旋转变压器的编解码电路设计及实现
旋转变压器的编解码电路设计及实现[20191215170500]
摘 要
随着微处理器技术、现代电力电子技术、高性能控制理论以及永磁材料制造工艺的发展，人们对永磁同步电动机控制产品的性能、功能及性价比要求也越来越高。旋转变压器作为一种测量速度、角度和位置的精密装置，正越来越多的运用于永磁同步电机的控制中，由于旋转变压器还能适用于环境恶劣的场合，所以在一些工作环境比较差的地方得到广泛使用。由此可知研究旋转变压器的编解码电路具有现实意义。
本文通过对旋转变压器的编解码电路进行研究，对相关的理论基础、硬件电路和软件调试进行了详实的阐述，设计了以DSP芯片TMS320F28069为主控核心的基于旋转变压器的永磁同步电动机伺服控制变频器。相关理论主要包括旋转变压器的工作原理、解码芯片AD2S1210的工作原理及DSP芯片TMS320F28069的相关文档；硬件电路设计包括电源模块的设计、DSP控制模块的设计、智能功率模块(IPM)的设计、电流采样模块的设计以及AD2S1210解码模块的设计；软件主要运用了空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)算法、定子静止坐标系变换(Clarke)算法、转子旋转坐标变换(Park)算法和比例积分微分(PID)算法。
完成了以上的工作，最后对所有硬件模块和软件算法进行了整合，在实体电动机上进行测试，实验证明，旋转变压器能很好的使永磁同步电机实现高精度伺服控制，且其编解码电路易于实现、电机实际运行效果较好。
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关键字:永磁同步电机；旋转变压器；AD2S1210；TMS320F28069
Key words: permanent magnet synchronous motor；resolver；AD2S1210；TMS320F28069目 录
第 1 章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 角位置传感器的发展现状 2
1.2.2 旋转变压器编解码电路发展现状 2
1.3 课题研究意义 3
1.4 本文内容及章节安排 3
第 2 章 旋转变压器与数字转换器 5
2.1 旋转变压器 5
2.1.1 旋转变压器简介 5
2.1.2 正余弦旋转变压器 6
2.2 旋转变压器数字转换器AD2S1210 8
2.2.1 工作原理 8
2.2.2 工作模式 9
2.2.3 通信模式 10
第 3 章 控制系统的硬件电路设计 11
3.1 硬件整体设计 11
3.2 电源模块 11
3.3 DSP控制模块 13
3.4 IPM模块 15
3.4.1 主功率器件的选取 15
3.4.2 PS21765电路 15
3.5 电流采样模块 17
3.6 AD2S1210旋转变压器解码模块 18
第 4 章 永磁同步电机控制系统软件部分 21
4.1 DSP开发软件CCS 21
4.2 软件系统整体设计 22
4.3 DSP控制算法主要功能模块 24
4.3.1 SVPWM控制算法 24
4.3.2 Clarke/Park变换算法 25
4.3.3 PID算法 26
第 5 章 系统调试与分析 29
5.1 PWM测试与分析 29
5.2 AD2S1210旋转变压器解码测试与分析 31
5.3 自举电压测试与分析 31
5.4 AD采样测试与分析 32
第 6 章 总结与展望 34
致 谢 36
参考文献 37
附录 40
1、系统实物图 40
（1）控制板 40
（2）功率板 40
（3）系统整体实物图 41
2、程序主函数 41
3、外文文献原文 52
4、外文文献翻译 56
第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景
旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，具有灵敏度高、抗干扰能力强等特点，特别适用于高温、严寒、潮湿、高速、高震动等环境条件比较恶劣的场合，因此，被广泛应用于伺服控制系统、机器人系统和汽车、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、矿山、油田等领域的角度、位置监测系统中用于传输与转角相应的电信号。
早期时的旋转变压器由于信号处理电路比较复杂，价格比较贵的原因，应用受到了限制。后来，随着电子工业的发展，电子元器件集成化程度有了很大提高，元器件的价格也大大下降；另外，由于信号处理技术的进步，是的旋转变压器的信号处理电路变得简单可靠，而且价格也有了很大程度的下降；再加上又出现了旋转变压器专用的解码芯片，使得信号处理问题变得更加灵活方便。这样，旋转变压器的应用得到了很大的发展，其优点也得到了更大的体现。
在塑压系统、纺织系统、冶金系统等默写领域里，由于环境因素，容易产生严重的静电，普通编码器很容易在此类环境中损坏，而旋转变压器由于本身的结构特点而具有很强的抵抗静电的能力，采用旋转变压器则可以很好的解决这个问题。所以在这些场合的伺服系统宗的伺服电动机上其位置速度传感器就是用的旋转变压器[1]。
另外，随着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁同步电机的应用越来越广泛。在家用电器中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都已向变频变速发展，其采用的都是由方波、正弦波控制的永磁同步电机。而永磁同步电机的位置传感器，现已大多数采用旋转变压器。
特别应该提出的是，目前各国都非常重视的电动汽车，其中所用的位置、速度传感器也都是旋转变压器。例如，驱动电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀的角度测量、真空室传送器的角度位置测量等等，都是采用旋转变压器[8][19]。
由此可见，旋转变压器的应用已经成为了一种趋势，对旋转变压器编解码电路的设计及实现更是具有重要意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 角位置传感器的发展现状
基于角位置的传感器可以测量、采集位置信息，对于角位置传感器的使用主要分为了以下几个阶段：
接触式编码器。接触式编码器是一种数字式传感器，它属于码盘式编码器，也称为绝对编码器，它将角度进行编码，使其转换为数字信号，方便的与数字系统相连接。在外界力的作用下，旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种码制的某一数字编码输出[2]。这种接触式编码器的优点如下：(1)、具有一定的精度和可靠性；(2)、能直接输出某种码制的数码，方便和数字系统连接。缺点是编码器的分辨率不能做到很高和使用寿命较短。目前接触式编码器基本上已不再使用。
光电式编码器。该编码器也是属于码盘式编码器，其特点是摆脱了电刷，使用了光电元件，分辨率相对于接触式编码器也有了一定的提高，主要用于自动控制系统和自动测量系统[7]。该编码器的优点是没有电刷、使用寿命长、工作时可靠性高、分辨率和精度较高、允许高速旋转。缺点是光源的寿命比较短，编码器的结构较复杂。
旋转变压器。旋转变压器简称旋变，是一种电磁式传感器。其工作原理与普通变压器相似，只是普通的变压器原边、副边绕组是固定的，所以输出与输入之比也是个定值。而旋转变压器的原边、副边绕组的相对位置是根据电机转子旋转的角度发生变化的，所以输出与输入之比也是发生变化的。由于旋转变压器有耐高温、严寒、潮湿、高震、高速等优点，其被广泛应用在伺服控制系统、航空航天、机器人系统、水利、油田等重要领域[8]。
1.2.2 旋转变压器编解码电路发展现状
随着旋转变压器的运用越来越广泛，人们对旋转变压器的编解码电路的研究也更加深入。就目前来看，旋转变压器的解码方式大致可以分为两类：一类是利用专门的旋转变压器解码芯片进行解码，后面简称硬件解码；另一类是利用编程来实现对旋转变压器解码，后面简称软件解码。这两种方式各有优缺点，硬件解码由于增加了硬件电路，在电路设计方面需要花更多时间，而且还需要花费钱来买解码芯片，其优点是简化了软件编程，不占用处理器资源；软件解码的硬件电路设计简单，但是完全依靠程序来实现对旋转变压器的解码，所以在编程方面就需要多花些时间。
文献6中运用AD698芯片对旋转变压器进行解码，属于软件解码，此芯片搭建的外围电路简单，性价比高，缺点是编程比较复杂，需要有大量计算。文献29中提出基于AU6802N1的信号接口电路将旋转变压器采集到的模拟信号转换成数字信号，属于硬件解码，由于此芯片出产时间较早，已经处于更新换代的边缘，不适合再做深入的研究。文献30中提出基于CORDIC的旋转变压器解码方案，由于其需要FPGA协同工作，增加了系统设计的成本，且其算法编程比较复杂。
1.3 课题研究意义
本文设计了以DSP芯片TMS320F28069为主控核心的基于旋转变压器的永磁同步电动机伺服控制变频器，其中涉及到比较关键的芯片为DSP主控芯片TMS320F28069和旋转变压器解码芯片AD2S1210。TMS320F28069是一款比较新的DSP芯片，其功能强大，相比与出产时间比较长的TMS320F2812而言，可以支持浮点数运算，并有可编程平行加速器(CLA)加快运行速度[27]；相比于更高端的TMS320F28335，有着更高的性价比。AD2S1210是一款最新的旋转变压器解码芯片，其对旋转变压器进行解码是一种硬件解码方式，简化了程序的编写，不占用处理器资源，而且外围硬件电路也不复杂，易于实现，相比于其他的解码芯片，性价比更高。由此可见对本课题进行研究具有重大意义。
1.4 本文内容及章节安排
本论文从旋转变压器和数字转换器的基本原理入手，设计了包括电源、DSP、IPM、电流采样和AD2S1210解码模块的硬件电路和SVPWM、Clarke/Park变换和PID的软件算法。最后把软硬件集成在一起设计完成了以DSP芯片TMS320F28069为主控核心的基于旋转变压器的永磁同步电动机伺服控制变频器，并在实体电动机上进行了测试，电机运行效果良好。具体工作安排如下：
第一章：介绍了本课题研究背景、国内外研究现状以及研究本课题的意义。
第二章：针对本文研究的对象——旋转变压器和其解码芯片AD2S1210进行了详细的介绍，为后面的软硬件设计提供了理论基础。
第三章：分模块介绍了控制系统的硬件电路，主要包括电源模块、DSP模块、IPM模块、电流采样模块和AD2S1210模块。
第四章：对具体的程序实现进行了论述，主要对SVPWM、Clarke/Park变换、PID进行了算法分析。
第五章：说明了系统关键部分的调试步骤，并根据测试所得到的数据分析了系统的正确性。
第六章：对本文作了总结，并对还可以提高的地方作了说明。
第 2 章 旋转变压器与数字转换器
旋转变压器作为本文的研究对象，了解其特点和对其原理知识的掌握是必须的，所以对其进行详细的介绍的必不可少的。数字转换器起着把旋转变压器采集到的模拟信号转换为数字信号并把数字信号发送给DSP进行运算的作用，对其工作原理、工作模式和通信模式进行说明也是必须的。本章主要说明了旋转变压器的原理及一些公式推导和数字转换器的工作原理、工作模式和通信模式。
2.1 旋转变压器
2.1.1 旋转变压器简介
旋转变压器简称旋变，是一种电磁式传感器。其工作原理与普通变压器相似，只是普通的变压器原边、副边绕组是固定的，所以输出与输入之比也是个定值。而旋转变压器的原边、副边绕组的相对位置是根据电机转子旋转的角度发生变化的，所以输出与输入之比也是发生变化的[12]。按照输出的电压与转子转过的角度之间的关系可以把旋转变压器分为三大类：一是正余弦旋转变压器，即输出的电压与转子转过的角度之间的函数关系为正余弦关系；二是线性旋转变压器，即输出的电压与转子转过的角度之间的函数关系为线性关系；三是比例旋转变压器，即输出的电压与转子转过的角度之间的函数关系为比例关系。
摘 要
随着微处理器技术、现代电力电子技术、高性能控制理论以及永磁材料制造工艺的发展，人们对永磁同步电动机控制产品的性能、功能及性价比要求也越来越高。旋转变压器作为一种测量速度、角度和位置的精密装置，正越来越多的运用于永磁同步电机的控制中，由于旋转变压器还能适用于环境恶劣的场合，所以在一些工作环境比较差的地方得到广泛使用。由此可知研究旋转变压器的编解码电路具有现实意义。
本文通过对旋转变压器的编解码电路进行研究，对相关的理论基础、硬件电路和软件调试进行了详实的阐述，设计了以DSP芯片TMS320F28069为主控核心的基于旋转变压器的永磁同步电动机伺服控制变频器。相关理论主要包括旋转变压器的工作原理、解码芯片AD2S1210的工作原理及DSP芯片TMS320F28069的相关文档；硬件电路设计包括电源模块的设计、DSP控制模块的设计、智能功率模块(IPM)的设计、电流采样模块的设计以及AD2S1210解码模块的设计；软件主要运用了空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)算法、定子静止坐标系变换(Clarke)算法、转子旋转坐标变换(Park)算法和比例积分微分(PID)算法。
完成了以上的工作，最后对所有硬件模块和软件算法进行了整合，在实体电动机上进行测试，实验证明，旋转变压器能很好的使永磁同步电机实现高精度伺服控制，且其编解码电路易于实现、电机实际运行效果较好。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:永磁同步电机；旋转变压器；AD2S1210；TMS320F28069
Key words: permanent magnet synchronous motor；resolver；AD2S1210；TMS320F28069目 录
第 1 章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 角位置传感器的发展现状 2
1.2.2 旋转变压器编解码电路发展现状 2
1.3 课题研究意义 3
1.4 本文内容及章节安排 3
第 2 章 旋转变压器与数字转换器 5
2.1 旋转变压器 5
2.1.1 旋转变压器简介 5
2.1.2 正余弦旋转变压器 6
2.2 旋转变压器数字转换器AD2S1210 8
2.2.1 工作原理 8
2.2.2 工作模式 9
2.2.3 通信模式 10
第 3 章 控制系统的硬件电路设计 11
3.1 硬件整体设计 11
3.2 电源模块 11
3.3 DSP控制模块 13
3.4 IPM模块 15
3.4.1 主功率器件的选取 15
3.4.2 PS21765电路 15
3.5 电流采样模块 17
3.6 AD2S1210旋转变压器解码模块 18
第 4 章 永磁同步电机控制系统软件部分 21
4.1 DSP开发软件CCS 21
4.2 软件系统整体设计 22
4.3 DSP控制算法主要功能模块 24
4.3.1 SVPWM控制算法 24
4.3.2 Clarke/Park变换算法 25
4.3.3 PID算法 26
第 5 章 系统调试与分析 29
5.1 PWM测试与分析 29
5.2 AD2S1210旋转变压器解码测试与分析 31
5.3 自举电压测试与分析 31
5.4 AD采样测试与分析 32
第 6 章 总结与展望 34
致 谢 36
参考文献 37
附录 40
1、系统实物图 40
（1）控制板 40
（2）功率板 40
（3）系统整体实物图 41
2、程序主函数 41
3、外文文献原文 52
4、外文文献翻译 56
第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景
旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，具有灵敏度高、抗干扰能力强等特点，特别适用于高温、严寒、潮湿、高速、高震动等环境条件比较恶劣的场合，因此，被广泛应用于伺服控制系统、机器人系统和汽车、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、矿山、油田等领域的角度、位置监测系统中用于传输与转角相应的电信号。
早期时的旋转变压器由于信号处理电路比较复杂，价格比较贵的原因，应用受到了限制。后来，随着电子工业的发展，电子元器件集成化程度有了很大提高，元器件的价格也大大下降；另外，由于信号处理技术的进步，是的旋转变压器的信号处理电路变得简单可靠，而且价格也有了很大程度的下降；再加上又出现了旋转变压器专用的解码芯片，使得信号处理问题变得更加灵活方便。这样，旋转变压器的应用得到了很大的发展，其优点也得到了更大的体现。
在塑压系统、纺织系统、冶金系统等默写领域里，由于环境因素，容易产生严重的静电，普通编码器很容易在此类环境中损坏，而旋转变压器由于本身的结构特点而具有很强的抵抗静电的能力，采用旋转变压器则可以很好的解决这个问题。所以在这些场合的伺服系统宗的伺服电动机上其位置速度传感器就是用的旋转变压器[1]。
另外，随着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁同步电机的应用越来越广泛。在家用电器中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都已向变频变速发展，其采用的都是由方波、正弦波控制的永磁同步电机。而永磁同步电机的位置传感器，现已大多数采用旋转变压器。
特别应该提出的是，目前各国都非常重视的电动汽车，其中所用的位置、速度传感器也都是旋转变压器。例如，驱动电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀的角度测量、真空室传送器的角度位置测量等等，都是采用旋转变压器[8][19]。
由此可见，旋转变压器的应用已经成为了一种趋势，对旋转变压器编解码电路的设计及实现更是具有重要意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 角位置传感器的发展现状
基于角位置的传感器可以测量、采集位置信息，对于角位置传感器的使用主要分为了以下几个阶段：
接触式编码器。接触式编码器是一种数字式传感器，它属于码盘式编码器，也称为绝对编码器，它将角度进行编码，使其转换为数字信号，方便的与数字系统相连接。在外界力的作用下，旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种码制的某一数字编码输出[2]。这种接触式编码器的优点如下：(1)、具有一定的精度和可靠性；(2)、能直接输出某种码制的数码，方便和数字系统连接。缺点是编码器的分辨率不能做到很高和使用寿命较短。目前接触式编码器基本上已不再使用。
光电式编码器。该编码器也是属于码盘式编码器，其特点是摆脱了电刷，使用了光电元件，分辨率相对于接触式编码器也有了一定的提高，主要用于自动控制系统和自动测量系统[7]。该编码器的优点是没有电刷、使用寿命长、工作时可靠性高、分辨率和精度较高、允许高速旋转。缺点是光源的寿命比较短，编码器的结构较复杂。
旋转变压器。旋转变压器简称旋变，是一种电磁式传感器。其工作原理与普通变压器相似，只是普通的变压器原边、副边绕组是固定的，所以输出与输入之比也是个定值。而旋转变压器的原边、副边绕组的相对位置是根据电机转子旋转的角度发生变化的，所以输出与输入之比也是发生变化的。由于旋转变压器有耐高温、严寒、潮湿、高震、高速等优点，其被广泛应用在伺服控制系统、航空航天、机器人系统、水利、油田等重要领域[8]。
1.2.2 旋转变压器编解码电路发展现状
随着旋转变压器的运用越来越广泛，人们对旋转变压器的编解码电路的研究也更加深入。就目前来看，旋转变压器的解码方式大致可以分为两类：一类是利用专门的旋转变压器解码芯片进行解码，后面简称硬件解码；另一类是利用编程来实现对旋转变压器解码，后面简称软件解码。这两种方式各有优缺点，硬件解码由于增加了硬件电路，在电路设计方面需要花更多时间，而且还需要花费钱来买解码芯片，其优点是简化了软件编程，不占用处理器资源；软件解码的硬件电路设计简单，但是完全依靠程序来实现对旋转变压器的解码，所以在编程方面就需要多花些时间。
文献6中运用AD698芯片对旋转变压器进行解码，属于软件解码，此芯片搭建的外围电路简单，性价比高，缺点是编程比较复杂，需要有大量计算。文献29中提出基于AU6802N1的信号接口电路将旋转变压器采集到的模拟信号转换成数字信号，属于硬件解码，由于此芯片出产时间较早，已经处于更新换代的边缘，不适合再做深入的研究。文献30中提出基于CORDIC的旋转变压器解码方案，由于其需要FPGA协同工作，增加了系统设计的成本，且其算法编程比较复杂。
1.3 课题研究意义
本文设计了以DSP芯片TMS320F28069为主控核心的基于旋转变压器的永磁同步电动机伺服控制变频器，其中涉及到比较关键的芯片为DSP主控芯片TMS320F28069和旋转变压器解码芯片AD2S1210。TMS320F28069是一款比较新的DSP芯片，其功能强大，相比与出产时间比较长的TMS320F2812而言，可以支持浮点数运算，并有可编程平行加速器(CLA)加快运行速度[27]；相比于更高端的TMS320F28335，有着更高的性价比。AD2S1210是一款最新的旋转变压器解码芯片，其对旋转变压器进行解码是一种硬件解码方式，简化了程序的编写，不占用处理器资源，而且外围硬件电路也不复杂，易于实现，相比于其他的解码芯片，性价比更高。由此可见对本课题进行研究具有重大意义。
1.4 本文内容及章节安排
本论文从旋转变压器和数字转换器的基本原理入手，设计了包括电源、DSP、IPM、电流采样和AD2S1210解码模块的硬件电路和SVPWM、Clarke/Park变换和PID的软件算法。最后把软硬件集成在一起设计完成了以DSP芯片TMS320F28069为主控核心的基于旋转变压器的永磁同步电动机伺服控制变频器，并在实体电动机上进行了测试，电机运行效果良好。具体工作安排如下：
第一章：介绍了本课题研究背景、国内外研究现状以及研究本课题的意义。
第二章：针对本文研究的对象——旋转变压器和其解码芯片AD2S1210进行了详细的介绍，为后面的软硬件设计提供了理论基础。
第三章：分模块介绍了控制系统的硬件电路，主要包括电源模块、DSP模块、IPM模块、电流采样模块和AD2S1210模块。
第四章：对具体的程序实现进行了论述，主要对SVPWM、Clarke/Park变换、PID进行了算法分析。
第五章：说明了系统关键部分的调试步骤，并根据测试所得到的数据分析了系统的正确性。
第六章：对本文作了总结，并对还可以提高的地方作了说明。
第 2 章 旋转变压器与数字转换器
旋转变压器作为本文的研究对象，了解其特点和对其原理知识的掌握是必须的，所以对其进行详细的介绍的必不可少的。数字转换器起着把旋转变压器采集到的模拟信号转换为数字信号并把数字信号发送给DSP进行运算的作用，对其工作原理、工作模式和通信模式进行说明也是必须的。本章主要说明了旋转变压器的原理及一些公式推导和数字转换器的工作原理、工作模式和通信模式。
2.1 旋转变压器
2.1.1 旋转变压器简介
旋转变压器简称旋变，是一种电磁式传感器。其工作原理与普通变压器相似，只是普通的变压器原边、副边绕组是固定的，所以输出与输入之比也是个定值。而旋转变压器的原边、副边绕组的相对位置是根据电机转子旋转的角度发生变化的，所以输出与输入之比也是发生变化的[12]。按照输出的电压与转子转过的角度之间的关系可以把旋转变压器分为三大类：一是正余弦旋转变压器，即输出的电压与转子转过的角度之间的函数关系为正余弦关系；二是线性旋转变压器，即输出的电压与转子转过的角度之间的函数关系为线性关系；三是比例旋转变压器，即输出的电压与转子转过的角度之间的函数关系为比例关系。
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