开题报告-基于单片机的旋转变压器解码器设计

毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：专 业：设计/论文题 目：基于单片机的旋转变压器解码器设计指 导 教 师: 2015 年 4 月 2 日 毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：1.1 旋转变压器的发展旋转变压器用于运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用。早期的旋转变压器用于计算解答装置中，作为模拟计算机中的主要组成部分之一。其输出，是随转子转角作某种函数变化的电气信号，通常是正弦、余弦、线性等。这些函数是最常见的，也是容易实现的。在对绕组做专门设计时，也可产生某些特殊函数的电气输出。但这样的函数只用于特殊的场合，不是通用的1。60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生和检测元件。三线的三相的自整角机，早于四线的两相旋转变压器应用于系统中。所以作为角度信号传输的旋转变压器，有时被称作四线自整角机2。随着电子技术和数字计算技术的发展，数字式计算机早已代替了模拟式计算机。所以实际上，旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度，所以旋转变压器应用的更广泛。特别是，在高精度的双通道、双速系统中，广泛应用的多极电气元件，原来采用的是多极自整角机，现在基本上都是采用多极旋转变压器中3。作为角度位置传感元件，常用的有这样几种：光学编码器、磁性编码器和旋转变压器。由于制作和精度的缘故，磁性编码器没有其他两种普及。光学编码器的输出信号是脉冲，由于是天然的数字量，数据处理比较方便，因而得到了很好的应用4。早期的旋转变压器，由于信号处理电路比较复杂，价格比较贵的原因，应用受到了限制。因为旋转变压器具有无可比拟的可靠性，以及具有足够高的精度，在许多场合有着不可代替的地位，特别是在军事以及航天、航空、航海等方面5。随着电子工业的发展，电子元器件集成化程度的提高，元器件的价格大大下降；另外，信号处理技术的进步，旋转变压器的信号处理电路变得简单、可靠，价格也大大下降。而且，又出现了软件解码的信号处理，使得信号处理问题变得更加灵活、方便。这样，旋转变压器的应用得到了更大的发展，其优点得到了更大的体现6。和光学编码器相比，旋转变压器有这样几点明显的优点：无可比拟的可靠性，非常好的抗恶劣环境条件的能力；可以运行在更高的转速下。（在输出12 bit的信号下，允许电动机的转速可达60,000rpm。而光学编码器，由于光电器件的频响一般在200kHz以下，在12 bit时，速度只能达到3,000rpm）；方便的绝对值信号数据输出7。1.2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用，近期发展很快。除了传统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外，在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。特别应该提出的是，这些年来，随着工业自动化水平的提高，随着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用，越来越广泛8。永磁交流电动机的位置传感器，原来是以光学编码器居多，但这些年来，却迅速地被旋转变压器代替。可以举几个明显的例子，在家电中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都是向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动机9。目前各国都在非常重视的电动汽车中，电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。例如，驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里，所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上，也是用旋转变压器作为位置速度传感器10。 伺服系统也称为随动系统，是用来精确地跟随或复现某 个过程的反馈控制系统。现代交流伺服系统一般由交流电 机作为执行机构、数字信号处理器( DSP) 作为控制核心，因 其优异的性能已广泛应用于工业及军事等众多领域11。 伺服系统中，控制器需要根据给定的位置信号与系统反 馈的实际位置信号之差来对系统参数进行调节;同时永磁同 步电机作为伺服执行机构，其控制策略通常采用磁场定向的 矢量控制算法，也需要检测电机转子的位置以进行坐标变 换。因此，满足一定精度及速度要求的伺服位置检测系统必 不可少12。 位置检测依赖于位置传感器。常用位置检测传感器有 光电编码器和旋转变压器等。光电编码器虽然测量精度高，但是起动时需要进行转轴定位，抗震性差，难以适应恶劣工况;而旋转变压器具有抗震性好、工作可靠、寿命长、对机械 和电气噪声不敏感，耐腐蚀、耐高温和易实现高速位置检测等优点，非常适合需要快速响应和抗冲要求高的调速系统。 因此，广泛应用在航空、航天、雷达、坦克火控等军事装备，也可用于数控机床和机器人等民用伺服控制系统。但是，旋转变压器的输出为两路包含绝对位置信息的高频调制模 拟信号，无法被数字信号处理器直接使用; 故必须对其进行 解码以得到电机转子绝对位置数字信号，才可输入到单片机 或 DSP 等控制器中13。应用旋转变压器的伺服系统一般使用 闭环分解器 数字转换器( DCs) 或开环模数转换器 ( ADCs) 2 种方式，得到旋转变压器输出端的位置和速度 数据14。 1.3 研究意义在伺服系统中，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15。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16。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：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机、发电机的转角位置，电力驱动转向系统角度以及油 阀控制角度等17。参考文献1 洪流,江升. 新型旋转变压器及解码器总成的原理与应用J. 伺服控制. 2012(06) 2 马中秋. 旋转变压器及典型集成芯片IRDC1730J. 伺服控制. 2009(06)3 汪木兰,徐开芸. 高精度旋转变压器编码器电路的研制J. 制造技术与机床. 2001(11)4 Freistadt Marion , Vaccaro Joseph , Eberle Karen. Biochemical characterization of the fidelity of poliovirus RNA-dependent RNA polymeraseJ. Virology Journal, 2007, 4(1) 5 谢智,马钧华. 基于旋转变压器及TMS320F28035的伺服系统位置检测J. 轻工机械. 2012(04) 6 储海燕,许刚. 基于AD2S1200的旋转变压器解码电路的设计J. 科学技术与工程. 2012(20) 7 Dmitry I. Cherny, Ian C. Eperon, Clive R. Bagshaw. Probing complexes with single fluorophores: factors contributing to dispersion of FRET in DNA/RNA duplexesJ. European Biophysics Journal, 2009, 38(4). 8 吴红星,洪俊杰,李立毅. 基于旋转变压器的电动机转子位置检测研究J. 微电机. 2008(01)9 谢智，马钧华 基于旋转变压器及 TMS320F28035 的伺 服系统位置检测 J 轻工机械，2012( 4) :73 76 10 吴红星，洪俊杰，李立毅 基于旋转变压器的电动机转 子位置检测研究 J 微电机，2008( 1) :1 311 吕娜 基于旋转变压器的电机转子位置检测电路设计 J 电气技术与自动化，2012( 1) :153 15512 Ming Dengming, Wall Michael , Sanbonmatsu Kevin. Domain motions of Argonaute, the catalytic engine of RNA interferenceJ. BMC Bioinformatics, 2007, 8(1). 13 储海燕，许刚 基于 AD2S1200 的旋转变压器解码电路 的设计 J 科学技术与工，2012( 20) :5044 504614 曹江 基于滑模变结构控制的 HEV 电动力系统控制器 研究D 哈尔滨:哈尔滨理工大学，200815 Kaplan Craig. The architecture of RNA polymerase fidelityJ. BMC Biology, 2010, 8(1)16 李华德 交流调速控制系统M 北京: 电子工业出版 社，200317 Edis Dzananovic, Trushar R. Patel, Grzegorz Chojnowski et al. Solution conformation of adenovirus virus associated RNA-I and its interaction with PKRJ. Journal of Structural Biology, 2014, 185(1)毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：2.1 旋转变压器的原理旋转变压器简称旋变，是一种单相激励双相输出的无刷旋转变压器。它包括激磁绕组与输出绕组两部分，其结构如图 1 所示。当激磁绕组加以一定频率的交流电压进行激磁时，输出绕组的输出电压幅值会与转子转角成正余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系，它主要用于坐标变换三角运算和角度数据传输，也可以作为两相移相器用在角度 数字转换装置中。图1 旋转变压器结构工作时，12 作为激磁绕组的原边。D1D2 和 D3D4 为固定在定子上的两相相互垂直的正弦绕组; Z1Z2 和 Z3Z4 为固定在转子上的两相相互垂直的正弦绕组。工作时，D3D4 绕组开路，D1D2 绕组加入激磁电压，通常以 D1D2 和 Z1Z2 的夹角表示输入角。设激磁绕组施加的激磁电压为:U1 = Um sint ( 1)则输出绕组 Z1Z2 和 Z3Z4 输出电压分别为:Us = KUm sintsin ( 2)Uc = KUm sintcos ( 3)式( 2) 、( 3) 中 K 为变压器变比，Um 为正余弦绕组感应交流电势的振幅， 为被测转子旋转的角度值。这样，旋转变压器就将转子上转角 的输入信号转化为输出绕组 Z1Z2 和 Z3Z4两端输出的电信号。求解 的典型方法是上面两式相除。2.2 分离器件搭建的解码系统旋转变压器解码芯片虽然有体积小、结构简单、可靠性高、易于调试和可输出多种信号模式等特点，但是这一类旋转变压器解码成本较高，无法取得广泛的应用，然而由分离器件搭建的解码系统成本低、精度能够满足一般应用场合的要求，所以取得了广泛的应用。由分离器件搭建的旋转变压器解码系统一般都由以 下几个部分组成，如图2 所示。 AD 转换芯片用于将旋转变压器采集的模拟信号转换为数字信号。 微处理器 用于接收AD 芯片转换后的数字信号，并运用解码算法解算转子位置角度。 通信模块(串口或并口)用于控制指令和数据的通信。图 2分离器件搭建的解码系统框图2.3 解码电路设计采用 XMC4500 作为系统主控芯片，设计了两种旋 转变压器的解码电路。一种是使用了业界广泛应用的 AD2S1210 专用解码芯片进行解码 ; 另一种是借助于 XMC4500 芯片内部集成的 DSD 模块和外部转换芯片 ADS1209 配合使用进行解码。图2为两种解码电路框图。利用 AD2S1210 解码 AD2S1210 是最新的旋转变压器数字转换器单片集成 电路，最高能够输出 16 位绝对位置信息，最大跟踪速度 3 125 r/s。相对于前几代的旋变数字转换器芯片，它集成了可 编程的正弦波振荡器，能够为旋转变压器提供正弦波激磁，图2 两种解码电路框图因此不需要搭配外置正弦波励磁芯片。AD2S1210 在保留串 行通讯输出接口的同时，增加了并行通讯输出接口; 速度检 测输出由模拟信号升级到数字信号。以上特点不仅简化了 其外围电路设计，而且功能更加完善，性价比更高。片内 Type 型闭环系统负责位置的检测，能够连续输出位置数 据，还可以抑制参考信号和输入信号的谐波失真。 AD2S1210 的 EXC/EXC端产生两路差分互补的正弦激 磁信号送入旋转变压器的激磁绕组;承载位置信息的两路带 有高频载波的正余弦返回信号送入该芯片的 SIN/SINLO、 COS/COSLO 端，分别经过 AD 采样后送入乘法器。由乘法 器、相敏校验器、数字滤波器、速度积分器和位置积分器组成 的 Type 型闭环反馈系统，计算出转子的位置数据送入主 控芯片 XMC4500。图3 为 AD2S1210 解码相关电路。利用 ADS1209 与片内 DSD 模块解码 ADS1209 是双通道、 16 位 Delta-Sigma 解调器，能够输出 一个比率在0 到1 之间且与输入速度成比例的数据流，提供 给 XMC4500 片内DSD模块进行解