永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，只有檢測(cè)出轉(zhuǎn)子實(shí)際空間位置（絕對(duì)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(dòng)機(jī)的正常工作。因此在采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方式的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中, 轉(zhuǎn)子位置的精確可靠檢測(cè)是實(shí)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(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，從而可以精確可靠的產(chǎn)生轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置信息, 因此適用于永磁同步電機(jī)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(jī)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(cè)電機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。分析了ad2s80a的工作原理,設(shè)計(jì)了位置信號(hào)檢測(cè)電路，并給出了與數(shù)字信號(hào)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(jiǎn)稱旋變）是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號(hào)元件。當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí)，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(jī)控制系統(tǒng)中，用于測(cè)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(dú)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(jì)。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(dòng)角度為θ，初級(jí)線圈電壓（即勵(lì)磁電壓）為: er1-r2＝esin2πft 式中 f——?jiǎng)?lì)磁頻率; e——信號(hào)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(diǎn)的角度。 　　 令θ＝ωt,即轉(zhuǎn)子做勻速運(yùn)動(dòng)， 那么其輸出信號(hào)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(hào)為為sinωt和cosωt，數(shù)字轉(zhuǎn)換器就是通過檢測(cè)這兩組輸出信號(hào)獲取旋變位置信息的。 位置檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)[1-2] ad2s80a 芯片簡(jiǎn)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(hào)數(shù)字化、易與微控制器dsp相連等優(yōu)點(diǎn)，可用于自整角機(jī)、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(jì) 　　 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(gè)正弦激勵(lì)。本系統(tǒng)中正弦激磁信號(hào)由intersil公司的icl8038芯片產(chǎn)生，根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況,激磁信號(hào)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(biāo),根據(jù)公式可以選出外圍電路元件。關(guān)于計(jì)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(hào)sin和余弦信號(hào)cos以及sin引腳輸入的調(diào)制信號(hào),實(shí)現(xiàn)絕對(duì)角度測(cè)量。 　　 由圖3可知,ad2s80a作為一個(gè)跟蹤轉(zhuǎn)換器運(yùn)行,數(shù)碼輸出能以選取的最大跟蹤速率自動(dòng)跟蹤軸角輸。因?yàn)樗捎靡环N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(hào)比值有關(guān),而與他們的絕對(duì)值無關(guān),故ad2s80a對(duì)輸入信號(hào)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(hào)。轉(zhuǎn)換環(huán)路中相敏檢測(cè)器確保了對(duì)參考信號(hào)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(yuǎn)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(duì)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(cè)模塊與dsp的spi通訊 　　 在永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，提高位置信息讀取速度，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)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(shí)現(xiàn)與dsp的spi通訊，需要把a(bǔ)ds2s80a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(shí)現(xiàn)。此款芯片同時(shí)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(jìn)行級(jí)聯(lián)以實(shí)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(shí)序圖如圖4所示。 [align=center] 圖4　7hc165數(shù)據(jù)輸出時(shí)序圖[/align] 由圖4可以看出，當(dāng)clk inh為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)不能輸出，當(dāng)clk inh 變?yōu)榈碗娖胶?，在下一個(gè)脈沖的上升沿，數(shù)據(jù)才移位輸出。并且，當(dāng)sh/ld為低平時(shí)，并口輸出的數(shù)據(jù)被采集進(jìn)來，當(dāng)其變?yōu)楦唠娖胶螅瑪?shù)據(jù)被鎖存。從而可以用一個(gè)反相器將clk inh的輸入信號(hào)反相后再接入sh/ld，這樣當(dāng)clk inh 為高電平時(shí)，并口輸出的數(shù)據(jù)被采集到片內(nèi)，當(dāng)clk inh 為低電平后，在下一個(gè)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(hào)。 spi通訊的實(shí)現(xiàn) 　　 dsp與位置信號(hào)檢測(cè)模塊進(jìn)行spi通訊時(shí)，采用從模式，通訊時(shí)鐘由位置檢測(cè)模塊提供[3]，本系統(tǒng)中時(shí)鐘頻率為1mhz。圖5給出了dsp與位置檢測(cè)模塊spi通訊連接示意圖。 [align=center] 圖5　位置檢測(cè)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(shí)需要先被選通，本系統(tǒng)中通過一個(gè)i/o口，給spitie一個(gè)低電平選通dsp，同時(shí)，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(gè)高電平，停止接收數(shù)據(jù)，同時(shí)74hc165開始采集ad2s80a輸出的并行數(shù)據(jù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了dsp與位置檢測(cè)模塊的spi通訊。 　　 需要注意的一個(gè)問題是，在進(jìn)行spi通信時(shí)，數(shù)據(jù)采集的時(shí)序可能不同步，即:dsp接受的數(shù)據(jù)與實(shí)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(jìn)行如下處理:在選通dsp的片選信號(hào)之前，可以先檢測(cè)74hc165的脈沖信號(hào)，在檢測(cè)到此脈沖的下降沿后，延時(shí)大約一個(gè)脈沖周期后，再選通dsp，在這樣的一個(gè)脈沖之后的下一個(gè)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(huì)發(fā)生移位現(xiàn)象。 下面給出一個(gè)dsp與位置檢測(cè)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(cè)脈沖下降沿 lacc pfdatdir and #0000000001000000b bcnd spi_wait，neq rpt #40;延時(shí)一個(gè)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(hào) 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(duì)高精度旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器芯片ad280a、 外圍電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并詳細(xì)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(hào)處理器tms320lf2407a進(jìn)行的spi通訊。這種位置信號(hào)檢測(cè)電路用到永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中,構(gòu)成了一種高精度、高可靠性的位置檢測(cè)單元。實(shí)際運(yùn)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(qiáng)、有較高的可靠性,特別適用于惡劣環(huán)境的位置檢測(cè)系統(tǒng)中,具有很高的應(yīng)用價(jià)值。