角位置檢測系統(tǒng)及其在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的設計與應用

1 引 言

基于電磁感應原理的旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver），有時又稱為解算器，是一種精密控制電機，在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，完成軸角位移信息的檢測功能。由于它是模擬機電元件，所以，當其用于數(shù)字系統(tǒng)中，就需要一定的接口電路，即旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字變換器（RDC），以實現(xiàn)模擬量信號到控制系統(tǒng)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。由旋轉(zhuǎn)變壓器和AD2S83就可以構成高精度的電動助力角位置檢測系統(tǒng)，而且AD2S83輸出的模擬速度信號還可以作為速度反饋信號以構成電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的速度回路。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器（resolver）是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種測量角度用的小型交流電動機，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，勵磁頻率通常用400、3000及5000HZ等。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應電壓。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對位置的改變，因而其輸出電壓的大小隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關系，或保持某一比例關系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關系。若旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁電壓為E=Esinwt，則正交的A、B兩相繞組中感應的電動勢為：

旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結構形式。兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極，四極繞組則各有兩對磁極，主要用于高精度的檢測系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)。

3 AD2S83簡介

AD2S83是美國ADI公司推出的以BiMOS II工藝制造的，將先進的CMOS邏輯電路與高精度雙極線性電路相結合的單片集成電路。它功耗低（300mW），其數(shù)字輸出分辨率可被用戶設置成10，12，14或16位，并具有速度輸出信號可供用戶作為速度回路的速度反饋信號使用，以取代測速發(fā)電機等測速元件，從而縮小了系統(tǒng)的體積。 AD2S83按圖1連接后，就構成一個工作于II型伺服環(huán)的跟蹤式RDC，其數(shù)字輸出能以選取的最大跟蹤速率自動跟蹤軸角輸入，沒有靜態(tài)誤差。由于它在把旋轉(zhuǎn)變壓器信號轉(zhuǎn)換為二進制時，采用比率式跟蹤方法，輸出的數(shù)字角僅與SIN和COS輸人信號的比值有關，而與它們的絕對值大小無關，因此，AD2S83對輸人信號的幅值和頻率變化不敏感，不必使用穩(wěn)定、精確的振蕩器來產(chǎn)生參考信號，而仍能保證精確度。轉(zhuǎn)換環(huán)路中相敏檢測器的存在保證了對參考信號中的正交分量有很高的抑制能力。另外，它抑制噪聲、諧波的能力強。AD2S83突出的優(yōu)點就在于它可由用戶選擇相應的參數(shù)來優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能。

角位置檢測電路的設計

位置檢測電路設計的關鍵，就是要正確地選擇AD2S83的外圍元件。下面就介紹AD2S83外圍元件的選擇。應注意選用量接近理想值的元件，并工作于允許的溫度范圍內(nèi)。選用誤差等級為5%的元件并不會降低轉(zhuǎn)換器的性能。參見圖1。

4.1 高頻濾波器元件R1、R2、C1、C2的選擇

濾波器是由電感器和電容器構成的網(wǎng)路，可使混合的交直流電流分開。電源整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。最基本的濾波器，是由一個電容器和一個電感器構成，稱為L型濾波。所有各型的濾波器，都是集合L型單節(jié)濾波器而成?；締喂?jié)式濾波器由一個串聯(lián)臂及一個并聯(lián)臂所組成，串聯(lián)臂為電感器，并聯(lián)臂為電容器。在電源及聲頻電路中之濾波器，最通用者為L型及π型兩種。

高頻濾波器的作用是消除直流偏置和減少進入到AD2S83信號中的噪聲，因為它們影響相敏檢測器的輸出。在有來自開關電源和無刷電機的噪聲時，其作用尤其重要。元件參數(shù)的選擇如下：

C1=C2=15k ≤R1=R2≤56k (3)

(4)

當取R2＝R3，C1＝C3時，只R1、C2可以省略。

注意：由于該高頻濾波器對輸入到相敏檢測器的信號有3倍的衰減，因此，它會影響環(huán)路的增益。

4.2 增益比例電阻R4的選擇

若C1，C2滿足（3）式和（4）式，則
 

(5)

否則

(6)

 其中，100 10 電流/LSB；

4.3 R3、C3的選擇

合適的R3、C3使信號在參考頻率上沒有明顯的相位移，兩元件為：
 

(7)

4.4 最大跟蹤速率的選擇

VCO的輸入電阻R6用來設置變換器的量大跟蹤速率。若在量大跟蹤速率時，速度輸出為8V，則R6為

(8)

其中，T不能超過最大跟蹤速率或參考信號頻率的l／16，N為輸出分辨率。

4.5 閉環(huán)帶寬的選擇

當參考頻率為400Hz時，帶寬的典型值為100Hz，當參考頻率為5kHz時，帶寬的典型值為500Hz到1000Hz。C4，C5，R5按

下式選擇：

                 (9)

4．6 VC0相位補償

4.7 偏置調(diào)整

積分器輸入端的漂移與偏置電流會引起變換器輸出端額外的位置漂移，如果能忽略漂移，則可省略R8，R9，否則應取R8＝4.7M ，R9＝1M （電位器）。為了減小零點漂移，首先選擇好AD2S83的外圍元件，并斷開AD2S83與旋轉(zhuǎn)變壓器的連接，然后連接COS與REFERENCE INPUT兩個引腳，SIN與SIGNAL GROUND兩個引腳，加上電源與參考信號后，調(diào)節(jié)電位器R9，使輸出為全“0”。

4.8 輸出分辨率的選擇

AD2S83的輸出分辨率可以通過SC1，SC2 兩個管腳的邏輯狀態(tài)被用戶設置為lO，12，14，16位，具體見表2

5 AD2S83在EPS系統(tǒng)中的應用

EPS板保溫體系是由特種聚合膠泥、EPS板，耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布稱和飾面材料組成。集保溫、防水、防火，裝飾功能為一體的新型建筑構造體系。該技術將保溫材料置于建筑物外墻外側，不占用室內(nèi)空間，保溫效果明顯，便于設計建筑外形。EPS泡沫是一種熱塑性材料，每立方米體積內(nèi)含有300--600萬個獨立密閉氣泡，內(nèi)含空氣的體積為98%以上，由于空氣的熱傳導性很小，且又被封閉于泡沫塑料中而不能對流，所以EPS是一種隔熱保溫性能非常優(yōu)良的材料。 用途：用于建筑內(nèi)外墻保溫、地熱采暖、冷庫、冷藏室、輕體房、低溫箱、保鮮箱 產(chǎn)品規(guī)格（mm）：尺寸：1250×6000×600　1000×2000×500 厚度：0.5-600 注：按用戶要求生產(chǎn)各種規(guī)格 技術指標 密度（kg/m3）：15-30 導熱系數(shù)（W/mh）：0.041 抗拉強度（kg/m2）：2.5-3.5 尺寸穩(wěn)定性使用溫度（℃）：+70

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須滿足很高的實時性和較高的精度要求，同時要確保其具有高的可靠性。基于無刷旋轉(zhuǎn)變壓器與AD2S83集成電路的優(yōu)點，選用高可靠性的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器與AD2S83構成這EPS系統(tǒng)角位置檢測系統(tǒng)，并以AD2S83的模擬速度輸出信號作為速度反饋信號構成EPS系統(tǒng)的速度回路是設計這些EPS系統(tǒng)時較好的選擇。系統(tǒng)框圖見圖2。

5.1位置檢測單元硬件電路設計及實現(xiàn)

在具體實現(xiàn)該電路時應注意十Vs，-Vs 與 ANALOG GROUND 之間，+VL與DIGITAL GROUND之間要分別并聯(lián)100uF（陶瓷）和lOuF（鉭）的去耦電容，它們應盡量靠近AD2S83變換器放置，而且每個變換器都應有自己單獨的去耦電容。旋變的兩個信號接地端應連到變換器的SIGXAL GROUND管腳，以減少正、余弦信號間的耦合，另外，旋變的正、余弦信號以及參考信號最好分別使用雙絞屏蔽線。

5.2 AD2S83與單片機的連接

下面介紹單片機對AD2S83 RDC的操作，在此之前先對AD2S83變換器的控制信號加以簡單的說明：

根據(jù)系統(tǒng)的性能指標，選擇分辨率為12bit，勵磁頻率為5KHz，最大跟蹤頻率為260rps，帶寬為520Hz。按照上述計算方法選定AD2S83的外圍元件后，即可設計出速度反饋與位置檢測電路。硬件連接圖如下：

輸入：

信號只禁止可逆計數(shù)器向輸出鎖存器傳送數(shù)據(jù)，并不打斷跟蹤環(huán)的工作，釋放該信號將自動產(chǎn)生一個BUSY，并刷新輸出鎖存器。

輸入：

信號決定了輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)，高電平時，輸出數(shù)據(jù)管腳保持在高阻狀態(tài)。低電平時，允許輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)傳送到輸出管腳上。對

的操作不會影響變換器的工作。

BYTESELECT輸入：無論該信號的狀態(tài)如何當

為低電平時，低位字節(jié)就將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DB9—DBl6上。當BYTE SELECT為高電平時．高8位字節(jié)將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DBl—DB8上；當BYTE SELECT為低電平時，低8位字節(jié)將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DBl—DB8上．它們同時也出現(xiàn)在DB9—DBl6上。

速度信號：速度信號是由積分器輸出的與速度成正比的直流信號，在許多情況下可以使用該信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測速發(fā)動機。

5.3單片機對AD2S83讀取數(shù)據(jù)的過程：

首先對AD2S83施加

信號，阻止鎖存器的刷新．當

被置為低電平并延遲600ns后數(shù)據(jù)有效．單片機對BYTE SELECT 操作，把

信號置為低電平后，讀完數(shù)據(jù)后，應立即釋放

信號．把它置為高電平．以使輸出鎖存器能被刷新.該過程可以通過下面的時序圖來表示：

6 結束語

本文介紹了AD2S83RDC集成電路的應用，并設計了由該集成電路和旋轉(zhuǎn)變壓器構成的EPS系統(tǒng)中位置檢測系統(tǒng)，并已成功的應用到市科委在汽車學院的EPS項目當中。經(jīng)實踐表明，該系統(tǒng)具有誤差小、實時性好、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點。