第2 期
火炮发射与控制学报
JOU RNAL OF GUN LAUNCH & CON T ROL ·17 ·永磁同步电机旋变测角技术应用
陈阳, 张光辉, 刘兴松, 史国清
(西北机电工程研究所, 陕西咸阳712099)
摘要: 在数字伺服控制系统中, 针对系统需要实时检测输出的角度位置信息的特点, 利用旋转变压器 和AD2S83 设计了旋变测角系统。在分析旋转变压器和AD2S83 的工作原理的基础上, 设计了系统的硬件电
路, 实现了把角度位置信息的模拟信号转化为系统所需的数字信号。实际调试表明, 该旋变测角系统工作性 能稳定, 满足系统精度要求。
关键词: 电子技术; 永磁同步电机; 旋转变压器; 测角系统
中图分类号: TJ 303 + 18 文献标志码: A 文章编号: 167326524 (2009) 022*******
Technical Application of Rotating Transf ormer Angle Measuring System
in Permanent Magnet Synchronous Motor
C H EN Yang , ZHAN G Guang2hui , L IU Xing2song , S HI Guo2qing
(North west Institute of Mechanical & Electrical Engineering , Xianyang 712099 , Shaanxi , China)
Abstract : In digital servo s ystem , aimed at t he characteristics of t he s ystem , t he po s ition information of rotating angle need to be measured in real time. The rotating t rans former angle measuring system was de2 signed by use of t he rotating t rans former and t he AD2S83. Based on working p rinciple analys is of t he ro2 tating t ransformer and t he AD2S83 , hardware circuit of t he s ystem was designed. The t ransformation f rom analog signal of t he rotating angle pos ition information into digital signal required by t he s ystem was realized. Act ual measuring result s showed t hat t he operational characteristics of t he rotating t ransformer angle measuring system are stable , and t h e system can meet t h e requirement s of p recision.
Key words : elect ronic technique ; permanent magnet s ynchronous motor ; rotating t rans former ; angle measuring s ystem
随着功率电子技术与计算机控制技术的发展, 由永磁同步电机组成的伺服系统已广泛应用于柔性制造系统、办公自动化、数控机床和火炮伺服系统等领域。永磁同步电机变频调速从控制方式上分为他控式和自控式两种，在控制精度要求高的情况下，多选用自控式变频调速方式。永磁同步电机采用频率自控式运行方式时，关键问题之一是对转子位置的检测和初始定位。转子当前位置直接决定着系统的控制方式、变频器的开关方式及输出频率[ 1 ] 。对于高性能的正弦波永磁同步电机矢量控制系统，坐标变换中的转子位置角是否能准确、实时地检测，直接影响到整个系统的性能。转子位置的检测通常采用直接法，即将转子位置检测器安装在永磁同步电机的转轴上，一般采用分辨率较高的光电式码盘、旋转变压器等测角元件[ 2 ] 。
1 系统的工作原理
近年来，伺服系统逐渐向数字化方向发展，永磁同步电机控制驱动器一般采用DSP全数字控制方案，因而就需要一定的接口电路，将旋转变压器输出的模拟信号转换为DSP 所需的数字量信
收稿日期: 2008205212 ; 修回日期: 2008212220
作者简介: 陈阳(1979 - ) , 男, 硕士, 主要从事自动控制技术研究。E2mail : cyang 854 @sohu1 c om
·18 ·火炮发射与控制学报2009 年6 月
号[ 324 ] 。本系统由DSP 、AD2S83 、旋转变压器等组
成，其组成框图如图1 所示。
1. 1 旋转变压器工作原理
旋转变压器是基于电磁感应原理而工作的，它
主要用于角度位置伺服控制系统，作为角度的检测
元件，其定子、转子上都有绕组，彼此同心，互相耦
合，采用正交的两组绕组。本文采用的是正余弦无
刷旋转变压器[ 5 ] ，其工作原理如图2 所示:
旋转变压器的定子和转子各有两组空间上互
成90°的绕组。定子的两组绕组分别为激磁绕组和
交轴绕组, 转子的两组分别为正弦绕组和余弦绕
组。采用单相绕组激磁，当在定子上加上正弦激磁
电压u = V m sin ωt 后，正弦绕组和余弦绕组分别感
应出交流电势[ 627 ] 为:
V A = V m cosθs inωt
V B = V m sin θsin ωt (1)
式中: V m 是零位处最大电压幅值;θ是转子转过的
角度;ω是激磁电压的频率。
可见，当u 一定时, 输出电势只与转角θ的正、
余弦成比例, 通过对此输出信号的处理即可得出转子
转角θ。
1. 2 AD2S83 转换原理
AD2 S83 是A D 公司推出的以BIMOS Ⅱ工艺
制造的，将CMOS 逻辑电路与高精度双极线性电路
结合的单片集成电路，它功耗低(300 mW) ，其数字
输出分辨率可被用户设置成10 、12、14或16 位，并
具有速度输出信号可供用户作为速度回路的速度
反馈信号使用，以取代测速发电机等测速元件，从
而缩小了系统的体积。
如图3 所示, A D2S83 数字输出能以选取最大
跟踪速率自动跟踪轴角输入没有静态误差。由于
它在把旋变信号转换为二进制时采用比率式跟踪,
因此输出的数字角仅与sin 和cos 输入信号的比值有
关，而与它们的绝对值大小无关，因此,AD2S83 对输
入信号的幅值和频率变化不敏感，不使用稳定、精确
的振荡器来产生参考信号，仍能保证精确度。转换环
路中相敏检测器保证了对参考信号中的正交分量有
很高的抑制能力[ 8 ] 。AD2S83 突出的优点是由用户
选择相应的参数来优化整个系统的性能。
第
2 期
陈 阳 ，等 ：永磁同步电机旋变测角技术应用
·19 ·
AD2S83 的作用就是输入式 (1) 所表示的信号 , 然后解算出θ并以数字输出 。其具体过程是先用高 速乘法器将 V A 和 V B 分别与测角系统输出角度φ 的正余弦相乘 , 即 :
V ′A = V m cos θs in φ sin ωt
V ′B = V m sin θcos φ sin ωt
(2)
将 V A ′和 V B ′送入差分放大器相减 ，可得误差函数 :
u e = kV m cos (φ - θ) s in ωt
(3)
将 u e 送入带通滤波器 , 经相敏解调后的误差信 号为 :
压器的性能 。其硬件原理如图 4 所示。
u e = k ′V m cos (φ - θ)
(4)
U e 经过积分环节送入压控振荡器 ( VCO) , 压 控
振荡器产生与输入控制信号幅值成比例的脉冲 序列 ，该脉冲序列被送入可逆计数器进行增或减计 数 。当闭环系统稳定后的输出为零 ，此时可逆计数 器的数字角度就等于旋转变压器当前的实际转角 ,
AD2S83 的输出值即为转子转角。 1. 3 高频滤波器元件 R 1 , R 2 , C 1 , C 2 的选择
高频滤波器的作用是消除直流偏值和减小进
入到 AD2S83 信号的噪声。在消除来自开关电源 和无刷电机的噪声时 ，其作用尤其重要 。元件参数 的选择如下 :
15k Ω ≤ R 1 = R 2 ≤56k Ω
C 1 = C 2 = 1/ (2πR 1 f re f )
其中 : f re f 为参考频率 。当 R 2 = R 3 , C 1 = C 3 时 , R 1 , R 2 可以省略。 由于该高频滤波器对输入到相敏
检测器的信
号有 3 倍的衰减 ，因此 ，它会影响环路的增益 。
1. 4 最大跟踪速率的选择
VCO 的输入电阻 R 6 用来设置变换器的最大
跟踪速率 。若在最大跟踪速率时 ，速度输出为 8V ,
R 6 为 :
3 控制电路的时序
AD2 S83 的 16 位输出口具有三态锁存功能 ，可
利用 ENA BL E 和 IN HIBIT 信号进行锁存与使能 控制 。当 A D2S83 的内部计数器中的数据变化时 , AD2S83 的 BU S Y 信号就会输出一个 T TL 脉冲信 号 ，表明此时转换器正处于跟踪转换状态 ，此时输 出数据无效 。只有当 BU S Y 为低电平时 ，表示转换 结束 ，才能从输出口读取有效数据 。ENABL E 决定 数据的状态 ，当为高电平时 ，输出为高阻态 ，低电平 时才把锁存器的数据转到输出管脚上 。当 IN HIBIT 信号为低电平时 ，禁止输出锁存器的刷新 ，释放 IN 2 HIBIT 信号 ，会自动刷新锁存器并产生一个 BUS Y 信号 。其各个信号的时序及延迟时间如图 5 所示。
R 6 = 61 81 ×1010
T ×2n
其中 : T 不能超过最大跟踪速率或参考信号频 率的 1/ 16 。n 为输出分辨率。
2 硬件电路设计
速度输出与位置检测电路设计的关键[ 8 ]
，就是 要正确地选择 A D2S83 的外围元件 。选择时应注 意要选用最接近理想值的元件 ，并工作在允许的温 度范围内 。选用误差等级为 5 %的元件不会降低变
4 测速原理及软件流程
永磁同步电机一般采用速度和电流双环控制 ,
(下转第 27 页)
第 2 期
何永昌 ，等 ：基于舰体坐标系的瞄准线与火力线稳定模型
·27 ·
稳定功能 。
6 结束语
1) 摇摆感测元件的安装位置受舰体安装条件
限制 ，而安装位置 、稳定对象所采用的伺服机构形
式等因素决定了稳定模型的建立形式 。本文的模 型是针对具有独立瞄准线功能的炮位瞄准具而建 立的 ，瞄准线相对火炮可完全独立运动 。而在一些 炮位瞄准具中 ，瞄准线的方位运动寄生于火炮的方 位运动 。瞄准线的方位运动相对火炮只可作小范 围相对运动 ，此时施加给瞄准线伺服机构的方位位 置稳定补偿量中应减去给火炮方位的稳定补偿量。 2) 用二维空间的运动不可能完全补偿三维空 间的
摇摆 ，只能保证瞄准线和火力线的指向不变 , 补偿不了图像在视窗中的旋转[ 6 ] 。
3) 用此法可同时对瞄准线和火力线进行稳定
补偿 ，方法简单 ，由于舰艇平移摆动对轴线的影响
很小 ，所以此模型对舰艇的平移未做考虑。
参考文献 :
[ 1 ] 郭富强 ，于波 ，汪叔华. 陀螺稳定装置及其应用[ M ] . 西
安 ：西北工业大学出版社 ,1995 :1012119. [ 2 ] 王振收 ，徐非骏. 机载 SAR 稳定平台坐标变换及其软 件实现[J ] . 雷达与对抗 ,2005 (2) :64268.
[ 3 ] 胡云中. 陀螺稳定平台漂移误差参数的辨识方法研究
[J ] . 航天控制 ,2004 ,22 (2) :10212.
[ 4 ] 秦文元. 惯性导航 [ M ] . 北京 : 科学出版社 , 2006 : 2962
297.
[ 5 ] 戴自立 ，谢荣铭 ，虞汉民. 现代舰艇作战系统[ M ] . 北京 :
国防工业出版社 ,1999 :5812582. [ 6 ] 张卫国 ，王斌 ，杨达 ，等. 稳像技术在舰载光电跟踪系统
中的应用[J ] . 现代应用光学 ,2007 (11) :40245.
(上接第 19 页)
速度环控制的主令由外部输入 ，速度反馈由电机所
带位置传感器获得 。程序流程如图 6 所示 。
5 结束语
根据 AD2 S83 的工作原理 ，设计了由 AD2 S83
和旋转变压器构成的测角 、测速电路 。经过调试表 明 ，该测角系统工作性能稳定 ，满足较高的精度要 求。
参考文献 :
[ 1 ] 吴德周. 高性能交流数字伺服系统的设计与实现[ D ] .
南京 ：南京理工大学 ,2001.
[ 2 ] 李年裕 , 吕强 , 李升华 , 等. 旋转变压器2数字转换
器 AD2S83 在伺服系统中的应用[J ] . 电子技术应用 ,2000 (2) :66268.
[ 3 ] 李永东. 交流电机数字控制系统[ M ] . 北京 ：机械工业出
版社 ,2003.
[ 4 ] 扈宏杰 1 DSP 控制系统的设计与实现[ M ]1 北京 ：机械
工业出版社 ,2004. [ 5 ] 陈伯时. 电机拖动自动控制系统[ M ] . 北京 ：机械工业出
版社 ,1987.
[ 6 ] 韩军 ，周理兵 ，马志云 ，等. 基于旋转变压器及 AD2S83 的位置检测单元[J ] . 微特电机 ,2004 (8) :33235. [ 7 ] 李永东 ，交流电机数字控制系统[ M ] . 北京 ：机械工业出
版社 ,2003.
[ 8 ] 陈伯时 ，陆敏逊 。交流调速系统[ M ] . 北京 ：机械工业出
版社 ,2005.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议