基于AU6802N1的旋转变压器信号接口电路的设计和应用

基于AU6802N1的旋转变压器信号接口电路的设计和应用

北京交通大学电气工程学院 李耀海 胡广艳 郝瑞祥 叶斌

引言

旋转变压器是一种模拟型机电元件，为了满足交流传动系统数字化控制的要求，就需要一定的信号接口电路，以实现其模拟信号与控制系统数字信号之间的相互转化，这类接口电路是一类特殊的ADC，也就是所谓的旋转变压器/数字转换器（RDC）。

日本多摩川公司生产的R/D转换芯片AU6802N1可以方便地将旋转变压器的轴角位移信号（模拟信号）转换为控制系统所需要的数字信号，并具有多种标准信号输出模式，且使用简单、成本低、可靠性高。本文介绍了AU6802N1的功能特性、位置检测信号的输出模式，并利用AU6802N1设计了旋转变压器位置信号测量的外围接口电路，将其应用于越野电动车交流传动控制系统中，实现了对50kW 4对极交流异步电机转子位置信号的测量。

AU6802N1简介

AU6802N1的内部功能如图1所示。

提供给旋转变压器的励磁信号由芯片内部产生并通过RSO口输出，其频率可以设置为10/20kHz。

由旋转变压器输出的转速正弦信号和余弦信号分别通过S2－S4，S1－S3口输入，再经10位乘法器与反馈转速的数字跟踪量相乘，产生的信号再通过比较器和相位补偿及同步校正处理后，得到所需转速的数字量。

转速输出模式可通过外部引脚FSEL1和FSEL2设置，转速的数字量以脉冲形式、并行输出形式、并行总线形式、SPI形式来传递给数字信号处理器。
该芯片内部还具有故障自检，信号线断路检测及相位同步检测等功能。
AU6802N1采用TQFP－52封装，大小仅为10.0×10.0×1.0mm3，工作温度范围为-40～125℃。

输出信号模式

AU6802N1有三种输出信号模式：脉冲接口模式、并行I/O接口模式和并行总线接口模式，这三种信号输出模式可以通过其芯片引脚OUTMD、CSB、RDB、INTB的电平设置来设定。

另外，可编程SPI口也为其与DSP之间传输电机转子的位置信号提供了理想的接口。在上述三种模式下均可正常工作而不需要任何设置。该芯片所提供的多信号输出模式为用户的信号接口电路设计提供了更多的选择，可以实现不同的用途。

典型电路设计

为了给旋转变压器的励磁绕组提供满足要求的高品质正弦波励磁信号，同时使所接收到的旋转变压器正/余弦信号能够满足芯片对输入信号幅值与相位的要求，需要加入额外的信号处理电路。AU6802N1和旋转变压器接口的典型电路设计如图2所示。

双电源式励磁电压Booster放大电路参数设计

提供给旋转变压器的交流励磁电压由RSO－COM口输出，频率由引脚FSEL1和FSEL2设置，在图2的电路中，励磁电压信号的频率设置为10KHz。励磁电压的有效值通过双电源Booster放大电路进行调节。该励磁电压信号又反馈回R1E－R2E端口，用于实现内部相位同步检测和断相检测。电路关键参数计算如下：

1）根据旋转变压器参数的输入阻抗ZRO、励磁电压VREF，计算出励磁电流IREF：
2）根据励磁电流IREF及推荐的电路参数Ri、Rf、Cf的范围来计算旋转变压器在获得所需励磁电流时的电阻RIEXT：

RIEXT＝（VRSO×Rf）/（IREF×Ri）
取RIEXT≤（ZRO/10）[Ω] 式中，VRSO为RSO端口的输出电压（2VP－P），取Rf≥50kΩ，Ci×Ri≥5×10－4[s]，Cf×Rf≤5×10－6[s]
返回至R1E－R2E口的励磁电压信号不能超过VCC（芯片电源电压），所以，根据励磁电压Booster放大电路的电压+VEXT来设置电阻参数RR1和RR2，如表1所示。

旋转变压器正/余弦信号

输入电路参数设计

旋转变压器正弦信号和余弦信号分别通过S3－S1和S4－S2口输入，为使信号电平保持在近似于2－3VP－P，需要设置输入增益。R11、R12、CN、CC组成的低通滤波器可以消除直流偏移并减少输入信号噪声值。这部分电路的关键参数计算如下：

1）输入增益G设置：
G＝70kΩ/（RI＋20kΩ）
其中RI＝RI1＋RI2，电阻值的误差一般为1％，而12位分辨率时的误差应当为0.25％。
2）滤波器时间常数T的设置：
一般取CC＝1000pF，T＝2×RI1×CN[s]
3）直流偏移电阻的设置：
直流偏移可用于检测旋转变压器输出信号线（S1－S4）的断路故障，但是会产生R/D转换的误差。因此，RBH和RBL要在远远小于旋转变压器输出电阻ZSS的情况下尽可能取值。若直流偏移未设置（例如没有设置RBH和RBL），则不会产生信号断路信号。

应用

越野电动车交流传动系统试验框图如图3所示。由于现场工况条件非常恶劣，选取的速度传感器需要具备较强的抗冲击/震动能力和抗温/湿度变化能力，光电编码器已无法满足要求，而采用旋转变压器的方案可以取得良好的控制效果。

旋转变压器可以安装在原来安装在光电编码器的位置上，所以对电机的外形尺寸无影响。本文采用图2所示的接口电路对旋转信号进行转换，实现对50kW4对极交流异步电动机转速的测量。信号接口电路板既可以与控制电路板设计在一起，也可以单独做板安装于电机内部。

该试验系统中控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A，处理速度为40MIPS，指令周期为25ns，其片上接口资源丰富，控制功能强大，非常适合电机控制应用。本文利用LF2407A内部的QEP（正交编码脉冲电路）来接收AU6802N1产生的轴位置角度。将两次相邻的轴位置角度相减，再乘以极对数后即可计算控制所需的角度，从而将高转速信号直接应用于电机闭环控制策略，例如适量控制算法中。

结语

试验证明本文所设计的电路输出的位置信号波形品质好，毛刺少，抗干扰能力强。

基于AU6802N1所设计的旋转变压器信号接口电路简单可靠，信号输出模式灵活，与数字信号处理器之间接口方便。

芯片AU6802N1尺寸小，性价比高，在高可靠性和高要求的交流电机控制系统，具有较高的应用价值。

  

参考文献:

[1]. TQFP datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TQFP_1528902.html.
[2]. COM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/COM_1118194.html.
[3]. TMS320LF2407A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320LF2407A_309789.html.