基于au6802n1的旋转变压器信号接口电路设计

光电编码器因测量精度高，在伺服用永磁同步电机位置检测中广泛应用。但它有抗震性差的缺点，难以适应恶劣工况。旋转变压器具有抗震性好、耐腐蚀、耐高温和易实现高速位置检测的优点，通常在矿山、纺织用伺服系统、航空用电力作动系统等恶劣环境中应用。

旋转变压器与光电编码器不同，它是一种机电元件,需要将其输出的模拟电压信号转换为数字信号才可输入到dsp控制芯片。本文选用多摩川公司的旋转变压器数字转换器(rdc)au6802n1，设计了一套旋变解码的接口电路板。同时基于永磁电机矢量控制平台对该接口电路进行了实验验证。实验表明该设计方案确实可行，并取得了较好的位置检测效果。

旋转变压器原理

图1 旋转变压器的结构

旋转变压器是一种单相激励双相输出无刷旋转变压器。如图1所示，激磁绕组(原边)r1-r2和两套输出相互正交的绕组(副边)s4-s2、s3-s1同在定子侧，固定在电机定子上，转子与电机转子同轴安装。当原边的激磁绕组流过正弦电流时，副边输出绕组两端会感应出同频率的电势，电势的大小与定转子间的相对电角度有关。

假设原边输入电压为：

(1)

则副边输出电压满足：

(2)

(3)

其中，ω为激磁电源的角频率;us4-s2,us3-s1为两相正交绕组(正弦绕组和余弦绕组)的输出电压。k为传输电压比，θ为转子位置角。

本设计旋转变压器选用多摩川公司的ts2640n321e64。其主要性能参数如表1所示。

　　au6802n1工作原理

图2 au6802n1解码原理图

图2给出了au6802n1芯片解码的原理框图。由图可知，au6802n1内部是一个闭环系统。旋转变压器的四线端输出来的信号通过调理电路进入au6802n1芯片的s1、s2、s3和s4端，经过处理输出到余弦和正弦乘法器上。通过后级的加减电路，得vsr=kesinωt×sin(θ-)此时根据外部激励r1、r2端的同步相位检测器的当前状态，从代表了某一起始角鲎攀郑转换器试图连续调节数字角觯使该角等于待测模拟角并跟踪θ。当调整到vsr=0时，即有=θ。此时可逆计数器的字状态龅淖换结果，即代表了旋转变压器输出的轴角θ的二进制数字值8檬字值可以送给计算机显示或Dsp控制芯片进行处理。

au6802n1控制位设定

au6802n1可以通过设定对应的控制位来选择工作模式。其控制位主要分为以下几种：

(1) 输出模式设置：输出模式分为三种——并行i/o口模式、spi通信模式、abz脉冲模式，可通过outmd、csb、rdb、intb四个引脚的电平来设定，详细设定参考文献[1]。

(2) 系统控制模式设置：通过设定acmd引脚电平得到。acmd=h时，系统选择加速模式;反之，选择正常模式。通常运行时设定为正常模式，当角加速度较大时，切换到加速模式，可以获得更高的位置检测精度。

(3) 分辨率设置：mdsel=h时，输出数据选择12位;反之，输出数据选择10位。

(4) 极对数设置：电机的极对数设置可通过设定xsel1和xsel2引脚得到，如下表2所示。

(5) 励磁频率设置：励磁信号rso频率可通过设定fsel1和fsel2得到，如表3所示。

(6) 测试模式设置：可通过引脚test1和test2设定。通常将两引脚都拉高至vdd，不影响正常工作。

本设计选取au6802n1工作在脉冲输出模式和spi通信模式，数据分辨率为12位，极对数设定为1，励磁频率为10k，控制模式为正常模式，测试位不使能。其电路图如图3所示，图中所有电阻值均为33ω。

图3 控制位设定电路图

外围主电路设计

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外围主电路包括激励调理电路、反馈滤波调理电路和dsp接口电路。电路图如图4所示。

图4 au6802n1外围主电路电路图

　　激励调理电路设计

激励调理电路设计激励信号调理电路是用来给旋转变压器提供激励输入信号。au6802n1芯片的rso/com输出的激励信号是基于2.5v且vp-p=2v的31级内插正弦波(vrso=1.5v～3.5v的正弦波电压)，输出功率太小，是不能直接驱动旋转变压器励磁绕组的。因此需要设计激励调理电路，完成激励信号放大的任务。

激励调理电路的拓扑分为双电源和单电源供电两种，本文选取双电源booster功率放大电路，可节省器件开销。电路基本工作原理为rso/com输出经过隔直电容ci后，取到有效的交流信号，再经过后级的运放和npn、pnp三极管互补推挽电路进行功率放大，最终得到正弦度较好的激磁电压信号。为了保证系统的稳定性，加入cf来补偿相位。输出励磁信号的幅值可通过调节rext来实现。参数设计通常满足以下原则：rex≤zro/10ω(zro