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高精度旋轉變壓器電機控制方案(上)

發(fā)布時間:2022-07-15 來源:瑞薩 責任編輯:wenwei

【導讀】在工業(yè)和消費領域的電機控制應用中,設計人員常常會面臨由傳統(tǒng)的電機控制方法所造成的扭矩失步、裕度不足、電量消耗和發(fā)熱量過大、噪音和振動難以消除等問題。為此瑞薩電子推出了一款基于旋轉變壓器的電機控制解決方案,它可有效應對上述問題,并適應各種復雜的工作環(huán)境以實現(xiàn)電機的精密控制。


首先,我們來看看什么是旋轉變壓器呢?旋轉變壓器(Resolver),是一種電磁式傳感器,用來測量旋轉物體的角位移和角速度。如下圖所示,旋變由定子和轉子組成,通常轉子固定于電機轉軸上,同步旋轉。


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旋轉變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似。旋轉變壓器定子繞組作為變壓器的原邊,接受勵磁電壓。轉子繞組作為變壓器的副邊,通過電耦合諧振磁耦合作用得到感應電壓。旋轉變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉子的角位移發(fā)生相對位置的改變,從而輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數(shù)關系。對輸出信號進行模數(shù)轉換,計算反正切值,即可得到轉子當前的角位移,角位移對時間的微分即為轉速。


旋轉變壓器依靠其特殊的構造和原理,成為了一種精密角度、位置、速度檢測裝置,能夠很好地適應高溫、嚴寒、潮濕、粉塵、高速(8000r/m以上)、高震動等其他編碼器無法正常工作的場合,更具備比較高的位置精度,而且比其他傳感器擁有更長的使用壽命。由于旋轉變壓器以上特點,可完全替代光電編碼器,被廣泛應用在伺服控制、機器人系統(tǒng)、機械工具、汽車、電力、冶金、紡織、印刷、航空航天、船舶、兵器、電子、冶金、礦山、油田、水利、化工、輕工、建筑等領域的角度、位置檢測系統(tǒng)中。


1 瑞薩旋變電機控制方案


瑞薩電子基于旋轉變壓器開發(fā)了高精度的電機控制解決方案,自主研發(fā)了全新的RDC (Resolver-to-Digital Converters旋轉變壓器到數(shù)字轉換器)IC,并結合RX系列微控制器 (MCU),推出了高精度的旋轉變壓器電機控制解決方案。該方案可廣泛適用于工業(yè)和消費應用的電機控制系統(tǒng)。


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上圖是方案的構成框圖。在該方案中,RDC IC和RX MCU將來自旋轉變壓器的信號處理為角度信息,RX MCU同時還可以控制電機運轉。RX MCU上提供了RDC IC專用驅動程序,使用API接口就可以輕松地執(zhí)行旋轉變壓器處理。


2 瑞薩RDC IC的主要特點


瑞薩RDC IC具備以下幾個主要特點:


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首先,瑞薩RDC IC采用了新的相位差檢測方式(Phase error detection method),通過計數(shù)RX-MCU上的相位差來得出位置信息。相位差數(shù)據(jù)由旋轉變壓器信號中的激勵信號和旋轉角度信息生成。相比于傳統(tǒng)的相位跟蹤檢測方式(Phase tracking method),相位差檢測方式可以實現(xiàn)更高精度、更高速的電機實時控制。


傳統(tǒng)的采用PI控制伺服回路的相位跟蹤檢測方式包含頻率特性,因此電機變速時會出現(xiàn)延遲時間。


示例


當使用1KHz作為主要頻率特性時,會出現(xiàn)125μs的延遲。


※1KHz輸入的延遲為45°→125μs=1ms*45°/360°


→由于角度急劇變化,階躍輸入的伺服跟蹤時間延遲增加。示例:1.5-8ms@180°階躍。


而采用瑞薩的相位差檢測方式,由于不關聯(lián)頻率特性,所以不會出現(xiàn)延遲時間。


→對于劇烈角度變化引起的階躍輸入,可以快速響應(10μs,20°階躍輸入)。


在旋轉變壓器傳感器的配置上,該方案兼容電壓檢測型和電流檢測型。旋轉變壓器必須是單相勵磁兩相輸出型旋轉變壓器。不僅可以使用常見的電壓檢測型旋轉變壓器,還可使用低成本制造的電流檢測型旋轉變壓器。


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通過和多對極的旋轉變壓器配合,可以200,000 P/R機械角位置的高分辨率實現(xiàn)高位置精度。而且由于RX MCU可以計算電機原點位置,因此不需要電機原點位置的Z相輸出。


通過RDC IC組合RX MCU的方式,由MCU分擔角度計算的部分功能,從而使得RDC IC的電路設計更加簡化,降低RDC IC的器件成本。另一方面,通過加入特有的繞組誤差校正功能,可以將常見旋轉變壓器的誤差從1.91°減小到0.48°左右,從而可以選擇更加低成本的旋轉變壓器。


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