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[经验] 实现电机精确轴测量和控制要点

2019-12-11 16:23:12  746 AD2S1210 电机控制 转换器
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工业电机、伺服器、机器人和车辆传动系统等机械系统的电子监测和控制对于提高效率、可靠性和安全性非常重要。但是,有效控制需要精确确定旋转角度和速度,而电噪声和恶劣环境使之极具挑战性。解决方案在于由精密轴角数字]本文简要讨论了有关实现精确轴测量和控制的问题,以及旋转变压器成为众多应用上佳选择的原因。然后,文章将展示旋转变压器、R/D 转换器(例如来自 analog Devices 的 AD2S1210),以及适当的激励放大器和滤波器电路的组合如何构成稳健的高精度位置和速度测量及控制系统。
旋转变压器结构
旋转变压器是一种机电器件,可将机械运动转换为模拟电子信号。它本质上是一个旋转的变压器,其交流电压输出随轴的角位置而变化。旋转变压器的两个元件是固定定子,及在定子内旋转的单绕组转子。旋转变压器初级绕组位于定子上,次级绕组位于转子上(图]
图]多数旋转变压器电压的规格介于 2 Vrms 与 40 Vrms 之间,频率从 50 赫兹 (Hz) 到 20 千赫兹 (kHz)。初级和次级绕组信号幅度之间的变压比介于 0.2 伏/伏 (V/V) 至 1 V/V 之间。通常,高性能旋转变压器需要高输入电压,高输入电压反过来又需要更高功率的电子器件,来满足高输出范围和更快的压摆率条件。角度精度范围从 5 弧分到 0.5 弧分,其中一度为 60 弧分,一弧分为 60 弧秒。
在图]
两个定子输出信号是经正弦和余弦调制的轴角。下图是激励正弦信号的图形,在]
图]航空电子、汽车以及要求在宽温度范围内具有高稳定性的关键工业应用中,完整的高性能 R/D 电路可以精确测量角位置和速度(图 3)。

<span]图 3:高性能 R/D 电路,带差分输出端子 (EXC:/EXC) 和差分正弦和余弦输入端子(SIN:SINLO、COS:COSLO)。注意,EXC 等于图 5 中的 EXE。(图片来源:Analog Devices)
在图]R/D 电路输出到旋转变压器转子及旋转变压器定子到 R/D 电路 SIN/COS 输入之间设有三阶有源滤波器,尽量减少系统量化噪声的影响。在 10 位模式下,R/D 电路的最大跟踪速率为 3125 转/秒 (RPS),分辨率等于 21 弧分。在 16 位模式下,R/D 电路的最大跟踪速率为 156.25 RPS,分辨率为 19.8 弧秒。
信号链设计考虑因素
Analog]在此电路中,R/D 电路的内部 DAC 生成 3.6 伏峰峰值的 10、12、14 或 16 位正弦激励信号,电压范围 3.2 至 4.0 伏。
在]采用 +5 V 电源供电,双通道 AD8692 低噪声 CMOS 运算放大器的输出范围为 0.29 至 4.6 伏。该放大器周围的电阻器和电容器实现了三个巴特沃斯滤波器极点中的两个。AD8397 高输出电流放大器支持低功耗模式(相比具有可切换增益级和更高供电电压能力的高性能模式),并实现了低通滤波器的第三个极点。在 +6 伏电源供电的情况下,AD8397 的输出范围为 0.18 至 5.87 伏。供电电压为 +12 伏时,输出电压范围为 0.35 至 11.7 伏。
在定子的输出端,Analog]理想情况下,在该系统中,总信号链相移范围等于 n × 180° − 44° ≤ φ ≤ n × 180° + 44°,其中 n 是整数。
R/D 电路细节
信号链设计考虑因素包括幅度和频率,以及稳定性和相移,而旋转变压器转子绕组阻抗模型包含阻性元件和电感元件。
<span]AD2S1210 R/D 电路激励信号范围为 2 kHz 到 20 kHz,增量为 250 Hz。AD8397 施加到转子的激励信号与非理想的电感和电阻分量交互。典型的电阻和电抗分量为 50 欧姆 (Ω) 至 200 Ω,及 0 Ω 至 200 Ω。标准转子激励电压可高达 20 伏峰-峰 (7.1 Vrms),因此必须考虑旋转变压器驱动器的最大电流和最大功耗。为了适应这种接口,AD8397 采用高输出电流(采用 ±12 V 电源时,输入 32 Ω 负载的峰值电流为 310 mA)、宽电源范围 (24 V)、低热阻封装(8 引脚 SOIC EP 封装,θJA = 47.2°C/瓦 (W))和轨至轨输出电压。
旋转变压器激励三阶滤波器和驱动器电路
AD2S1210]
图]如果未经过滤,AD2S1210 EXC 引脚上的图 4 输出噪声将通过旋转变压器传播并反馈至 AD2S1210 SIN、SINLO、COS 和 COSLO 引脚。
此外,必须特别注意激励电路中的增益和信号电平,以使]
图]在图 4 中,AD8692 滤波器电路的直流增益为 -1 V/V。Analog Devices 的 ADG1612BRUZ-REEL 四通道 SPST 开关 S1 闭合,以创建具有高 VCC (≥ +12 V) 的高性能模式条件。在 S1 闭合的情况下,AD8397 激励级的增益约为 2.5 V/V。2.5 V/V 的增益可以由 4.0 伏峰-峰 EXE 输入产生 10 伏峰-峰输出。对于 S1 断开时的低功耗模式,增益等于 1.28 V/V。在这种配置中,4.0 伏峰-峰 EXE 输入产生 5.12 伏峰-峰输出。
AD8692]双通道 AD8692 运算放大器用作三阶有源巴特沃斯滤波器,可降低驱动信号噪声(图 6)。

<span]图 6:在 R/D 转换器输出信号通过激励驱动器和滤波器之后,信号上的噪声明显降低,即可用于 R1 处的旋转变压器输入。(图片来源:Analog Devices)
图]与此类似,SIN(S1 和 S3)和 COS(S2 和 S4)接收器电路使用两个四通道 AD8694 运算放大器作为有源噪声滤波器。AD2S1210 EXC 引脚(CH1 黄色)到 SIN 输入引脚(CH2 蓝色)之间的总相移约为 40°,低于 44° 的最大设计值(图 7)。

<span]图 7:模拟驱动器和滤波器的信号进入旋转变压器输入、旋转变压器以及模拟滤波器而返回到 R/D 转换器,这会导致信号相移。示波器屏幕截图显示了 AD2S1210 EXC 和 SIN 引脚之间的相移。(图片来源:Analog Devices)
系统性能
本文的评估电路使用]
图]在图 8 中,借助两个板之间的 120 针配接连接器,可以进行快速设置和电路性能评估。
EVAL-CN0276-SDPZ]
图]对于系统整体噪声测量,旋转变压器 Tamagawa TS2620N21E11 的固定位置可生成输出码直方图。AD2S1210 的 10 位和 16 位角度精度模式输出码直方图显示了发送 DAC 和接收 ADC 的组合(图 10 和图 11)。在本文中,TS2620N21E11 旋转变压器具有 0° 相移和 0.5 的变压比。旋转变压器的正弦 (SIN) 和余弦 (COS) 输出负载相等,至少为旋转变压器输出阻抗的 20 倍。

<span]图 10:10 位角度精度模式 EXE 发送,16 位 ADC 分辨率 SIN/COS 接收。(图片来源:Analog Devices)

<span]图 11:16 位角度精度模式 EXC 发送,16 位 ADC 分辨率 SIN/COS 接收。(图片来源:Analog Devices)
在图]旋转变压器与 R/D 转换器(如 Analog Devices 的 AD2S1210)组合使用可创建高精度、稳健的位置和速度控制系统,适合潜在恶劣环境中的电机控制应用。
为了获得最佳的整体性能,需要结合使用 AD8694 与 AD8397 来创建缓冲器/滤波器电路,以放大激励信号并为旋转变压器提供适当的驱动,同时过滤并反馈次级信号。借助 AD2S1210 的可变分辨率、基准电压生成和片上诊断功能,R/D 转换器可为旋转变压器应用提供理想的解决方案。

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