簡單，只需少許元件就可以完成解碼工作，輸出信號由電平轉換芯片 SN74ALVCI64245完成Au6802N1輸出5 v電平到DsP輸入3. 3 V電平的轉換后直接與DsP的1/O 口相連。其接口電路原理圖如圖3所示。圖3 xraO2N|與TMS320F28I2

7、的接口原理圈3信號處理及實驗結果實驗電機參數：額定轉速 6 000 r/min，功率42kw，極對數2對極；PwM采樣頻率為5 kHz ;旋轉變壓器 勵磁信號頻率10 kHz，有效值7 V。由于干擾的存在，信號經過 AU6802M解碼出來的數字角位置信號與實際電機軸角不一定吻合，旋轉變壓器解碼芯片會有丟脈沖的現象，進而影響到轉子角度的精確測量，從CCS2000軟件的觀測窗口中可以看到，在角度測量斜坡線上會出現數值突變的情況，如圖4所示。由于角度測量的誤差，會導致電流沖擊。圖4信號處理蘭的角廈斜坡線為了克服角度測量誤差，本系統采用了中位值濾波和微分限幅補值對位置信號進行了處理。實現中位值濾波方法

8、為：DsP每隔5 as連續讀取位置角7次，把7次采樣值按大小排列，取中間值(第4次)為本次的有效 值。該方法能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，但實驗表明不能完全消除干擾。因此對中位值濾波后 的值進一步進行微分限幅補值處理，處理算法如下：(1) 根據實際測試和經驗，確定相鄰兩次采樣允許的最大偏差值(設為delta M);(2) 讀取本次采樣值 A(n)和上次采樣值A(n-1)，計算兩次值的偏差的絕對值deltaA=ABs(A(n)-A(n-1);(3) 判斷：如果 deltaA deltaM，則本次值無效，A(n)=A(n-1)+delfaA(n-1)。 本系統角度米樣在每個 PwM周期進行，

9、米樣時間間隔為200卩s,相鄰兩次米樣允許的最大偏差角度 delta M 設定為當前電機給定速度 3在一個采樣周期內角度的變化值的兩倍，即：deltaM=2 3efTs接與DsP的1/O 口相連。其接口電路原理圖如圖3所示。轉子數字角度的軟件處理流程圖如圖5所示。經中位值濾波和微分限幅補值處理后消除了因干擾產生的角度數值突變，如圖6所示。1玳時門i,i轉子數字角度的軟件處理流程圖如圖5所示。經中位值濾波和微分限幅補值處理后消除了因干擾產生的角轉子數字角度的軟件處理流程圖如圖5所示。經中位值濾波和微分限幅補值處理后消除了因干擾產生的角國s 軟件虻理戒麼出 圖&信號處理白的伯度斛坡線實驗給定轉速6 000 r/min，IGBT上下橋臂死區時間設置為 5以 圖7a為旋轉變壓器勵磁波形；圖 7b為旋轉變壓器輸出信號所示；圖7c是電動機對應的電流波形；圖7d是電機對應的線電壓波形；經檢測電動機的轉速波動 百分之零點零五w*/轉子數字角度的軟件處理流程圖如圖5所示。經中位值濾波和微分限幅補值處理后消除了因干擾產生的角(b)林轉Q匹需輸出iR余張口號He血 ms eft)(c)電流肢形-圭=1-4J/nuC.5 tnsiI -I 毀電醫波賂轉子數字角度的軟件處理流程圖如圖5所示。經中位值濾波和微分限幅補值處理后消除了因干擾產生的