【導讀】在工業(yè)和消費領(lǐng)域的電機控制應用中，設計人員常常會面臨由傳統(tǒng)的電機控制方法所造成的扭矩失步、裕度不足、電量消耗和發(fā)熱量過大、噪音和振動難以消除等問題。為此瑞薩電子推出了一款基于旋轉(zhuǎn)變壓器的電機控制解決方案，它可有效應對上述問題，并適應各種復雜的工作環(huán)境以實現(xiàn)電機的精密控制。
首先，我們來看看什么是旋轉(zhuǎn)變壓器呢？旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver），是一種電磁式傳感器，用來測量旋轉(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。對輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計算反正切值，即可得到轉(zhuǎn)子當前的角位移，角位移對時間的微分即為轉(zhuǎn)速。
旋轉(zhuǎn)變壓器依靠其特殊的構(gòu)造和原理，成為了一種精密角度、位置、速度檢測裝置，能夠很好地適應高溫、嚴寒、潮濕、粉塵、高速（8000r/m以上）、高震動等其他編碼器無法正常工作的場合，更具備比較高的位置精度，而且比其他傳感器擁有更長的使用壽命。由于旋轉(zhuǎn)變壓器以上特點，可完全替代光電編碼器，被廣泛應用在伺服控制、機器人系統(tǒng)、機械工具、汽車、電力、冶金、紡織、印刷、航空航天、船舶、兵器、電子、冶金、礦山、油田、水利、化工、輕工、建筑等領(lǐng)域的角度、位置檢測系統(tǒng)中。
1 瑞薩旋變電機控制方案
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)變壓器電機控制解決方案。該方案可廣泛適用于工業(yè)和消費應用的電機控制系統(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)變壓器的信號處理為角度信息，RX MCU同時還可以控制電機運轉(zhuǎn)。RX MCU上提供了RDC IC專用驅(qū)動程序，使用API接口就可以輕松地執(zhí)行旋轉(zhuǎn)變壓器處理。
2 瑞薩RDC IC的主要特點
瑞薩RDC IC具備以下幾個主要特點：
首先，瑞薩RDC IC采用了新的相位差檢測方式（Phase error detection method），通過計數(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)變壓器信號中的激勵信號和旋轉(zhuǎn)角度信息生成。相比于傳統(tǒng)的相位跟蹤檢測方式（Phase tracking method），相位差檢測方式可以實現(xiàn)更高精度、更高速的電機實時控制。
傳統(tǒng)的采用PI控制伺服回路的相位跟蹤檢測方式包含頻率特性，因此電機變速時會出現(xiàn)延遲時間。
示例
當使用1KHz作為主要頻率特性時，會出現(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間延遲增加。示例：1.5-8ms＠180°階躍。
而采用瑞薩的相位差檢測方式，由于不關(guān)聯(lián)頻率特性，所以不會出現(xiàn)延遲時間。
→對于劇烈角度變化引起的階躍輸入，可以快速響應（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型和電流檢測型。旋轉(zhuǎn)變壓器必須是單相勵磁兩相輸出型旋轉(zhuǎn)變壓器。不僅可以使用常見的電壓檢測型旋轉(zhuǎn)變壓器，還可使用低成本制造的電流檢測型旋轉(zhuǎn)變壓器。
通過和多對極的旋轉(zhuǎn)變壓器配合，可以200,000 P/R機械角位置的高分辨率實現(xiàn)高位置精度。而且由于RX MCU可以計算電機原點位置，因此不需要電機原點位置的Z相輸出。
通過RDC IC組合RX MCU的方式，由MCU分擔角度計算的部分功能，從而使得RDC IC的電路設計更加簡化，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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