瑞薩高精度旋轉(zhuǎn)變壓器電機(jī)控制方案

什么是旋轉(zhuǎn)變壓器呢？它是一種電磁式傳感器，用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角位移和角速度。如下圖所示，旋變由定子和轉(zhuǎn)子組成，通常轉(zhuǎn)子固定于電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，同步旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似。旋轉(zhuǎn)變壓器定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵(lì)磁電壓。轉(zhuǎn)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(yīng)電壓。

旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的改變，從而輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系。對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算反正切值，即可得到轉(zhuǎn)子當(dāng)前的角位移，角位移對(duì)時(shí)間的微分即為轉(zhuǎn)速。

下面就給大家講講瑞薩高精度旋轉(zhuǎn)變壓器電機(jī)控制方案。

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旋變電機(jī)控制方案

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

上圖是方案的構(gòu)成框圖。在該方案中，RDC IC和RX MCU將來自旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)處理為角度信息，RX MCU同時(shí)還可以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。RX MCU上提供了RDC IC專用驅(qū)動(dòng)程序，使用API接口就可以輕松地執(zhí)行旋轉(zhuǎn)變壓器處理。

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瑞薩RDC IC的主要特點(diǎn)

瑞薩RDC IC具備以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

首先，瑞薩RDC IC采用了新的相位差檢測(cè)方式（Phase error detection method），通過計(jì)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(zhuǎn)變壓器信號(hào)中的激勵(lì)信號(hào)和旋轉(zhuǎn)角度信息生成。相比于傳統(tǒng)的相位跟蹤檢測(cè)方式（Phase tracking method），相位差檢測(cè)方式可以實(shí)現(xiàn)更高精度、更高速的電機(jī)實(shí)時(shí)控制。

傳統(tǒng)的采用PI控制伺服回路的相位跟蹤檢測(cè)方式包含頻率特性，因此電機(jī)變速時(shí)會(huì)出現(xiàn)延遲時(shí)間。

示例

當(dāng)使用1KHz作為主要頻率特性時(shí)，會(huì)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(shí)間延遲增加。示例：1.5-8ms＠180°階躍。

而采用瑞薩的相位差檢測(cè)方式，由于不關(guān)聯(lián)頻率特性，所以不會(huì)出現(xiàn)延遲時(shí)間。

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

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

通過和多對(duì)極的旋轉(zhuǎn)變壓器配合，可以200,000 P/R機(jī)械角位置的高分辨率實(shí)現(xiàn)高位置精度。而且由于RX MCU可以計(jì)算電機(jī)原點(diǎn)位置，因此不需要電機(jī)原點(diǎn)位置的Z相輸出。

通過RDC IC組合RX MCU的方式，由MCU分擔(dān)角度計(jì)算的部分功能，從而使得RDC IC的電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器。

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瑞薩旋轉(zhuǎn)變壓器電機(jī)控制方案的測(cè)試數(shù)據(jù)

電機(jī)扭矩最大化

通過執(zhí)行伺服控制，電機(jī)可實(shí)現(xiàn)扭矩最大化，并支持高速旋轉(zhuǎn)。由于可簡(jiǎn)單地根據(jù)所需扭矩選擇電機(jī)，而不考慮失步裕度，因此與開環(huán)控制方法相比，可縮小電機(jī)尺寸。

低功耗

通過使用旋轉(zhuǎn)變壓器執(zhí)行伺服控制，可以顯著降低待機(jī)電流，并且只消耗負(fù)載所需的電流。此外，還可通過降低電流消耗來抑制電機(jī)的發(fā)熱。

在開環(huán)控制過程中，由于電機(jī)在負(fù)載扭矩為500mNm或更大時(shí)失步，因此沒有獲得任何數(shù)據(jù)。

低噪音、低振動(dòng)

與開環(huán)控制相比，使用旋轉(zhuǎn)變壓器執(zhí)行伺服控制可以顯著抑制中低速范圍的噪聲和振動(dòng)。

審核編輯：黃飛