旋转变压器在高速永磁同步电动机中的应用.doc

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(s1一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；
    ω——励磁角频率；
    K——旋转变压器变比；
    θ——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RsO—cOM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B00ster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 kΩ，Rf=100 kΩ，R1=R2=3. 3 kΩ，R3=R4=4. 7 Ω，Rext=12 Ω，RRl=RR2=3．3 kΩ，R11=20 kΩ，R12=200 kΩ，RBH=68 kΩ，RBL=20 kΩ；Ci=O．1μF，Cf=200 pF，Cn=100 pF，Cc=1 000 pF。

2．2 Au6802Nl与TMs320F2812的接口设计
本系统采用TMs：320F2812作为主控cPu，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I／O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L／0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 000r／min;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I／O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 r／min，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，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5μs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：
(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deltaA≤delta肼，则A(n)有效；如果deltaA>deltaM，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200μs，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ωref在一个采样周期内角度的变化值的两倍，即：
    deltaM=2ωrefTs
转子数字角度的软件处理流程图如图5所示。经中位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 r／min，IGBT上下桥臂死区时间设置为5μs，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。