基于AD2S1210的旋转变压器解调电路及其应用

基于AD2S1210的旋转变压器解调电路及其应用

王伽

（贵州航天控制技术有限公司，贵州贵阳 550009）

摘要：设计了一种基于AD2S1210的单通道旋转变压器电机转子位置速度的检测方法，介绍了该解调电路的设计方案，针对旋转变压器的工作原理及调理芯片AD2S1210进行了分析，在此基础上对该方案的解码及外围电路、增益驱动电路、输入调理电路进行了设计，并结合TI 公司的TMS320F2812构成了高精度的转子位置转速检测系统，对其进行了试验验证。

关键词：旋转变压器；位置转速检测；AD2S1210；解调电路

1、前言

为满足系统大功率、高性能、低转矩脉动要求，大功率电动舵机采用正弦波永磁同步电机矢量控制，需要实时检测电机转子位置,以实现转矩、速度及位置的闭环控制。传统电动伺服机构均采用角度传感器或电位计，无法很好满足速度实时性要求，同时位置反馈元件线性度低、反馈信号易受干扰，因此导致控制精度难以保证等问题。旋转变压器凭借其良好的抗冲击力、抗温度适度变化能力、结构简单、精度高、时效性好等优点，在正弦波永磁同步电机控制领域，尤其在航空、航天等环境恶劣、环境温度高的领域得到广泛应用。

本文针对旋转变压器的工作原理及调理芯片AD2S1210进行了分析，并在此基础上对旋转变压器的解码外围电路、增益驱动电路、数字控制电路进行了设计，最终应用于正弦波永磁同步电机矢量控制中。

2、工作原理

2.1、旋转变压器的工作原理

旋转变压器是一种基于电磁耦合原理的位置传感器件，一般由初级绕组和次级绕组两部分组成，励磁信号输入初级绕组，通过电磁耦合互感的原理，在两组物理位置相差90°的次级绕组上分别产生与励磁频率相同、幅值根据转子相位变化的正余弦信号，因此旋转变压器是绝对位置跟踪器件。

2.2、解码芯片的工作原理

本方案中解码芯片采用美国ADI公司的AD2S1210，是一款旋变/数字转换芯片，具有励磁信号发生器，旋变信号模数转换功能，以及数字通信接口，很好地实现了旋转变压器信号处理以及与微处理器、DSP等的对接。

若要从AD2S1210回读位置或速度数据，首先应利于SAMPLE输入更新位置和速度寄存器中存储的信息。当SAMPLE输入发生电平转换时，数据将从位置和速度积分器传输到位置和速度寄存器。A0和A1输入的状态决定是将位置数据还是速度数据传输至输出寄存器。CS引脚保持低电平才能将所选数据传至输出寄存器。最后，利用RD输入读取输出寄存器中的数据，并使能输出缓冲器。

3、方案设计

3.1、组成及功能

基于AD2S1210的单通道旋转变压器调理电路，其主要组成为：旋转变压器、采用AD2S1210芯片为核心的解码及外围电路、增益驱动电路、输入调理电路、采用TMS320F2812型数字信号处理器作为核心的数字控制电路。

3.2、解码及外围电路的设计

解码及外围电路主要是AD2S1210芯片及其外围电路，保证芯片的正常工作。

解码电路为旋转变压器提供两路差分励磁信号，由于产生的两路差分励磁信号驱动能力不足，因此需要设计增益驱动电路，由增益驱动电路滤波放大后输入到旋转变压器，为其提供合适的激励信号。旋转变压器通过励磁信号产生正弦和余弦信号，经调理电路衰减后由解码电路进行数据处理。

3.3、增益驱动电路的设计

AD2S1210芯片可为旋转变压器提供两路差分励磁信号，但产生的两路差分励磁信号驱动能力不足，因此需要设计增益驱动电路，由增益驱动电路放大后输入到旋转变压器，为其提供合适的激励信号。

选择旋转变压器的激励电压峰峰值为11V，由于AD2S1210芯片输出的两路差分励磁信号EXC到-EXC的电压典型峰峰值为7.2 V，因此放大增益设定为

                      (5)

为满足增益并驱动旋转变压器工作，采用运放加功放来实现放大电压及输出电流。

3.3、输入调理电路的设计

旋转变压器通过励磁信号产生正弦和余弦信号，作为AD2S1210芯片解码的输入。AD2S1210芯片对输入有着严格的要求，因此旋转变压器产生的格式信号需经过调理电路衰减到满足要求后才能进入AD2S1210芯片。

本方案中所采用的旋转变压器的转换比为0.5，AD2S1210芯片的正余弦输入要求电压典型峰峰值为3.15V，为满足要求，衰减增益设定为

                         (7)

3.3、数字控制电路的设计

对AD2S1210芯片输出的二进制表示的角位置和角速度，可以用并行通信、串行通信来读取。并行通信用于对实时性要求非常高的场合，同时占据了非常多的引脚资源；串行通信使用引脚相对较少，对于时序的要求非常严格。考虑在使用较少引脚的情况下实现功能，本方案中选择串行模式，单路旋变读取一次位置速度的时间约11μs。在串行通信中，通过AD2S1210芯片提供的接口电平引脚，可配置数字逻辑接口的工作电压，直接与DSP的SPI连接，实现控制和串行数据读取。

4、试验验证情况

该方案经试验证明能够有效地检测电机转子的位置，并对电机进行控制，位置检测的稳定性和重复性优于0.02°，速度检测的稳定性和重复性优于0.06rps，分辨率最高可达16bit 精度，达到电动伺服机构系统控制对电机位置检测的精确性与稳定性要求，解决传统伺服机构使用角度传感器、位置检测元件精度低等问题。电路稳定可靠、可操作性强、可移植性好。

5、结论

从目前的实验结果来看，输出比较稳定，电路设计简单可靠，检测精度高，可以满足设计需求。AD2S1210 与TMS320F28335 构成了高精度的转子位置转速检测系统，提高控制的算法效率，为高性能伺服电动机的控制提供可靠的保证。

参考文献：

[1] AD2S1210技术手册.AD公司.2012.

[2] 崔军，温旭辉，张立伟．新型永磁同步电机控制用旋转变压器/数字转换器及其应用[J]. 电气传动，2005，35（11）： 11-14．

[3] 袁登科，李晓霞． 基于旋转变压器的永磁同步电机转子位置检测电路设计［J］． 电机与控制应用，2009，36: 59-63．

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