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高精度旋转变压器电机控制方案(上)

发布时间:2022-07-15 来源:瑞萨 责任编辑:wenwei

【导读】在工业和消费领域的电机控制应用中,设计人员常常会面临由传统的电机控制方法所造成的扭矩失步、裕度不足、电量消耗和发热量过大、噪音和振动难以消除等问题。为此瑞萨电子推出了一款基于旋转变压器的电机控制解决方案,它可有效应对上述问题,并适应各种复杂的工作环境以实现电机的精密控制。


首先,我们来看看什么是旋转变压器呢?旋转变压器(Resolver),是一种电磁式传感器,用来测量旋转物体的角位移和角速度。如下图所示,旋变由定子和转子组成,通常转子固定于电机转轴上,同步旋转。


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旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似。旋转变压器定子绕组作为变压器的原边,接受励磁电压。转子绕组作为变压器的副边,通过电耦合谐振磁耦合作用得到感应电压。旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变,从而输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系。对输出信号进行模数转换,计算反正切值,即可得到转子当前的角位移,角位移对时间的微分即为转速。


旋转变压器依靠其特殊的构造和原理,成为了一种精密角度、位置、速度检测装置,能够很好地适应高温、严寒、潮湿、粉尘、高速(8000r/m以上)、高震动等其他编码器无法正常工作的场合,更具备比较高的位置精度,而且比其他传感器拥有更长的使用寿命。由于旋转变压器以上特点,可完全替代光电编码器,被广泛应用在伺服控制、机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、电子、冶金、矿山、油田、水利、化工、轻工、建筑等领域的角度、位置检测系统中。


1 瑞萨旋变电机控制方案


瑞萨电子基于旋转变压器开发了高精度的电机控制解决方案,自主研发了全新的RDC (Resolver-to-Digital Converters旋转变压器到数字转换器)IC,并结合RX系列微控制器 (MCU),推出了高精度的旋转变压器电机控制解决方案。该方案可广泛适用于工业和消费应用的电机控制系统。


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上图是方案的构成框图。在该方案中,RDC IC和RX MCU将来自旋转变压器的信号处理为角度信息,RX MCU同时还可以控制电机运转。RX MCU上提供了RDC IC专用驱动程序,使用API接口就可以轻松地执行旋转变压器处理。


2 瑞萨RDC IC的主要特点


瑞萨RDC IC具备以下几个主要特点:


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首先,瑞萨RDC IC采用了新的相位差检测方式(Phase error detection method),通过计数RX-MCU上的相位差来得出位置信息。相位差数据由旋转变压器信号中的激励信号和旋转角度信息生成。相比于传统的相位跟踪检测方式(Phase tracking method),相位差检测方式可以实现更高精度、更高速的电机实时控制。


传统的采用PI控制伺服回路的相位跟踪检测方式包含频率特性,因此电机变速时会出现延迟时间。


示例


当使用1KHz作为主要频率特性时,会出现125μs的延迟。


※1KHz输入的延迟为45°→125μs=1ms*45°/360°


→由于角度急剧变化,阶跃输入的伺服跟踪时间延迟增加。示例:1.5-8ms@180°阶跃。


而采用瑞萨的相位差检测方式,由于不关联频率特性,所以不会出现延迟时间。


→对于剧烈角度变化引起的阶跃输入,可以快速响应(10μs,20°阶跃输入)。


在旋转变压器传感器的配置上,该方案兼容电压检测型和电流检测型。旋转变压器必须是单相励磁两相输出型旋转变压器。不仅可以使用常见的电压检测型旋转变压器,还可使用低成本制造的电流检测型旋转变压器。


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通过和多对极的旋转变压器配合,可以200,000 P/R机械角位置的高分辨率实现高位置精度。而且由于RX MCU可以计算电机原点位置,因此不需要电机原点位置的Z相输出。


通过RDC IC组合RX MCU的方式,由MCU分担角度计算的部分功能,从而使得RDC IC的电路设计更加简化,降低RDC IC的器件成本。另一方面,通过加入特有的绕组误差校正功能,可以将常见旋转变压器的误差从1.91°减小到0.48°左右,从而可以选择更加低成本的旋转变压器。


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