旋转变压器信号处理电路的设计与实现

TP212 公开 题（中、英文）目 旋转变压器信号处理电路的设计与实现 Design and Implementation of Signal Processing Circuit on Resolver 作者姓名 储海燕 杜栓义教授 工学 提交论文日期 二零一一年十二月九日 电子与通信工程 代号 分类号 学号 密级 10701 0775960364 指导教师姓名、 职务 学科门类 学科 、 专业西安电子科技大学 学位论文独创性（或创新性）声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 日期: 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 （保密的论文在解密后遵守此规定） 本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 本人签名： 日期: 导师签名： 日期:摘要 旋转变压器是一种高分辨率的角度传感器，是在运动控制中用于测量轴转动 速度和角位置使用的一种元件，具备同类功能的还有光电编码器、感应同步器等 元件。从应用角度考虑，旋转变压器输出的两相正交波形中能够解出转子的绝对 位置和转子的转动速度，使其具有无接触、高精度、寿命长、体积小、结构简单 和成本低等优点。既可应用于其他类型传感器适用的场合，亦可适用于一些特殊 场合，如抗冲击振动，易燃易爆等恶劣环境条件，有取代光电编码器、感应同步 器等各种位置传感器的趋势。 本文设计了一种以STC12c2052AD为核心的数字解码电路系统。它以振荡电 路产生的正弦波电压信号作为旋变的激励信号，加上相关的外围电路，构成了旋 转变压器数字转换器，解算出了旋变的轴角和旋变的转速n：并在此基础上， 分析了产生角度解算误差的各种因素。 本文主要从优化解码方案、简化硬件电路结构、提高转换效率和降低成本造 价四个方面入手，研究内容包括以下几点：就现已完成的 8 段解码方式进一步线 性化处理，降低对微处理器件处理速度的要求；统一电路器件类型，实现全数字 化电路结构，增加解码电路的可靠性和抗干扰能力，采用单一标准电源供电形式。 实验结果表明，本文所设计的旋转变压器解码器的硬件组成和软件实现基本 能够较精确的完成旋转变压器信号解码。 关键字：旋转变压器 单片机 解码器Abstract Resolver is a kind of highresolution angle sensor, which is used to measure the speed and angular position of a rotating shaft in motion control. The photoelectric encoder and the inductive synchronizer are ofsimilar function with it. As its application, we can get the rotor position and rotor absolute turningspeed from twophase orthogonal output waveform of the resolver, which featured as no contacting, high precision, long life, small volume, simple structure and low cost. It can be applied to other sensor occasions, or can be applied to some special occasions, such as impact vibration resistant, inflammable and explosive severe environmental conditions. It will replace various kinds of position sensor such as photoelectric encoder, inductive synchronizer. This paper designs a kind of digital decoding circuit system which is basedon STC12c2052AD.With the sinevoltage signal， which comes from the oscillating circuit, as the excitation signal of rotating transformer, and the peripheral circuit, the system can be formed a resolver to digital converter. It can calculate the rotation shaft angle and the rotation speed n. On this basis, it also can analyze the various factors of angle calculating error. The system is emphasized on optimizing decoding scheme, simplifying the hardware circuit structure, improving conversion efficiency and reducing cost.The research contents are as follows: Further linearizing the existed eight sections decoding algorithm and reducing the requirements to the processing speed ofmicro processing componentsUnifying circuit type, realizing full digital circuit structure, increasing the reliability and antiinterference decoded circuit ability and using a single standard power supply form Using amplifiers based onthe D amplifier circuit to produce SPWM excited signal, reducing the demand ofpower qualityand improving the resolver excited efficiency With the usage of “auto level” MCU chip, it will replace the DSP chip ina complexenvironment which is higher in price. Distributed parts of the processing function, and improving the signal processing speed and conversion efficiency. Experimental results show that hardware structure and software realizationdesigned by the resolver decoder can accurately complete the decoding of resolver signal. Key Words: Resolver MCU Decoder目 录 第一章 绪论.1 1.1 研究的背景和意义.1 1.1.1研究背景.1 1.1.2 研究意义.3 1.2 国内外的研究现状.4 1.2.1国外研究现状.4 1.2.2国内研究现状.5 1.3 研究目的和主要内容.6 1.3.1研究目的.6 1.3.2 主要内容.8 第二章 旋转变压器原理及解码算法.9 2.1 旋转变压器概述.9 2.1.2旋转变压器的发展.10 2.1.3旋转变压器的主要参数.11 2.1.4旋转变压器的主要指标.11 2.2 旋转变压器原理及解码算法.12 2.2.1旋转变压器的原理.12 2.2.2旋转变压器解码算法.13 2.3本章小结.16 第三章 数字解码方案的分析.17 3.1 数字解码电路的发展现状.17 3.1.1专用解码芯片.17 3.1.2分离器件搭建的解码系统.20 3.2 数字解码电路系统的框架描述.21 3.3 数字解码电路系统的硬件设计.22 3.3.1正弦激励信号的产生.22 3.3.2信号调理电路的实现.23 3.3.3同步方波信号的产生.24 3.3.4光电编码器接口电路.25 3.4 数字解码电路系统的软件设计.26 3.4.1数据采集.26 3.4.2 轴角解算.263.5 数字解码电路系统的误差分析与校正.27 3.5.1 误差的分类.27 3.5.2 误差产生原因.27 3.5.3误差分析.29 3.5.4误差校正.29 3.6 本章小结.30 第四章 系统测试及结果分析.31 4.1测试平台的介绍.31 4.1.1系统电源.31 4.1.2 伺服系统.32 4.2实验目的.35 4.3实验步骤.35 4.4实验数据.35 4.5结果分析.38 4.6 本章小结.38 第五章 结论与展望.39 5.1本文总结.39 5.2工作展望.39 致谢.41 参考文献.43 附录 数字解码程序.45第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究的背景和意义 1.1.1研究背景 本课题来源于横向科研合作项目。 交直流伺服系统、工业检测与控制、数控机床、机器人系统等大量的工商业 领域都需要角度测量 12 。例如随着交流伺服传动技术的发展，特别是用于实时 处理的DSP芯片技术的出现，使交流伺服传动系统中大量复杂的函数计算、坐标 变换、参数调节等运算可以在极短的时间内完成，从而可以满足交流伺服传动系 统的实时运算要求，使交流伺服系统逐步走向前台，已取代原已广泛应用的直流 伺服系统。 伺服来自英文单词“Servo” ，指系统跟随外部指令进行人们所期待的运动， 运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的 过程。电气伺服系统按驱动元件分，有步进式伺服系统、直流电机伺服系统、交 流电机伺服系统；按控制方式分，有开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服 系统。通常我们所说的伺服控制系统，是指反馈控制的随动系统，其主要由控制 单元、驱动单元、检测单元、执行单元和被控对象组成。 在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件。在70年代以后，交 流伺服电机的性价比不断提高， 逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。 虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在 90 年代的所谓经济型数 控领域获得广泛运用，但是迅速被交流伺服所取代。进入21世纪，交流伺服系统 越来越成熟，市场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交 流伺服技术已经成为工业自动化的支撑性技术之一。 在交流伺服控制系统中，传感器将系统的输出量反馈给控制器，使之与输入 命令进行比较，控制器根据这些信息，做出决定，发布命令，指示驱动机和执行 电机如何动作。因此，可以看到传感器的作用十分重要，传感器必须能够准确地 测量出反映系统工作的各个物理量，并且迅速地传给控制器。若测量不精确，不 能如实反映系统工作的情况，这将会造成很大的误差；信息传递太慢，系统无法 快速跟随输入命令，将会延迟太大，甚至无法工作。因此，系统中传感器的作用 非常重要，传感器的水平在一定程度上决定了系统的水平，有时甚至成为影响系 统工作的关键。例如：在数控机床中，加工的尺寸精度决定所用的位置传感器的旋转变压器信号处理电路的设计与实现 2 精度。雷达可能达到的位移精度，决定于所用的角度传感器的精度。 可见，伺服系统中的传感器是伺服系统的重要组成部分，影响着系统的加工 水平。 在实际中，为了研究方便，需要对检测装置作简要分类。 （1）按照检测信号的类型来说，可分为模拟式和数字式两大类。模拟式检测是 直接对被检测量进行检测，无须量化处理，在小量程内可以实现高精度检测；数 字式检测的特点是，被检测量量化后，可以转化为脉冲个数，便于处理与显示， 检测精度取决于检测单位，与量程基本无关，检测装置较简单，数字信号抗干扰 能力强。 （2）按照检测位移（或转角）的计算方法分为增量式和绝对式两种。所谓增 量检测方式只检测位移增量，每移动一个位移测量单位就给出一个相应的测量输 出信号，这种方式的优点是装置比较简单，位移中的任何一点都可以是测量的起 点，但也存在一些缺点：在此类传感方式下，移动的距离是靠测量结果的输出信 号计数后而得到的，一旦计数有误，此后的测量结果就将全部错误。另外，在系 统发生故障（如掉电）时，由于没有记忆功能，不能恢复故障前所在的位置。待 故障排除后必须将检测机构移至起点，重新计数才能找到故障前的正确位置。在 大量使用这种检测方式的伺服装置所组成的生产线中，复位是非常麻烦的。绝对 式检测方式克服了增量式的缺点，它的任何一个被检测的位置都以同一个固定的 零点做基准参考点，对应着一个确定的数值。也就是说，输出数值是轴位置的单 值函数， 二者具有一一对应关系，轴位置便能保留和记忆，一旦供电后就可以从 停止前的位置开始正常运行了，其缺点是，把位置绝对信号进行采样处理时，由 于延迟时间的存在，故不能满足高速控制的需要。如果把位置绝对信号进行并行 传输，虽然可以提高工作速度，但引线增多，也不便于实际应用。采用绝对检测 方式，如果分辨率要求越高，其信道就越多，结构也就更加复杂。 （3）按照信号转换的原理分类。在伺服控制系统中的传感器基本上都是采用物 理效应的方式。其中用得最多的是电磁感应原理，例如：自整角机、旋转变压器 以及测速发电机等等。其次还有光电效应、光栅效应、霍尔效应、磁阻效应、压 阻效应、压电效应等等。 （4）按照安装位置及耦合方式可分为直接检测和间接检测。间接检测方式的速 度和位置传感器大都安装在伺服电动机轴的非负载侧，通过检测电动机轴的转角 和角速度来间接反映运动机构的直线位移和移动速度，也就是常说的半闭环控制 方式。间接方式简单可靠，被检测的位移无长度限制，缺点是旋转运动变直线运 动的误差不在闭环内，影响最终位移检测精度，在要求很高时，需要对传动链误 差进行补偿。对于间接检测来讲，检测元件安装在电机轴上，所以传感器是旋转 运动形式的。对于直接检测（全闭环控制方式），其速度和位置传感器是安装在平第一章 绪论 3 移运动机构上，所以速度和位置传感器也相应的具有做直线移动的形式。其检测 精度主要取决于检测传感器的精度，无伺服传动链的影响。但检测装置要与被检 测的行程等长，这对伺服距离是一个很大的限制，而且长距离情况下对传感器的 安装技术要求很高。 （5）按照运动形式可分为旋转式和直线型检测装置，上面所谈到的间接检测方 式，由传感器安装在电机或丝杠的轴端，所以都是采用旋转式检测器，而在直接 检测方式中，都采用直线型传感器。 由上述可知，伺服系统中采用的速度与位置传感器种类很多，特性各异，以 其见长的特性在不同的历史时期，不同的领域，在伺服系统中得到了应用。 1.1.2 研究意义 在伺服系统中 4 ，往往需要实时地检测出电动机转子的位置，包括转子的绝 对位置和增量式位置，同时还需要计算出电动机的转速，以实现对电动机的转速、 转矩及其位置的高精度控制，以获取良好的性能。用来检测电动机转子位置的角 度传感器主要有光电编码器和旋转变压器，其中光电编码器因其数据处理电路简 单，容易实现高分辨率，检测精度高，输出信号平滑，是今天使用最普遍的位置 传感器，但是需要对电机的动态模型进行精确建模，对电机的参数有较大依赖性， 更重要的是它的抗干扰性差，不宜应用在条件恶劣的场合中；相比较而言，旋转 变压器由于结构简单，坚固耐用，抗干扰性强，能够应用在各种条件恶劣的场合 中，从而获得了越来越广泛的应用。具体来讲，同光电编码器相比，旋转变压器 具有以下明显的优点 5 ： 1. 从性能上看，由于旋转变压器内部没有任何电子元件，只有定转子绕组，结构 简单，坚固耐用，具有很高的可靠性，抗干扰性能好。而光电编码器内部集成了 处理电路，有很多电子元器件，其受振动、温度、腐蚀性气体、灰尘及油污的影 响较大，性能不稳定，并且还受到光源寿命的影响，所以总体来讲，它的抗干扰 性能差，可靠性低。 2. 从使用上看，旋转变压器的安装尺寸选择空间较大，尤其是本文总所描述的新 型磁阻式旋转变压器，体积很小，结构紧凑，更适合用于一体化的电机系统中。 从测量精度上来看，虽然光电编码器具有很高的精度，但是在很多场合中， 旋转 变压器的精度已经能够满足应用的要求。所以，对于在条件恶劣的场合中使用的 伺服系统来说，宜采用旋转变压器来检测转子的位置信号。 新能源车可以用于代替由柴油机或汽油机驱动的传统车辆，其最大亮点是节 能环保。当前能够进入市场的新能源车主要有两种方案，即油电混合动力车 （HEV）和纯电动车（EV） ，其中采用电动机作为主要或辅助动力是两种类型共 有的驱动模式。在这类车辆中旋转变压器（亦称为旋转变压器或RDC）和解码装旋转变压器信号处理电路的设计与实现 4 置配合可以用于检测电动