旋轉(zhuǎn)變壓器及轉(zhuǎn)換器在電動(dòng)軌道車輛中的應(yīng)用

曾重，駱光照，趙君

(西北工業(yè)大學(xué)，西安710072)

    摘要：介紹一種軌道車輛牽引用永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)方法。該方法利用數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S1200實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器的模擬輸出信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換：設(shè)計(jì)了AD2S1200與旋轉(zhuǎn)變壓器和TMS320F2812之間的接口電路，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，重點(diǎn)闡述了轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的數(shù)字處理方法。試驗(yàn)表明，該方案能夠很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

    關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)變壓器；AD2S1200；轉(zhuǎn)子位置；數(shù)字信號(hào)處理器

    中圖分類號(hào)：TM383．2  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1004—7018(2008)12—0034—03

O引  言

    永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、速度及位置的閉環(huán)控制。常用的位置檢測(cè)傳感器有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器：光電編碼器抗沖擊性較差，而旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更能適應(yīng)抗沖擊的要求。因此，在抗震性能要求較高的場(chǎng)合，如永磁同步電動(dòng)機(jī)牽引的軌道車輛中，多使用旋轉(zhuǎn)變壓器。另一方面，旋轉(zhuǎn)變壓器需要外加勵(lì)磁信號(hào)作為輸入信號(hào)，同時(shí)其輸出為兩路正交的模擬信號(hào)，因而必須通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換及運(yùn)算得到對(duì)應(yīng)位置的數(shù)字信號(hào)，方可輸入到控制芯片^[1]。本系統(tǒng)使用AD公司的數(shù)字轉(zhuǎn)換(RDC)芯片AI)2S1200完成旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁信號(hào)的產(chǎn)生及輸出信號(hào)至數(shù)字式****位置信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)采用TI公司TMS320 F2812型數(shù)字信號(hào)處理器作為調(diào)速系統(tǒng)的核心控制芯片，共同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及調(diào)速系統(tǒng)控制。實(shí)驗(yàn)表明該方案可靠易行，具有較好的控制效果。

1數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)的接口電路設(shè)計(jì)

1．1旋轉(zhuǎn)變壓器與AD2S1200的接口電路

    AD2S1200的引腳EXC 與Exc輸出交流勵(lì)磁信號(hào)，勵(lì)磁信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)反相放大及一級(jí)跟隨電路驅(qū)動(dòng)，作為旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵(lì)信號(hào)。該信號(hào)的頻率可通過(guò)引腳FSl和FS2的電平配置。在圖1所示的電路中勵(lì)磁信號(hào)頻率設(shè)置為10 kHz。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是兩路正交的sin信號(hào)和COS信號(hào)，分別引入AD2S1200的sin—sinlo端口和COS—coslo端口。AD2S1200負(fù)責(zé)將兩路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字式****位置信號(hào)，輸出到數(shù)據(jù)總線。圖1電路中各元件參數(shù)：R₁=R₂=R₄=R₅=10 kΩ，R₃=R₆=1KΩ，

 

1．2 AD2S1200與T]VIS3201v2812接口電路

    AD2S1200有=!種模式輸出數(shù)字信號(hào)：并行模式、串行模式及增量編碼器模式^[2]。增量編碼器模式始終保持有效輸出狀態(tài)，并行模式和串行模式可通過(guò)芯片引腳sOE的電平米設(shè)置。使用串行輸出模式工作，系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，與標(biāo)準(zhǔn)sPI接口連接方便，但編程工作量較大；并行輸出模式下芯片直接從數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)字式****位置信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性好，需要編程的工作量小。本系統(tǒng)采用并行模式實(shí)現(xiàn)位置信號(hào)獲取，如圖l所示，充分發(fā)揮并行輸出模式速度快、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)勢(shì)。具體地，AD2S1200將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號(hào)，利用電平轉(zhuǎn)換芯片74LvTl6245將AD2S1200輸出信號(hào)5 V電平轉(zhuǎn)換成DsP的3.3 V電平標(biāo)準(zhǔn)，并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。TMS320砣812通過(guò)讀取該信號(hào)獲得轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置。接口電路原理圖如圖2所示。圖中74LVT245用于轉(zhuǎn)換AD2S1200的故障信號(hào)電平，便于DsP及時(shí)獲取故障信息。

2轉(zhuǎn)子零位標(biāo)定

    電機(jī)轉(zhuǎn)子位置是進(jìn)行矢量控制不可或缺的參數(shù)之一，其檢測(cè)精度直接影響著整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能^[3]。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制中，轉(zhuǎn)子零位置是指轉(zhuǎn)子磁極d軸與定子A相繞組中軸線(α軸)重合時(shí)轉(zhuǎn)子所在處的位置c由于安裝時(shí)機(jī)械角度誤差不可避免，旋轉(zhuǎn)變壓器的零值位置很難與轉(zhuǎn)子零位置嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。因此，必須對(duì)轉(zhuǎn)子零位置進(jìn)行標(biāo)定，以減小位置檢測(cè)誤差。

    轉(zhuǎn)子零位標(biāo)定需要在電機(jī)空載的情況下進(jìn)行，電機(jī)三相繞組通人直流電流^[4]：

式中:I_N是電機(jī)額定電流。

    電機(jī)的三三相繞組按照式(1)通入直流電流時(shí)町得定子電流空間矢量：