永磁同步電動機控制系統的關鍵技術之一是轉子位置的檢測，只有檢測出轉子實際空間位置（絕對位置）后,控制系統才能決定變頻器的通電方式、控制模式及輸出電流的頻率和相位,以保證永磁同步電動機的正常工作。因此在采用轉子磁場定向控制方式的永磁同步電機控制系統中, 轉子位置的精確可靠檢測是實現矢量控制技術的關鍵。 　　 在常用的光柵編碼器、霍爾傳感器和旋轉變壓器等轉子位置傳感器中, 旋轉變壓器具有耐高溫、耐濕度、抗沖擊性好、抗干擾能力強等突出優點，從而可以精確可靠的產生轉子絕對位置信息, 因此適用于永磁同步電機數字控制系統, 滿足其應用系統高性能、高可靠性的要求。 本文提及的永磁同步電機控制系統使用日本多摩川公司的正余弦轉變壓器檢測電機轉子的位置, 采用新型的旋轉變壓器/數字轉換器ad2s80a將旋轉變壓器輸出的模擬信號轉換為數字信號。分析了ad2s80a的工作原理,設計了位置信號檢測電路，并給出了與數字信號處理器tms320lf2407a的spi通訊接口方法及程序示例。 旋轉變壓器的基本原理 　　 旋轉變壓器（簡稱旋變）是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正、余弦函數關系，這種旋轉變壓器又稱為正余弦旋轉變壓器。 　　 在電機控制系統中，用于測量位置信息的旋轉變主要是正余弦旋轉變壓器。本系統中所采用的是日本多摩川公司的正余弦旋轉變壓器。這種旋變由轉子和定子繞組構成，并且兩者相互獨立，一次和二次極線圈都繞在定子上，轉子由兩組相差90°線圈組成，采用無刷設計。圖1是其電氣示意圖。 [align=center] 圖1　旋轉變壓器電氣示意圖[/align] 旋變的輸入輸出電壓之間的具體函數關系如下所示: 　　 設轉子轉動角度為θ，初級線圈電壓（即勵磁電壓）為: er1-r2＝esin2πft 式中 f——勵磁頻率; e——信號幅度。 那么輸出電壓 es1-s3＝kesin2πftcosθ es2-s4＝kesin2πftsinθ 式中 k——傳輸比; θ——轉子偏離原點的角度。 　　 令θ＝ωt,即轉子做勻速運動， 那么其輸出信號的函數曲線可表示為圖2所示。 [align=center] 圖2　旋轉變壓器輸入輸出波形[/align] 圖2中，輸出的電壓包絡信號為為sinωt和cosωt，數字轉換器就是通過檢測這兩組輸出信號獲取旋變位置信息的。 位置檢測轉換電路設計[1-2] ad2s80a 芯片簡介 　　 ad2s80a是ad公司的rdc芯片ad2s80系列的一種，具有精度可調、可靠性高、狀態和控制信號數字化、易與微控制器dsp相連等優點，可用于自整角機、旋轉變壓器、感應同步器的數字轉換。其封裝形式有40管腳的dip和44管腳的lcc方形兩種。ad2s80a的分辨率有10、12、14、16 bit幾種可選,可由引腳sc1 和sc2 的邏輯狀態來決定。通過選擇不同的外接電阻和電容,可得到不同的帶寬和跟蹤速率。 ad2s80a轉換電路的設計 　　 由旋轉變壓器的原理可知,要使旋轉變壓器正常工作,在其轉子端必須施加一個正弦激勵。本系統中正弦激磁信號由intersil公司的icl8038芯片產生，根據永磁同步電動機控制系統的實際情況,激磁信號選取為10 khz的正弦波（即ad2s80a的參考頻率），ad2s80a的分辨率選為16 bit,最大跟蹤速度為16. 25 r/ s,帶寬為600 hz。由這些性能指標,根據公式可以選出外圍電路元件。關于計算公式,這里不再敘述。 [align=center] 圖3　ad2s80a外圍電路連接框圖[/align] 圖3示出旋轉變壓器/數字變換器（rdc）的內部原理框圖和外圍電路。根據reference i/p引腳引入的正弦信號sin和余弦信號cos以及sin引腳輸入的調制信號,實現絕對角度測量。 　　 由圖3可知,ad2s80a作為一個跟蹤轉換器運行,數碼輸出能以選取的最大跟蹤速率自動跟蹤軸角輸。因為它采用一種比率式跟蹤方法,輸出的數字角度只與輸入的sin和cos信號比值有關,而與他們的絕對值無關,故ad2s80a對輸入信號的幅值和頻率變化不敏感,也不必使用精確、穩定的振蕩器來產生參考信號。轉換環路中相敏檢測器確保了對參考信號中的正交分量有很高的抑制能力。因具有高的噪聲抑制比,可以減少從旋轉變壓器到轉換器rdc遠距離長線帶來的誤差。16條數據線輸出口有三態輸出數據鎖存功能,通過對byte select引腳的控制,可向8 bit或16 bit數據總線傳輸。 位置檢測模塊與dsp的spi通訊 　　 在永磁同步電機的控制系統中，為了簡化電路的設計，提高位置信息讀取速度，轉子位置信號采用spi串行通訊模式傳輸到dsp中，而ads2s80a輸出的數據為16位的并行數據，為了實現與dsp的spi通訊，需要把ads2s80a輸出的并行數據轉化為串行數據。 并行數據轉串行數據 　　 并行數據轉化為串行數據通過74hc165芯片實現。此款芯片同時只能轉換8位數據，而ad2s80a輸出的數據為16位，從而需要將兩片74hc165進行級聯以實現16位并行數據轉化為串行數據輸出。74hc165的數據傳輸時序圖如圖4所示。 [align=center] 圖4　7hc165數據輸出時序圖[/align] 由圖4可以看出，當clk inh為高電平時，數據不能輸出，當clk inh 變為低電平后，在下一個脈沖的上升沿，數據才移位輸出。并且，當sh/ld為低平時，并口輸出的數據被采集進來，當其變為高電平后，數據被鎖存。從而可以用一個反相器將clk inh的輸入信號反相后再接入sh/ld，這樣當clk inh 為高電平時，并口輸出的數據被采集到片內，當clk inh 為低電平后，在下一個脈沖上升沿，數據開始移位輸出，而clk inh可以作為spi通訊的片選信號。 spi通訊的實現 　　 dsp與位置信號檢測模塊進行spi通訊時，采用從模式，通訊時鐘由位置檢測模塊提供[3]，本系統中時鐘頻率為1mhz。圖5給出了dsp與位置檢測模塊spi通訊連接示意圖。 [align=center] 圖5　位置檢測模塊與dsp的連接示意圖[/align] 由于dsp的spi通訊模式為從模式，dsp接收數據時需要先被選通，本系統中通過一個i/o口，給spitie一個低電平選通dsp，同時，由于clkinh也變為低電平，74hc165開始串行移位輸出采集的并行數據，數據傳輸完畢，再給spite一個高電平，停止接收數據，同時74hc165開始采集ad2s80a輸出的并行數據。這樣就實現了dsp與位置檢測模塊的spi通訊。 　　 需要注意的一個問題是，在進行spi通信時，數據采集的時序可能不同步，即:dsp接受的數據與實際值相比，向右或左平移一位。為了防止數據丟失，可以進行如下處理:在選通dsp的片選信號之前，可以先檢測74hc165的脈沖信號，在檢測到此脈沖的下降沿后，延時大約一個脈沖周期后，再選通dsp，在這樣的一個脈沖之后的下一個上升沿，數據開始往dsp的spi口傳送，這樣 dsp接收的數據就不會發生移位現象。 下面給出一個dsp與位置檢測模塊spi通訊的參考程序段: 設置spi ldp #0e0h;設置iopc3作為 ;spite or #0808h sacl pcdatdir ldp #0e0h splk #000fh,spiccr splk #00000010b,spictl splk #008fh,spiccr spi通信 spi_wait: ldp #0e1h;檢測脈沖下降沿 lacc pfdatdir and #0000000001000000b bcnd spi_wait，neq rpt #40;延時一個脈沖周期 nop ;根據不同的脈沖 ;選擇不同的值 lacc pcdatdir;選通dsp and #1111111111110111b sacl pcdatdir ldp #0e0h spi_rdy: bit spists,bit6 bcnd spi_rdy,ntc ldp #pcdatdir>>7 lacc pcdatdir or #0000000000001000b sacl pcdatdir ldp #0e0h lacc spirxbuf;輸出位置信號 ldp #6 sacl positon 結語 　　 本文介紹了旋轉變壓器的工作原理，并對高精度旋轉變壓器轉換器芯片ad280a、 外圍電路設計進行了詳細的介紹，并詳細介紹了ad2s80a輸出的并口數據轉串口數據及其與高速數字信號處理器tms320lf2407a進行的spi通訊。這種位置信號檢測電路用到永磁同步電動機控制系統中,構成了一種高精度、高可靠性的位置檢測單元。實際運行結果表明:該方法精度高、所用器件體積小、抗干擾能力強、有較高的可靠性,特別適用于惡劣環境的位置檢測系統中,具有很高的應用價值。