旋转变压器信号处理的分析与研究

旋转变压器信号处理的分析与研究

【摘 要】在现代工业控制中，人们对运动对象的精度和速度要求越来越高，伺服控制系统因其稳定性好、精度高、动态响应快、抗干扰能力强等特点，应用越来越广泛。旋转变压器具有结构坚固、维护方便、抗扰能力强、使用可靠等诸多优点，它能测量出旋转机构的绝对位置信息，在伺服控制系统中得到了广泛的应用。本文介绍了旋转变压器的工作原理，针对它的信号处理问题，首先设计了基于专用芯片的旋转变压器信号处理方法，给出了硬件电路设计和软件设计，实际测试了伺服控制系统中的电机转子的速度和绝对位置，对测试结果进行了分析。

【关键词】伺服控制系统；旋转变压器；信号处理；绝对位置；观测器

1.伺服控制系统介绍

伺服控制系统是输出量能精确地跟随或者复现输入变量的一类自动控制系统。在现代工业控制中，大多数工业设备都需要实现高精度、稳定地控制。一般情况下，伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。对伺服系统，应具有稳定性好、精度高、动态响应快、抗干扰能力强等基本的要求。而要满足上述最基本的要求，伺服系统最基本的特征应该有：系统中有高精度的传感器，能准确地给出输出量和状态的电信号；功率驱动器及控制系统都必须是可逆的；有足够大的调速范围及足够强的低速带载能力；快速的响应能力和较强的抗干扰能力。

2.旋转变压器的工作原理

旋转变压器是一种能够转动的变压器。早期的旋转变压器（下文中出现的“旋变”是“旋转变压器”的简称）主要用于计算机解答装置，是构成模拟计算机的主要组成部分。旋转变压器的输出根据转子的转角，输出特定函数变化的电气信号，如正弦、余弦、线性信号等，对变压器的次级绕组进行特殊设计，也可以产生特殊函数的电气信号。

旋转变压器的励磁绕组由单相电源供电，电压为

励磁绕组S1～S2通入励磁电流后产生脉振磁场，在次级的输出绕组中产生感生电动势。当旋变的转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化，在结构上次级输出的两相绕组在空间上成正交的90°电角度，故两相输出电压为：

其中，U1m—励磁电压的幅值，ω—励磁电压的角频率，U2s—正弦相的输出电压，U2c—余弦相的输出电压，U2m—次级输出电压的幅值；θ—旋变转子的转角。

由以上三式可以看出，输入的励磁信号和输出信号具有同频率的电压，两相输出电压的幅值随转子的转角变化，分别按正弦和余弦函数的规律变化。

3 基于AD2S1205的旋转变压器信号处理的电路设计

本电路分为电源稳压模块、控制器模块、RDC信号产生与采集模块、电平转换模块和接口电路模块共五个模块。电源稳压模块需要将外部提供的+24V电压分别稳压到+12V、+5V、+3.3V为系统上的器件供电；控制器模块通过对专用芯片RDC多种信号的检测使其工作在相应的状态，同时按要求读取转子角度和速度数据，经过处理后使用模拟的SSI接口和后端通信；RDC模块产生的激励信号经放大处理后供给旋转变压器，同时旋转变压器输出的SIN/COS信号经过简单的处理后输入RDC进行解码处理；电平转换模块将输出的信号转换成差分信号在板间传输。

4.基于AD2S1205的旋转变压器信号处理的软件设计

软件部分主要有四部分的任务：完成对RDC芯片的初始化操作，包括激励信号频率的设置、通讯方式的设置；完成对RDC转换数据的读取，主要是根据时序的要求编写读写子程序；完成对系统异常状态的检测和处理，通过读取引脚的状态，感知是否有信号降级、信号丢失等异常情况发生；完成SSI协议的数据传输。读取转换出的速度和位置数据需要按照一定的时序来完成。

5.基于AD2S1205的旋转变压器信号处理的测试结果

用于测试的旋转变压器采用的是多摩川的TS2620N21E11。用于测试的电动机是Nidec的无刷电机27H220C081。其工作电压DC24V，只要给一路PWM信号及电机使能信号即可工作，自带有20脉冲/转的速度信号输出，可以与通过旋转变压器得到的速度信号进行比较。无负荷最高转速可达4700rpm，满足初步测试的要求。用于测试的观察使用了万用表观察各个点的工作电压及其他方便测量的量，保证电路工作在正常的情况下；使用示波器观察电路工作的波形，观察输入旋转变压器的信号和旋转变压器输出的信号；使用PC上位机读取系统输出的数据，上位机使用LabVIEW编写。

当电动机以约200rpm的速度转动的时候，通过示波器观察到的旋变激励信号与SIN/COS返回信号。旋转变压器的输出出现呈正弦余弦变化的包络，与实际情况一致。在其他转速时，有相似的特性。

我们对由旋转变压器经专用芯片RDC测得的速度和电动机自带的测速装置所测得的速度进行了比较，在低速运行时，速度基本一致，但在高速运行时，误差可达4rpm。电动机自带的速度脉冲输出的值通过示波器读出，旋变所得速度值通过上位机读出。分析差值产生的可能原因：1）、电动机自带的测速装置产生的速度脉冲不能非常准确地跟踪实际速度；2）、得到速度值的方法存在问题，读取不同步；3）、旋变解码电路的精度不够致使出现测量值的误差；4）、数据经旋变解码芯片传给MCU后，实际的折算比例和理论值有一定的差距。

6.全文总结

旋转变压器因其诸多的优势，在伺服控制系统中得到了大量的应用，现在对旋转变压器信号处理的研究主要集中在信号的解调方法上。目前硬件解调方案比较成熟，但专用的解调芯片价格也比较高昂，影响了它的使用，自从高性能的处理器芯片可以支持旋转变压器的信号解调以来，广大专业人士进行了大量的研究，以找到合适的软件解调方法，以提高解调得到角度的精度。

本文对旋转变压器信号处理的基于专用芯片的方案和基于通用芯片的方案均进行了介绍。由于时间的限制，本文只对基于专用芯片AD2S1205的硬件解调方案进行了具体实现。对AD2S1205的工作原理进行了深入的了解，基本掌握了旋转变压器信号解调的大致流程，为继续探讨基于通用芯片的处理方案奠定了基础。

参考文献：

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黄自鑫（1988-），男，研究生在读，就读于武汉纺织大学。