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1、旋转变压器在高速永磁同步电动机中的应用 黄科元，董恒，黄守道 (湖南大学，湖南长沙4l0082) 摘要：介绍一种用于高速永磁同步电动机控制的转子位置检测方法，该方法采用旋转变压器数字转换器Au6802N1，将旋转变压器输出的模拟信号转化为数字位置信号。设计了Au6802N1与旋转变压器和TMs320F2812之间的接口电路，并提出了种具有较强容错性的位置信号数字处理方法。试验表明，该方案能够准确地实现电机位置和速度的检测。O引 言 在采用磁场定向控制的永磁同步电动机调速系统中，需要实时地检测电机转子位置及转速，以实现转矩、速度的闭环控制。通常的检测方法是使用光电编码器，而常用的正交光电编码器起
2、动时需要一段时间进行转轴定位，而且抗冲击震动性差，因此在需要快速响应的高速运行且对抗震要求较高的场合，往往使用旋转变压器。 旋转变压器的输出是含位置信息的模拟信号，需要将其转换为数字信号才可输入到单片机或DsP等控制芯片。本文采用多摩川公司的旋转变压器数字转换器Au6802N1将模拟位置信号转换成12位数字位置信号，同时采用TMs320F2812作主控cPu，可满足系统对转子位置与速度信号实时快速检测和处理的要求。实验表明该方案确实可行，并具有较高的控制精度。1旋转变压器的原理本系统选用的无刷旋转变压器如图1所示。经过无刷化设计，旋转变压器初级励磁绕组(R1一R2)和二相正交的次级感应绕组(s
3、1一s3，s2一S4)同在定子侧，转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的特殊结构的线圈绕组。当旋转变压器转子随电机同步旋转、初级励磁绕组外加交流励磁电压后，次级两输出绕组中便会产生感应电势，大小为励磁与转子旋转角的正、余弦值的乘积。旋转变压器输入输出关系如下：式中：F0励磁最大幅值； 励磁角频率； K旋转变压器变比； 转子旋转角度。2基于Au6802N1的接口电路2 1旋转变压器与Au6802N1的接口电路Au6802N1提供给旋转变压器的交流励磁电压由RsOcOM口输出，频率由引脚FsEL1和FsEL2设置，在图2的电路中励磁电压信号的频率设置为10 kHz。励磁电压的有效值通过双电源B00
4、ster放大电路进行调节。该励磁电压信号又反馈回R1ER2E端口，用于实现内部相位同步检测和断相检测。旋转变压器产生的cos和sin信号经过调理后分别由s3-s1和s4-s2端口进入解码芯片。参数选择：V=15 V，Ri=22 k，Rf=100 k，R1=R2=3. 3 k，R3=R4=4. 7 ，Rext=12 ，RRl=RR2=33 k，R11=20 k，R12=200 k，RBH=68 k，RBL=20 k；Ci=O1F，Cf=200 pF，Cn=100 pF，Cc=1 000 pF。22 Au6802Nl与TMs320F2812的接口设计本系统采用TMs：320F2812作为主控cPu
5、，用Au6802Nl将旋转变压器输出的模拟位置信号(sin，cos)转换为并行的数字信号，然后由DSP将数字位置信号读人并进行处理。Au6802Nl有三种输出信号模式：脉冲接口模式、并行IO接口模式和并行总线接口模式，这三种信号输出模式可以通过其芯片引脚OuTMD、cSB、RDB、INTB的电平设置来设定。脉冲接日模式是仿增量式光电编码器工作方式，输出正交编码脉冲，同时还可以输出磁极位置信号以及转速故障信号。并行L0接口模式就是并行输出绝对式位置信号的数字量。另外，可编程sPI口也为其与DsP之间传输电机转子的位置信号提供了理想的接口，在上述三种模式下均可正常工作而不需要任何设置。该芯片所提供
6、的多种信号输出模式为用户的信号接口电路设计提供了更多的选择，可以实现不同的用途。本系统中使用绝对式输出模式，绝对式输出为12位位置信号，分辨率60 000rmin;而且可以输出方向信号和错误信号，外围电路简单，只需少许元件就可以完成解码工作，输出信号由电平转换芯片SN74ALVcl64245完成Au6802N1输出5 v电平到DsP输入3. 3 V电平的转换后直接与DsP的IO口相连。其接口电路原理图如图3所示。3信号处理及实验结果实验电机参数：额定转速6 000 rmin，功率42kw，极对数2对极；PwM采样频率为5 kHz；旋转变压器励磁信号频率10 kHz，有效值7 V。由于干扰的存在
7、，信号经过Au6802M解码出来的数字角位置信号与实际电机轴角不一定吻合，旋转变压器解码芯片会有丢脉冲的现象，进而影响到转子角度的精确测量，从ccs2000软件的观测窗口中可以看到，在角度测量斜坡线上会出现数值突变的情况，如图4所示。由于角度测量的误差，会导致电流冲击。为了克服角度测量误差，本系统采用了中位值滤波和微分限幅补值对位置信号进行了处理。实现中位值滤波方法为：DsP每隔5s连续读取位置角7次，把7次采样值按大小排列，取中间值(第4次)为本次的有效值。该方法能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，但实验表明不能完全消除干扰。因此对中位值滤波后的值进一步进行微分限幅补值处理，处理算法如下：(
8、1)根据实际测试和经验，确定相邻两次采样允许的最大偏差值(设为delta M)；(2)读取本次采样值A(n)和上次采样值A(n-1)，计算两次值的偏差的绝对值deltaA=ABs(A(n)-A(n-1)；(3)判断：如果deltaAdelta肼，则A(n)有效；如果deltaAdeltaM，则本次值无效，A(n)=A(n-1)+delfaA(n-1)。本系统角度采样在每个PwM周期进行，采样时间间隔为200s，相邻两次采样允许的最大偏差角度delta M设定为当前电机给定速度ref在一个采样周期内角度的变化值的两倍，即： deltaM=2refTs转子数字角度的软件处理流程图如图5所示。经中位
9、值滤波和微分限幅补值处理后消除了因干扰产生的角度数值突变，如图6所示。实验给定转速6 000 rmin，IGBT上下桥臂死区时间设置为5s，图7a为旋转变压器励磁波形；图7b为旋转变压器输出信号所示；图7c是电动机对应的电流波形；图7d是电机对应的线电压波形；经检测电动机的转速波动百分之零点零五。4结语在高速大功率永磁同步电动机驱动系统中，以旋转变压器Ts2225N12E102与解码芯片Au6802Nl构成的高精度位置速度检测电路，通过对转子位置的合理数字处理，能够实现转子位置转速的精确测量。实验证明，本文设计的接口电路和数字处理方法简单，精度高，可靠性好抗干扰能力强，完全能够满足控制的要求。