開題報告-基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼器設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號：學(xué) 院：專 業(yè)：設(shè)計/論文題 目：基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼器設(shè)計指 導(dǎo) 教 師: 2015 年 4 月 2 日 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告1選題依據(jù)：1.1 旋轉(zhuǎn)變壓器的發(fā)展旋轉(zhuǎn)變壓器用于運動伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的傳感和測量用。早期的旋轉(zhuǎn)變壓器用于計算解答裝置中，作為模擬計算機中的主要組成部分之一。其輸出，是隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角作某種函數(shù)變化的電氣信號，通常是正弦、余弦、線性等。這些函數(shù)是最常見的，也是容易實現(xiàn)的。在對繞組做專門設(shè)計時，也可產(chǎn)生某些特殊函數(shù)的電氣輸出。但這樣的函數(shù)只用于特殊的場合，不是通用的1。60年代起，旋轉(zhuǎn)變壓器逐漸用于伺服系統(tǒng)，

2、作為角度信號的產(chǎn)生和檢測元件。三線的三相的自整角機，早于四線的兩相旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用于系統(tǒng)中。所以作為角度信號傳輸?shù)男D(zhuǎn)變壓器，有時被稱作四線自整角機2。隨著電子技術(shù)和數(shù)字計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式計算機早已代替了模擬式計算機。所以實際上，旋轉(zhuǎn)變壓器目前主要是用于角度位置伺服控制系統(tǒng)中。由于兩相的旋轉(zhuǎn)變壓器比自整角機更容易提高精度，所以旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用的更廣泛。特別是，在高精度的雙通道、雙速系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用的多極電氣元件，原來采用的是多極自整角機，現(xiàn)在基本上都是采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器中3。作為角度位置傳感元件，常用的有這樣幾種：光學(xué)編碼器、磁性編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。由于制作和精度的緣故，磁性編碼器沒有其他兩種

3、普及。光學(xué)編碼器的輸出信號是脈沖，由于是天然的數(shù)字量，數(shù)據(jù)處理比較方便，因而得到了很好的應(yīng)用4。早期的旋轉(zhuǎn)變壓器，由于信號處理電路比較復(fù)雜，價格比較貴的原因，應(yīng)用受到了限制。因為旋轉(zhuǎn)變壓器具有無可比擬的可靠性，以及具有足夠高的精度，在許多場合有著不可代替的地位，特別是在軍事以及航天、航空、航海等方面5。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件集成化程度的提高，元器件的價格大大下降；另外，信號處理技術(shù)的進(jìn)步，旋轉(zhuǎn)變壓器的信號處理電路變得簡單、可靠，價格也大大下降。而且，又出現(xiàn)了軟件解碼的信號處理，使得信號處理問題變得更加靈活、方便。這樣，旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用得到了更大的發(fā)展，其優(yōu)點得到了更大的體現(xiàn)6。和光學(xué)編

4、碼器相比，旋轉(zhuǎn)變壓器有這樣幾點明顯的優(yōu)點：無可比擬的可靠性，非常好的抗惡劣環(huán)境條件的能力；可以運行在更高的轉(zhuǎn)速下。（在輸出12 bit的信號下，允許電動機的轉(zhuǎn)速可達(dá)60,000rpm。而光學(xué)編碼器，由于光電器件的頻響一般在200kHz以下，在12 bit時，速度只能達(dá)到3,000rpm）；方便的絕對值信號數(shù)據(jù)輸出7。1.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用，近期發(fā)展很快。除了傳統(tǒng)的、要求可靠性高的軍用、航空航天領(lǐng)域之外，在工業(yè)、交通以及民用領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。特別應(yīng)該提出的是，這些年來，隨著工業(yè)自動化水平的提高，隨著節(jié)能減排的要求越來越高，效率高、節(jié)能顯著的永磁交流電動機的應(yīng)用，越來越廣泛

5、8。永磁交流電動機的位置傳感器，原來是以光學(xué)編碼器居多，但這些年來，卻迅速地被旋轉(zhuǎn)變壓器代替?？梢耘e幾個明顯的例子，在家電中，不論是冰箱、空調(diào)、還是洗衣機，目前都是向變頻變速發(fā)展，采用的是正弦波控制的永磁交流電動機9。目前各國都在非常重視的電動汽車中，電動汽車中所用的位置、速度傳感器都是旋轉(zhuǎn)變壓器。例如，驅(qū)動用電動機和發(fā)電機的位置傳感、電動助力方向盤電機的位置速度傳感、燃?xì)忾y角度測量、真空室傳送器角度位置測量等等，都是采用旋轉(zhuǎn)變壓器。在應(yīng)用于塑壓系統(tǒng)、紡織系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)以及其他領(lǐng)域里，所應(yīng)用的伺服系統(tǒng)中關(guān)鍵部件伺服電動機上，也是用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置速度傳感器10。 伺服系統(tǒng)也稱為隨動系統(tǒng)，是用

6、來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某 個過程的反饋控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)一般由交流電 機作為執(zhí)行機構(gòu)、數(shù)字信號處理器( DSP) 作為控制核心，因 其優(yōu)異的性能已廣泛應(yīng)用于工業(yè)及軍事等眾多領(lǐng)域11。 伺服系統(tǒng)中，控制器需要根據(jù)給定的位置信號與系統(tǒng)反 饋的實際位置信號之差來對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié);同時永磁同 步電機作為伺服執(zhí)行機構(gòu)，其控制策略通常采用磁場定向的 矢量控制算法，也需要檢測電機轉(zhuǎn)子的位置以進(jìn)行坐標(biāo)變 換。因此，滿足一定精度及速度要求的伺服位置檢測系統(tǒng)必 不可少12。 位置檢測依賴于位置傳感器。常用位置檢測傳感器有 光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。光電編碼器雖然測量精度高，但是起動時需要進(jìn)行轉(zhuǎn)軸定位，抗震性

7、差，難以適應(yīng)惡劣工況;而旋轉(zhuǎn)變壓器具有抗震性好、工作可靠、壽命長、對機械 和電氣噪聲不敏感，耐腐蝕、耐高溫和易實現(xiàn)高速位置檢測等優(yōu)點，非常適合需要快速響應(yīng)和抗沖要求高的調(diào)速系統(tǒng)。 因此，廣泛應(yīng)用在航空、航天、雷達(dá)、坦克火控等軍事裝備，也可用于數(shù)控機床和機器人等民用伺服控制系統(tǒng)。但是，旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出為兩路包含絕對位置信息的高頻調(diào)制模 擬信號，無法被數(shù)字信號處理器直接使用; 故必須對其進(jìn)行 解碼以得到電機轉(zhuǎn)子絕對位置數(shù)字信號，才可輸入到單片機 或 DSP 等控制器中13。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的伺服系統(tǒng)一般使用 閉環(huán)分解器 數(shù)字轉(zhuǎn)換器( DCs) 或開環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ( ADCs) 2 種方式，得到旋轉(zhuǎn)變

8、壓器輸出端的位置和速度 數(shù)據(jù)14。 1.3 研究意義在伺服系統(tǒng)中，往往需要實時地檢測出電動機轉(zhuǎn)子的位置，包括轉(zhuǎn)子的絕 對位置和增量式位置，同時還需要計算出電動機的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)速、 轉(zhuǎn)矩及其位置的高精度控制，以獲取良好的性能15。用來檢測電動機轉(zhuǎn)子位置的角度傳感器主要有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，其中光電編碼器因其數(shù)據(jù)處理電路簡單，容易實現(xiàn)高分辨率，檢測精度高，輸出信號平滑，是今天使用最普遍的位置傳感器，但是需要對電機的動態(tài)模型進(jìn)行精確建模，對電機的參數(shù)有較大依賴性，更重要的是它的抗干擾性差，不宜應(yīng)用在條件惡劣的場合中；相比較而言，旋轉(zhuǎn) 變壓器由于結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，抗干擾性強，能夠應(yīng)用

9、在各種條件惡劣的場合中，從而獲得了越來越廣泛的應(yīng)用16。具體來講，同光電編碼器相比，旋轉(zhuǎn)變壓器 具有以下明顯的優(yōu)點：1.從性能上看，由于旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)部沒有任何電子元件，只有定轉(zhuǎn)子繞組，結(jié)構(gòu) 簡單，堅固耐用，具有很高的可靠性，抗干擾性能好。而光電編碼器內(nèi)部集成了處理電路，有很多電子元器件，其受振動、溫度、腐蝕性氣體、灰塵及油污的影 響較大，性能不穩(wěn)定，并且還受到光源壽命的影響，所以總體來講，它的抗干擾性能差，可靠性低。2.從使用上看，旋轉(zhuǎn)變壓器的安裝尺寸選擇空間較大，尤其是本文總所描述的新 型磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器，體積很小，結(jié)構(gòu)緊湊，更適合用于一體化的電機系統(tǒng)中。從測量精度上來看，雖然光電編碼器具有

10、很高的精度，但是在很多場合中， 旋轉(zhuǎn)變壓器的精度已經(jīng)能夠滿足應(yīng)用的要求。所以，對于在條件惡劣的場合中使用的 伺服系統(tǒng)來說，宜采用旋轉(zhuǎn)變壓器來檢測轉(zhuǎn)子的位置信號。 新能源車可以用于代替由柴油機或汽油機驅(qū)動的傳統(tǒng)車輛，其最大亮點是節(jié) 能環(huán)保。當(dāng)前能夠進(jìn)入市場的新能源車主要有兩種方案，即油電混合動力車 （HEV）和純電動車（EV） ，其中采用電動機作為主要或輔助動力是兩種類型共 有的驅(qū)動模式。在這類車輛中旋轉(zhuǎn)變壓器（亦稱為旋轉(zhuǎn)變壓器或 RDC）和解碼裝旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理電路的設(shè)計與實現(xiàn)。4.置配合可以用于檢測電動機、發(fā)電機的轉(zhuǎn)角位置，電力驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角度以及油 閥控制角度等17。參考文獻(xiàn)1 洪流,江

11、升. 新型旋轉(zhuǎn)變壓器及解碼器總成的原理與應(yīng)用J. 伺服控制. 2012(06) 2 馬中秋. 旋轉(zhuǎn)變壓器及典型集成芯片IRDC1730J. 伺服控制. 2009(06)3 汪木蘭,徐開蕓. 高精度旋轉(zhuǎn)變壓器編碼器電路的研制J. 制造技術(shù)與機床. 2001(11)4 Freistadt Marion , Vaccaro Joseph , Eberle Karen. Biochemical characterization of the fidelity of poliovirus RNA-dependent RNA polymeraseJ. Virology Journal, 2007, 4(1

12、) 5 謝智,馬鈞華. 基于旋轉(zhuǎn)變壓器及TMS320F28035的伺服系統(tǒng)位置檢測J. 輕工機械. 2012(04) 6 儲海燕,許剛. 基于AD2S1200的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路的設(shè)計J. 科學(xué)技術(shù)與工程. 2012(20) 7 Dmitry I. Cherny, Ian C. Eperon, Clive R. Bagshaw. Probing complexes with single fluorophores: factors contributing to dispersion of FRET in DNA/RNA duplexesJ. European Biophysics Journ

13、al, 2009, 38(4). 8 吳紅星,洪俊杰,李立毅. 基于旋轉(zhuǎn)變壓器的電動機轉(zhuǎn)子位置檢測研究J. 微電機. 2008(01)9 謝智，馬鈞華 基于旋轉(zhuǎn)變壓器及 TMS320F28035 的伺 服系統(tǒng)位置檢測 J 輕工機械，2012( 4) :73 76 10 吳紅星，洪俊杰，李立毅 基于旋轉(zhuǎn)變壓器的電動機轉(zhuǎn) 子位置檢測研究 J 微電機，2008( 1) :1 311 呂娜 基于旋轉(zhuǎn)變壓器的電機轉(zhuǎn)子位置檢測電路設(shè)計 J 電氣技術(shù)與自動化，2012( 1) :153 15512 Ming Dengming, Wall Michael , Sanbonmatsu Kevin. Domain

14、 motions of Argonaute, the catalytic engine of RNA interferenceJ. BMC Bioinformatics, 2007, 8(1). 13 儲海燕，許剛 基于 AD2S1200 的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路 的設(shè)計 J 科學(xué)技術(shù)與工，2012( 20) :5044 504614 曹江 基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的 HEV 電動力系統(tǒng)控制器 研究D 哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，200815 Kaplan Craig. The architecture of RNA polymerase fidelityJ. BMC Biology, 2010, 8(1)

15、16 李華德 交流調(diào)速控制系統(tǒng)M 北京: 電子工業(yè)出版 社，200317 Edis Dzananovic, Trushar R. Patel, Grzegorz Chojnowski et al. Solution conformation of adenovirus virus associated RNA-I and its interaction with PKRJ. Journal of Structural Biology, 2014, 185(1)畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告設(shè)計方案：2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器的原理旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變，是一種單相激勵雙相輸出的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。它包括激磁繞

16、組與輸出繞組兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。當(dāng)激磁繞組加以一定頻率的交流電壓進(jìn)行激磁時，輸出繞組的輸出電壓幅值會與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，它主要用于坐標(biāo)變換三角運算和角度數(shù)據(jù)傳輸，也可以作為兩相移相器用在角度 數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置中。圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)工作時，12 作為激磁繞組的原邊。D1D2 和 D3D4 為固定在定子上的兩相相互垂直的正弦繞組; Z1Z2 和 Z3Z4 為固定在轉(zhuǎn)子上的兩相相互垂直的正弦繞組。工作時，D3D4 繞組開路，D1D2 繞組加入激磁電壓，通常以 D1D2 和 Z1Z2 的夾角表示輸入角。設(shè)激磁繞組施加的激磁電壓為:

17、U1 = Um sint ( 1)則輸出繞組 Z1Z2 和 Z3Z4 輸出電壓分別為:Us = KUm sintsin ( 2)Uc = KUm sintcos ( 3)式( 2) 、( 3) 中 K 為變壓器變比，Um 為正余弦繞組感應(yīng)交流電勢的振幅， 為被測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度值。這樣，旋轉(zhuǎn)變壓器就將轉(zhuǎn)子上轉(zhuǎn)角 的輸入信號轉(zhuǎn)化為輸出繞組 Z1Z2 和 Z3Z4兩端輸出的電信號。求解 的典型方法是上面兩式相除。2.2 分離器件搭建的解碼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片雖然有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、易于調(diào)試和可輸出多種信號模式等特點，但是這一類旋轉(zhuǎn)變壓器解碼成本較高，無法取得廣泛的應(yīng)用，然而由分離器件搭建

18、的解碼系統(tǒng)成本低、精度能夠滿足一般應(yīng)用場合的要求，所以取得了廣泛的應(yīng)用。由分離器件搭建的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼系統(tǒng)一般都由以 下幾個部分組成，如圖2 所示。 AD 轉(zhuǎn)換芯片用于將旋轉(zhuǎn)變壓器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 微處理器 用于接收 AD 芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，并運用解碼算法解算轉(zhuǎn)子位置角度。 通信模塊(串口或并口) 用于控制指令和數(shù)據(jù)的通信。圖 2 分離器件搭建的解碼系統(tǒng)框圖2.3 解碼電路設(shè)計采用 XMC4500 作為系統(tǒng)主控芯片，設(shè)計了兩種旋 轉(zhuǎn)變壓器的解碼電路。一種是使用了業(yè)界廣泛應(yīng)用的 AD2S1210 專用解碼芯片進(jìn)行解碼 ; 另一種是借助于 XMC45

19、00 芯片內(nèi)部集成的 DSD 模塊和外部轉(zhuǎn)換芯片 ADS1209 配合使用進(jìn)行解碼。圖2為兩種解碼電路框圖。利用 AD2S1210 解碼 AD2S1210 是最新的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器單片集成 電路，最高能夠輸出 16 位絕對位置信息，最大跟蹤速度 3 125 r/s。相對于前幾代的旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片，它集成了可 編程的正弦波振蕩器，能夠為旋轉(zhuǎn)變壓器提供正弦波激磁，圖2 兩種解碼電路框圖因此不需要搭配外置正弦波勵磁芯片。AD2S1210 在保留串 行通訊輸出接口的同時，增加了并行通訊輸出接口; 速度檢 測輸出由模擬信號升級到數(shù)字信號。以上特點不僅簡化了 其外圍電路設(shè)計，而且功能更加完善，性價比

20、更高。片內(nèi) Type 型閉環(huán)系統(tǒng)負(fù)責(zé)位置的檢測，能夠連續(xù)輸出位置數(shù) 據(jù)，還可以抑制參考信號和輸入信號的諧波失真。 AD2S1210 的 EXC/EXC端產(chǎn)生兩路差分互補的正弦激 磁信號送入旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁繞組;承載位置信息的兩路帶 有高頻載波的正余弦返回信號送入該芯片的 SIN/SINLO、 COS/COSLO 端，分別經(jīng)過 AD 采樣后送入乘法器。由乘法 器、相敏校驗器、數(shù)字濾波器、速度積分器和位置積分器組成 的 Type 型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，計算出轉(zhuǎn)子的位置數(shù)據(jù)送入主 控芯片 XMC4500。圖3 為 AD2S1210 解碼相關(guān)電路。利用 ADS1209 與片內(nèi) DSD 模塊解碼 ADS1209 是雙通道、 16 位 Delta-Sigma 解調(diào)器，能夠輸出 一個比率在0 到1 之間且與輸入速度成比例的數(shù)據(jù)流，提供 給 XMC4500 片內(nèi)DSD模塊進(jìn)