基于旋转变压器的PMSM位置和速度检测方法

李 兵，胡亮灯

(海军工程大学，武汉430033)

0 引 言

永磁同步电动机(以下简称PMSM)具有结构简单、运行可靠、体积小、功率密度高等一系列特点，以其为核心组成的永磁电机电力推进系统更适合当今舰船的发展趋势，现已成为国内外舰船电力推进系统的研究重点[1]。为满足电机驱动系统的高精度、快速性、可靠性等方面的要求，就需要精准的电机位置参数来实现电机的控制[2-5]。而旋转变压器是一种能输出与转子转角或位置成某种函数关系电信号的交流微特电机，可以用它来精确测量转子位置信号，从而提高电机的控制性能。旋转变压器有良好的抗冲击力、抗温度适度变化能力、精度高等优点，广泛应用于高温、严寒、潮湿、高速、高震动等条件恶劣且稳定性要求很高的环境当中[6-7]。在外加励磁信号输入下，旋转变压器输出两路正余弦模拟信号[8]，这时就需要旋转变压器解码芯片将模拟信号转换成数字信号，才能供DSP，FPGA等控制芯片进行解析处理，从而得到PMSM的转子位置信息和速度数据。本文基于AD公司专用解码芯片AD2S1210，对其解码原理、解码程序以及解码电路进行了详细分析，并在异步电机试验平台中进行了验证，下一步将应用于PMSM的伺服控制中。

1 旋转变压器测速原理

采用的多摩川磁阻式旋转变压器由转子和定子2部分组成，如图1所示，它包含激励输入绕组、余弦输出绕组和正弦输出绕组3个绕组。

图1 磁阻式旋转变压器等效电路

当来自解码芯片的交流励磁电压Esin(ωt)加在磁阻旋转变压器的R1-R2励磁绕组上时，磁阻式旋转变压器定子上正、余弦输出绕组S2-S4和S1-S3中的感应电动势分别：

(1)

式中：Esin(ωt)为励磁激励信号；ω为励磁频率；k为旋转变压器变比。

2 AD2S1210数字转换器解码原理、解码电路和解码程序

本文采用解码芯片AD2S1210为旋转变压器提供正弦波激励，集成片上可编程正弦波振荡器，输出的角度和速度数据用二进制表示，可通过并行接口或串行接口读取。Type II伺服环路用于跟踪输入信号，并将正弦和余弦输入端的信息转换为输入角度和速度所对应的数字，最大跟踪速率为3 125 r/s。下面主要以16位分辨率(N=16)，时钟输入8.192 MHz为例进行说明。

2.1 AD2S1210数字转换器解码原理

旋转变压器解码芯片解调原理如图2所示。解码器内部产生一个跟随θ的位置估计角度φ，通过乘法器、检波器、积分器的作用，不断调整φ的大小，使其逐渐逼近θ，最终当误差信号接近0时，可以认为sin(θ-φ)=θ-φ=0，即输出角度φ=θ，实现角度的解码。对于转速，其通过误差信号ksin(θ-φ)进行积分及补偿可得转速解码。

图2 解码芯片的解调原理

2.2 AD2S1210数字转换器角度转速精度转换

为简化分析，假设旋转变压器零位置与电机定子A相绕组轴向位置一致，以旋转变压器为多对极，电机极对数为旋转变压器极对数的X倍时，对解码芯片输出的二进制数据与电机绝对位置和转速进行说明，如表1所示。

表1 角度、速度A/D转换关系

2.3 旋转变压器解码电路

旋转变压器解码芯片AD2S1210输出的转速、角度和故障数据经并口送入FPGA进行处理，FPGA存储的转速或角度数据通过串行光纤传输到主控制器，光电转换得到相应的串行数字信号，用于电机的控制。解码电路方案示意图如图3所示。

图3 旋转变压器解码电路采用方案

2.3.1AD2S1210励磁输出到旋转变压器调理电路

AD2S1210励磁输出到旋转变压器励磁绕组间的调理电路如图4所示，其中包括一个推挽输出级，它能够向旋转变压器提供所需的电源。

图4 AD2S1210励磁输出到旋转变压器调理电路

2.3.2 旋转变压器输出到AD2S1210调理电路

考虑到旋转变压器输出正余旋绕组到解码芯片AD2S1210的信号可能存在噪声，先对其进行差模共模滤波，即旋转变压器的输出信号S1和S3，S2和S4经滤波电路后直接进入AD2S1210的SIN，SINLO，COS，COSLO4个管脚，如图5所示。

图5 旋转变压器输出到AD2S1210调理电路

2.4 旋转变压器解码程序说明

对于旋转变压器返回的信号，送入基于芯片AD2S1210的旋转变压器解码板，可获得转速和角度数据。解码板转速和角度数据的读写程序基于Verilog语言编写，程序流程如图6所示。其步骤如下：程序先初始化；上电控制和复位；进入配置模式；配置完成后，退出配置模式进入普通模式循环，读取角度、转速和故障信息。上电控制和复位采用的时序如图7所示。

图6 程序流程

图7 上电控制和复位时序

3 实验结果

测试平台如图8所示，通过QuarterII9.1软件SignalTapII查看旋转变压器(5对极)解码板读取的电机角度和转速数据(其用二进制表示，角度数据为16bit，转速数据为15bit)，来测试AD2S1210旋转变压器解码板获取的角度和转速数据的准确性。其中三相异步电机(2对极，额定转速1 500r/min)转子通过弹性连接旋转变压器转子，由LG变频器调速器进行拖动，整个测试平台接地。

图8 旋转变压器测试平台

下述基于SignalTapII获取的数据曲线，其中横坐标为采样点数，采样时间间隔为25μs/点，纵坐标为转速或角度数据(为便于直观，已将二进制数据转换为十进制)。

3.1 电机静止时，转子不同位置下测试结果

电机静止处于不同位置时，通过解码板获取的转速数据波动范围为0～1，表明了电机静态时旋转变压器解码板测量转速精度高，静态下转速波动范围为25r/s×60/2N-1=0.046r/min；通过解码板获取的角度数据波动范围为1，电机静态下角度精度为2/5×1LSB=0.4×60′×360/65 536=0.082 5′。

(a) 位置1

(b)位置2

(a) 位置1

(b)位置2

3.2 电机低速运行时测试结果

如图11所示，电机转速为150r/min时，通过SignalTapII捕获的转速数据范围为2 985～3 465，由数据转换公式：转速=输出数值×25r/s×60/2N-1，其对应的转速为136.6～158.6r/min。

(a) 转速数据

(b)角度数据

由于难以直观看出角度数据的波动大小，因此在一个电气角度内数据采用一次线性函数拟合结果与图11角度数据相减，如图12所示，从而便于观察通过解码板获取的角度数据的非线性程度。

图12 电机转速为150 r/min下的角度数据波动

当电机转速为150r/min时，通过SignalTapII捕获的角度数据波动达±270，对应电气角度偏差范围为±270×360°/65 536≈±1.8°。

3.3 电机高速运行测试结果

从图12可知，在电机转速较低时，通过解码板获取的电机转速波动偏大，难以满足控制要求。为此，在不同转速下，采用式(2)通过解码板获取的电机角度数据来求解电机转速。

(2)

式中：n为一个电气角周期转速平均值；p为旋转变压器极对数；TS为采样时间；N为解码芯片分辨率；Δθ为单位时间的角度数据变化量。可以看出，增加旋转变压器极对数和分辨率可增加转速精度。

(a) 角度数据

(b)单位时间内角度数据变化量

图14 基于角度变化量计算的转速均值

从图14中可知，电机转速为1 050r/min时，转速均值波动约2r/min，且转速均值变化有一定的规律，基本上是5个完整的电气角后转速均值开始重复，结合采用的旋转变压器为5对极，故测量结果可能与旋转变压器本身精度或安装精度有关。此外，随着电机转速的升高，转速波动降低，表明电机在高速下运行或控制性能优于低速运行或控制性能。

3.4 旋转变压器励磁输入/正弦余弦波形

在上述基础上，给出电机运行时示波器保存的旋变变压器输入输出相关波形。图15为旋转变压器解励磁输入波形，即通过解码板AD2S1201芯片生成并经过放大电路输入给旋转变压器的波形。图16、图17为旋转变压器余弦和正弦输出波形。

图15 旋转变压器励磁输入波形

图16 电机运行时旋转变压器输出的余弦波形

图17 电机运行时旋转变压器输出的正弦波形

4 结 语

通过以上分析和试验，验证了电机静止下的旋转变压器解码板及解码芯片的高精度性能，电机角度数据存在一定的线性误差，和电机转速成反比关系，且转速均值波动规律与旋转变压器极对数和安装精度相关。因此，实际应用中，需结合旋转变压器安装情况，通过调整电机对中或利用电机惰转获取位置补偿数据来修正采集的位置信息，能改善利用解码板来获取电机转速和位置的精度，最终满足高精度位置检测性能要求。