旋转变压器位置检测在EPS中的应用

旋转变压器位置 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 在EPS中的应用 段廷平 （中原工学院 机械电子工程200800384121） 摘　要: 对角度传感器——旋转变压器的原理以及其数字化检测做了详细的介绍,系统地阐述了旋转变压器角位置检测的几种常用的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,并从中选出一种方法应用到电动助力转向系统当中。简述了旋转变压器数字变换器(RDC)集成电路AD2S83及它们在电动助力转向系统中的应用,达到了该系统对角度测量±1. 2°的精度要求。 关键词: 角度传感器; 旋转变压器数字变换器; 电动助力转向系统 Abstract: Princip le of angular sensor, named resolver is introduced in detail. Several ways to detect the sensor angle position are described. One of them is choosed and applied to the Electrical Power Steering system. The application of resolver 1 to 2 digital converter (RDC) and IC AD2S83 are introduced in electrical power steering system. The system measurement precision is ±1. 2°. Key words: angular sensor; resolver2to2digital converter(RDC) ; electrical power steering ( EPS) system 1　引　言 旋转变压器的应用，近期发展很快。除了传统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外，在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。特别应该提出的是，这些年来，随着工业自动化水平的提高，随着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用，越来越广泛。而永磁交流电动机的位置传感器，原来是以光学编码器居多，但这些年来，却迅速地被旋转变压器代替。可以举几个明显的例子，在家电中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都是向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。目前各国都在非常重视的电动汽车中，电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。例如，驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里，所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上，也是用旋转变压器作为位置速度传感器。以下介绍旋转变压器位置检测在EPS中的应用(参考王栋; 张奕黄; 郭绥登人文献)。 在伺服系统中,通常使用的几种位置测量元件中,增量式编码器结构简单、成本低,但抗干扰能力差,易产生累计误差,无停电记忆功能;绝对式码盘能直接测量绝对位置,有停电记忆功能,但结构复杂、成本较高;光栅检测虽然精度高,但价格昂贵,而且,对工作环境要求较高。 众所周知,旋转变压器作为一种模拟式测角元件,它具有结构简单、成本低、抗干扰能力强、检测精度较高,尤其是对环境适应能力较强等特点,被广泛的应用到航空、军事、工业等随动系统中。近些年,随着汽车工业的发展,旋转变压器也开始应用到汽车工业当中。 本文介绍了旋转变压器的几种数字化检测方法,以及在电动助力转向系统中绝对位置测量中的应用。 2　旋转变压器及其数字化检测方法 2. 1　旋转变压器简介 旋转变压器有2种常用的工作方式: (1)在原边绕组(通常为转子绕组)上施加励磁信号 (1) 式中　U 为励磁电压,V; E为励磁电压幅值,V; ; f为励磁频率, Hz。 从2个在空间正交的副边绕组(通常为定子绕组)上便可以得到幅值被轴位置θ调制的信号 (2)                       式中　U1 , U2 为RSO输出信号电压,V; K为RSO变压比;θ为轴角, ( °) 。 这种工作方式可以根据副边信号的幅值来鉴别轴的位移量。 (2)在空间正交的绕组(通常为定子绕组)上分别施加正交励磁信号 (3)                                 从副边绕组(通常为转子绕组)上可以得到相位被轴位置θ调制的信号 (4)                                           这种工作方式可以根据副边信号的相位来鉴别轴的位移量[ 1 ]。 此外,旋转变压器从结构上也可以分为有刷和无刷2种。无刷旋转变压器是采用一套电磁式“环形变压器”来代替普通的电刷滑环,这样做的目的是使旋转变压器寿命更长,工作更可靠。 2. 2　旋转变压器的数字化检测方法 从上述可以看出:采用旋转变压器检测轴位置的方法是将位置信号调制在参考信号上,调制的方式可以分为调相和调幅2种。 对应以上2种方法,主要有跟踪转换法、函数发生器转换法、锁相转换法、直接转换法等方法,下面就本系统中的应用——跟踪转换法做详细介绍。 跟踪转换法是由数字正/余弦乘法器、相敏解调器、积分器、压控震荡源(VCO) 、可逆计数器构成的数字跟随系统。如图1所示,其输出数字量Φ 能随时跟踪轴位置θ的变化。当转轴处于静止或者以恒定速度旋转时,数字输出Φ等于轴位置θ。 图1　转换原理图 Fig 1　Block diagram of conversion 由于这种跟踪转换法具有实现速度跟踪误差为零的固有特性,所以,这种方法比其他方法更流行。 3　AD2S83角位置检测系统及其在EPS的应用 3. 1　EPS简介 EPS是一个典型的电机伺服系统。在EPS中,汽车转向时,转矩传感器检测到转向盘的力矩和转动方向,将这些信号输送到电控单元,电控单元根据转向盘的转动力矩、转动方向和车辆速度等数据向电动机控制器发出信号指令,使电动机输出相应大小及方向的转动力矩以产生助动力。目前,国外各大EPS研发单位正在开发助力电机为交流电机的EPS,以取代原有的有刷直流电机EPS。 3. 2　AD2S83简介 AD2S83是美国AD公司推出的以BiMOS II工艺制造的,将先进的CMOS逻辑电路与高精度双极线性电路相结合的单片集成电路。它功耗低(300mW) ,其数字输出分辨力可被用户设置成10, 12, 14或16位,并具有速度输出信号可供用户作为速度回路的速度反馈信号使用,以取代测速发电机等测速元件,从而缩小了系统的体积。AD2S83按图2 连接后, 就构成一个工作于II型伺服环的跟踪式RDC,其数字输出能以选取的最大跟踪速率自动跟踪轴角输入,没有静态误差。由于它在把旋转变压器信号转换为二进制时,采用比率式跟踪方法,输出的数字角仅与SIN和COS输人信号的比值有关,而与它们的绝对值大小无关,因此,AD2S83对输人信号的幅值和频率变化不敏感,不必使用稳定、精确的振荡器来产生参考信号,而仍能保证精确度。转换环路中,相敏检测器的存在保证了对参考信号中的正交分量有很高的抑制能力。另外,它抑制噪声、谐波的能力强。AD2S83量突出的优点就在于它可由用户选择相应的参数来优化整个系统的性能。 EPS必须满足很高的实时性和较高的精度要求,同时,要确保其具有高的可靠性。基于无刷旋转变压器与AD2S83集成电路的优点,选用高可靠性的无刷旋转变压器与AD2S83构成这EPS系统角位置检测系统,并以AD2S83的模拟速度输出信号作为速度反馈信号构成EPS的速度回路是设计这些EPS时较好的选择。 图2　AD2S83结构图 Fig 2　AD2S83 structure diagram 3　实验结果 在该系统中,所测量角度将直接影响到电机力矩的输出。要想到理想的手感,力矩的波动最大不越过10 % ,理想情况是低于5 % ,通过仿真及实际试验测出,角度误差在低于1. 2°的情况下,扭拒的波动不会高于5 % ,即对角度的精度要求为1. 2°以内。测试结果如表1所示。 表1　角度与测量误差 Tab 1　Angle and testing error 实际角度 ( °) 测量角度 ( °) 绝对误差值( °) 实际角度 ( °) 测量角度 ( °) 绝对误差值 ( °) 0. 00 0. 00 0. 00 202. 50 201. 70 0. 80 45. 00 22. 77 0.27. 225.00 224.28 0.27 45.00 45.44 0.44 247.50 246.82 0.68 67.50 567.90 0.40 270.00 269.27 0.73 90.00 90.10 0.10 292.50 291.95 0.55 112.50 112.27 0.23 315.00 314.56 0.44 135. 00 134.47 0.53 337.50 337.20 0.30 157. 50 156.73 0.77 360.00 359.91 0.99 180. 00 179.09 0.91 — — —             4　结束语 本文介绍了旋转变压器的数字化检测以及AD2S83RDC集成电路的应用,并设计了由该集成电路和旋转变压器构成的EPS中角位置检测系统。另外,也有通过软件方式实现对旋转变压器的角度测量,但相对旋转变压器的专用IC来讲,专用IC具有很高的可靠性和精度,只是价格较高。 参考文献: [ 1 ] 　陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M ]. 北京:机械工业出版社, 2000. 151 -187. [ 2 ] 李科杰. 新编传感器技术手册 [M ]. 北京:国防工业出版社,2002. 365 - 385. [ 3 ] 顾绳谷. 电机及拖动基础[M ]. 北京:机械工业出版社, 2000.212 - 223. 作者简介: 段廷平(1988 - ) ,男,河南人,学生,学习机械电子工程专业。