永磁同步電動機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是轉(zhuǎn)子位置的檢測，只有檢測出轉(zhuǎn)子實際空間位置（絕對位置）后,控制系統(tǒng)才能決定變頻器的通電方式、控制模式及輸出電流的頻率和相位,以保證永磁同步電動機的正常工作。因此在采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制方式的永磁同步電機控制系統(tǒng)中, 轉(zhuǎn)子位置的精確可靠檢測是實現(xiàn)矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵。 　　 在常用的光柵編碼器、霍爾傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置傳感器中, 旋轉(zhuǎn)變壓器具有耐高溫、耐濕度、抗沖擊性好、抗干擾能力強等突出優(yōu)點，從而可以精確可靠的產(chǎn)生轉(zhuǎn)子絕對位置信息, 因此適用于永磁同步電機數(shù)字控制系統(tǒng), 滿足其應(yīng)用系統(tǒng)高性能、高可靠性的要求。 本文提及的永磁同步電機控制系統(tǒng)使用日本多摩川公司的正余弦轉(zhuǎn)變壓器檢測電機轉(zhuǎn)子的位置, 采用新型的旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ad2s80a將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。分析了ad2s80a的工作原理,設(shè)計了位置信號檢測電路，并給出了與數(shù)字信號處理器tms320lf2407a的spi通訊接口方法及程序示例。 旋轉(zhuǎn)變壓器的基本原理 　　 旋轉(zhuǎn)變壓器（簡稱旋變）是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正、余弦函數(shù)關(guān)系，這種旋轉(zhuǎn)變壓器又稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。 　　 在電機控制系統(tǒng)中，用于測量位置信息的旋轉(zhuǎn)變主要是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。本系統(tǒng)中所采用的是日本多摩川公司的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。這種旋變由轉(zhuǎn)子和定子繞組構(gòu)成，并且兩者相互獨立，一次和二次極線圈都繞在定子上，轉(zhuǎn)子由兩組相差90°線圈組成，采用無刷設(shè)計。圖1是其電氣示意圖。 [align=center] 圖1　旋轉(zhuǎn)變壓器電氣示意圖[/align] 旋變的輸入輸出電壓之間的具體函數(shù)關(guān)系如下所示: 　　 設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度為θ，初級線圈電壓（即勵磁電壓）為: er1-r2＝esin2πft 式中 f——勵磁頻率; e——信號幅度。 那么輸出電壓 es1-s3＝kesin2πftcosθ es2-s4＝kesin2πftsinθ 式中 k——傳輸比; θ——轉(zhuǎn)子偏離原點的角度。 　　 令θ＝ωt,即轉(zhuǎn)子做勻速運動， 那么其輸出信號的函數(shù)曲線可表示為圖2所示。 [align=center] 圖2　旋轉(zhuǎn)變壓器輸入輸出波形[/align] 圖2中，輸出的電壓包絡(luò)信號為為sinωt和cosωt，數(shù)字轉(zhuǎn)換器就是通過檢測這兩組輸出信號獲取旋變位置信息的。 位置檢測轉(zhuǎn)換電路設(shè)計[1-2] ad2s80a 芯片簡介 　　 ad2s80a是ad公司的rdc芯片ad2s80系列的一種，具有精度可調(diào)、可靠性高、狀態(tài)和控制信號數(shù)字化、易與微控制器dsp相連等優(yōu)點，可用于自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器的數(shù)字轉(zhuǎn)換。其封裝形式有40管腳的dip和44管腳的lcc方形兩種。ad2s80a的分辨率有10、12、14、16 bit幾種可選,可由引腳sc1 和sc2 的邏輯狀態(tài)來決定。通過選擇不同的外接電阻和電容,可得到不同的帶寬和跟蹤速率。 ad2s80a轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 　　 由旋轉(zhuǎn)變壓器的原理可知,要使旋轉(zhuǎn)變壓器正常工作,在其轉(zhuǎn)子端必須施加一個正弦激勵。本系統(tǒng)中正弦激磁信號由intersil公司的icl8038芯片產(chǎn)生，根據(jù)永磁同步電動機控制系統(tǒng)的實際情況,激磁信號選取為10 khz的正弦波（即ad2s80a的參考頻率），ad2s80a的分辨率選為16 bit,最大跟蹤速度為16. 25 r/ s,帶寬為600 hz。由這些性能指標,根據(jù)公式可以選出外圍電路元件。關(guān)于計算公式,這里不再敘述。 [align=center] 圖3　ad2s80a外圍電路連接框圖[/align] 圖3示出旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字變換器（rdc）的內(nèi)部原理框圖和外圍電路。根據(jù)reference i/p引腳引入的正弦信號sin和余弦信號cos以及sin引腳輸入的調(diào)制信號,實現(xiàn)絕對角度測量。 　　 由圖3可知,ad2s80a作為一個跟蹤轉(zhuǎn)換器運行,數(shù)碼輸出能以選取的最大跟蹤速率自動跟蹤軸角輸。因為它采用一種比率式跟蹤方法,輸出的數(shù)字角度只與輸入的sin和cos信號比值有關(guān),而與他們的絕對值無關(guān),故ad2s80a對輸入信號的幅值和頻率變化不敏感,也不必使用精確、穩(wěn)定的振蕩器來產(chǎn)生參考信號。轉(zhuǎn)換環(huán)路中相敏檢測器確保了對參考信號中的正交分量有很高的抑制能力。因具有高的噪聲抑制比,可以減少從旋轉(zhuǎn)變壓器到轉(zhuǎn)換器rdc遠距離長線帶來的誤差。16條數(shù)據(jù)線輸出口有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存功能,通過對byte select引腳的控制,可向8 bit或16 bit數(shù)據(jù)總線傳輸。 位置檢測模塊與dsp的spi通訊 　　 在永磁同步電機的控制系統(tǒng)中，為了簡化電路的設(shè)計，提高位置信息讀取速度，轉(zhuǎn)子位置信號采用spi串行通訊模式傳輸?shù)絛sp中，而ads2s80a輸出的數(shù)據(jù)為16位的并行數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)與dsp的spi通訊，需要把ads2s80a輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)。 并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行數(shù)據(jù) 　　 并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)通過74hc165芯片實現(xiàn)。此款芯片同時只能轉(zhuǎn)換8位數(shù)據(jù)，而ad2s80a輸出的數(shù)據(jù)為16位，從而需要將兩片74hc165進行級聯(lián)以實現(xiàn)16位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)輸出。74hc165的數(shù)據(jù)傳輸時序圖如圖4所示。 [align=center] 圖4　7hc165數(shù)據(jù)輸出時序圖[/align] 由圖4可以看出，當clk inh為高電平時，數(shù)據(jù)不能輸出，當clk inh 變?yōu)榈碗娖胶?，在下一個脈沖的上升沿，數(shù)據(jù)才移位輸出。并且，當sh/ld為低平時，并口輸出的數(shù)據(jù)被采集進來，當其變?yōu)楦唠娖胶螅瑪?shù)據(jù)被鎖存。從而可以用一個反相器將clk inh的輸入信號反相后再接入sh/ld，這樣當clk inh 為高電平時，并口輸出的數(shù)據(jù)被采集到片內(nèi)，當clk inh 為低電平后，在下一個脈沖上升沿，數(shù)據(jù)開始移位輸出，而clk inh可以作為spi通訊的片選信號。 spi通訊的實現(xiàn) 　　 dsp與位置信號檢測模塊進行spi通訊時，采用從模式，通訊時鐘由位置檢測模塊提供[3]，本系統(tǒng)中時鐘頻率為1mhz。圖5給出了dsp與位置檢測模塊spi通訊連接示意圖。 [align=center] 圖5　位置檢測模塊與dsp的連接示意圖[/align] 由于dsp的spi通訊模式為從模式，dsp接收數(shù)據(jù)時需要先被選通，本系統(tǒng)中通過一個i/o口，給spitie一個低電平選通dsp，同時，由于clkinh也變?yōu)榈碗娖剑?4hc165開始串行移位輸出采集的并行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完畢，再給spite一個高電平，停止接收數(shù)據(jù)，同時74hc165開始采集ad2s80a輸出的并行數(shù)據(jù)。這樣就實現(xiàn)了dsp與位置檢測模塊的spi通訊。 　　 需要注意的一個問題是，在進行spi通信時，數(shù)據(jù)采集的時序可能不同步，即:dsp接受的數(shù)據(jù)與實際值相比，向右或左平移一位。為了防止數(shù)據(jù)丟失，可以進行如下處理:在選通dsp的片選信號之前，可以先檢測74hc165的脈沖信號，在檢測到此脈沖的下降沿后，延時大約一個脈沖周期后，再選通dsp，在這樣的一個脈沖之后的下一個上升沿，數(shù)據(jù)開始往dsp的spi口傳送，這樣 dsp接收的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生移位現(xiàn)象。 下面給出一個dsp與位置檢測模塊spi通訊的參考程序段: 設(shè)置spi ldp #0e0h;設(shè)置iopc3作為 ;spite or #0808h sacl pcdatdir ldp #0e0h splk #000fh,spiccr splk #00000010b,spictl splk #008fh,spiccr spi通信 spi_wait: ldp #0e1h;檢測脈沖下降沿 lacc pfdatdir and #0000000001000000b bcnd spi_wait，neq rpt #40;延時一個脈沖周期 nop ;根據(jù)不同的脈沖 ;選擇不同的值 lacc pcdatdir;選通dsp and #1111111111110111b sacl pcdatdir ldp #0e0h spi_rdy: bit spists,bit6 bcnd spi_rdy,ntc ldp #pcdatdir>>7 lacc pcdatdir or #0000000000001000b sacl pcdatdir ldp #0e0h lacc spirxbuf;輸出位置信號 ldp #6 sacl positon 結(jié)語 　　 本文介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理，并對高精度旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器芯片ad280a、 外圍電路設(shè)計進行了詳細的介紹，并詳細介紹了ad2s80a輸出的并口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串口數(shù)據(jù)及其與高速數(shù)字信號處理器tms320lf2407a進行的spi通訊。這種位置信號檢測電路用到永磁同步電動機控制系統(tǒng)中,構(gòu)成了一種高精度、高可靠性的位置檢測單元。實際運行結(jié)果表明:該方法精度高、所用器件體積小、抗干擾能力強、有較高的可靠性,特別適用于惡劣環(huán)境的位置檢測系統(tǒng)中,具有很高的應(yīng)用價值。