基于AD2S83的角位置检测系统及其在电动助力转向系统中的应用
日期：2008-9-6 0:38:32 来源：中国自动化网
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1 引 言
基于电磁感应原理的旋转变压器(Resolver)，有时又称为解算器，是一种精密控制电机，在电动助力转向系统中，完成轴角位移信息的检测功能。由于它是模拟机电元件，所以，当其用于数字系统中，就需要一定的接口电路，即旋转变压器－数字变换器(RDC)，以实现模拟量信号到控制系统数字量的转换。随着电子技术的飞速发展，美国AD公司已将它发展成为一系列的单片集成电路，从而弥补了过去由分立元件搭成的RDC体积大、可靠性低的不足，给工程应用带来了极大的方便。由旋转变压器和AD2S83就可以构成高精度的电动助力角位置检测系统，而且AD2S83输出的模拟速度信号还可以作为速度反馈信号以构成电动助力转向系统中的速度回路。
2 旋转变压器
旋转变压器是按照电磁感应原理而工作的元件，其定、转子上都有绕组，彼此同心安排，互相耦合联系，旋转变压器采用正交的两相绕组，它主要用于角度位置控制系统中，作为角度位置检测元件。若旋转变压器的励磁电压为E=Esinwt，则正交的A、B两相绕组中感应的电动势为：
其中，θ为旋转变压器的转子转角，是绝对位置。
3 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)，其数字输出分辨率可被用户设置成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1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。
图1
4 角位置检测电路的设计
位置检测电路设计的关键，就是要正确地选择AD2S83的外围元件。下面就介绍AD2S83外围元件的选择。应注意选用量接近理想值的元件，并工作于允许的温度范围内。选用误差等级为5%的元件并不会降低转换器的性能。参见图1。
4．1 高频滤波器元件R1、R2、C1、C2的选择
高频滤波器的作用是消除直流偏置和减少进入到AD2S83信号中的噪声，因为它们影响相敏检测器的输出。在有来自开关电源和无刷电机的噪声时，其作用尤其重要。元件参数
的选择如下：
C1=C2=15k ≤R1=R2≤56k (3)
其中， 为参考频率
当取R2＝R3，C1＝C3时，只R1、C2可以省略。
注意：由于该高频滤波器对输入到相敏检测器的信号有3倍的衰减，因此，它会影响环路的增益。
4．2 增益比例电阻R4的选择
若C1，C2满足(3)式和(4)式，则
当参考频率为400Hz时，带宽的典型值为100Hz，当参考频率为5kHz时，带宽的典型值为500Hz到1000Hz。C4，C5，R5按下式选择：
4.7 偏置调整
积分器输入端的漂移与偏置电流会引起变换器输出端额外的位置漂移，如果能忽略漂移，则可省略R8，R9，否则应取R8＝4.7M ，R9＝1M (电位器)。为了减小零点漂移，首先选择好AD2S83的外围元件，并断开AD2S83与旋转变压器的连接，然后连接COS与REFERENCE INPUT两个引脚，SIN与SIGNAL GROUND两个引脚，加上电源与参考信号后，调节电位器R9，使输出为全“0”。
图2
5 AD2S83在EPS系统中的应用
电动助力转向系统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系统的速度回路是设计这些EPS系统时较好的选择。系统框图见图2。
5.1位置检测单元硬件电路设计及实现
根据系统的性能指标，选择分辨率为12bit，励磁频率为5KHz，最大跟踪频率为260rps，带宽为520Hz。按照上述计算方法选定AD2S83的外围元件后，即可设计出速度反馈与位置检测电路。硬件连接图如下：
在具体实现该电路时应注意十Vs，-Vs 与 ANALOG GROUND 之间，+VL与DIGITAL GROUND之间要分别并联100uF(陶瓷)和lOuF(钽)的去耦电容，它们应尽量靠近AD2S83变换器放置，而且每个变换器都应有自己单独的去耦电容。旋变的两个信号接地端应连到变换器的SIGXAL GROUND管脚，以减少正、余弦信号间的耦合，另外，旋变的正、余弦信号以及参考信号最好分别使用双绞屏蔽线。
5.2 AD2S83与单片机的连接
下面介绍单片机对AD2S83 RDC的操作，在此之前先对AD2S83变换器的控制信号加以简单的说明：
信号只禁止可逆计数器向输出锁存器传送数据，并不打断跟踪环的工作，释放该信号将自动产生一个BUSY，并刷新输出锁存器。
信号决定了输出数据的状态，高电平时，输出数据管脚保持在高阻状态。低电平时，允许输出锁存器中的数据传送到输出管脚上。BYTESELECT输入：无论该信号的状态如何当
为低电平时，低位字节就将出现在数据输出线DB9—DBl6上。当BYTE SELECT为高电平时．高8位字节将出现在数据输出线DBl—DB8上；当BYTE SELECT为低电平时，低8位字节将出现在数据输出线DBl—DB8上．它们同时也出现在DB9—DBl6上。
速度信号：速度信号是由积分器输出的与速度成正比的直流信号，在许多情况下可以使用该信号代替传统的测速发动机。
5.3单片机对AD2S83读取数据的过程：
首先对AD2S83施加
6 结束语
本文介绍了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系统中位置检测系统，并已成功的应用到市科委在汽车学院的EPS项目当中。经实践表明，该系统具有误差小、实时性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点。
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基于电磁感应原理的旋转变压器(Resolver)，有时又称为解算器，是一种精密控制电机，在电动助力转向系统中，完成轴角位移信息的检测功能。由于它是模拟机电元件，所以，当其用于数字系统中，就需要一定的接口电路，即旋转变压器－数字变换器(RDC)，以实现模拟量信号到控制系统数字量的转换。随着电子技术的飞速发展，美国AD公司已将它发展成为一系列的单片集成电路，从而弥补了过去由分立元件搭成的RDC体积大、可靠性低的不足，给工程应用带来了极大的方便。由旋转变压器和AD2S83就可以构成高精度的电动助力角位置检测系统，而且AD2S83输出的模拟速度信号还可以作为速度反馈信号以构成电动助力转向系统中的速度回路。
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2 旋转变压器
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旋转变压器是按照电磁感应原理而工作的元件，其定、转子上都有绕组，彼此同心安排，互相耦合联系，旋转变压器采用正交的两相绕组，它主要用于角度位置控制系统中，作为角度位置检测元件。若旋转变压器的励磁电压为E=Esinwt，则正交的A、B两相绕组中感应的电动势为：
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其中，θ为旋转变压器的转子转角，是绝对位置。
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3 AD2S83简介
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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)，其数字输出分辨率可被用户设置成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1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。
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图1
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4 角位置检测电路的设计
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4．1 高频滤波器元件R1、R2、C1、C2的选择
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高频滤波器的作用是消除直流偏置和减少进入到AD2S83信号中的噪声，因为它们影响相敏检测器的输出。在有来自开关电源和无刷电机的噪声时，其作用尤其重要。元件参数
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的选择如下：
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C1=C2=15k ≤R1=R2≤56k (3)
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其中， 为参考频率
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当取R2＝R3，C1＝C3时，只R1、C2可以省略。
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注意：由于该高频滤波器对输入到相敏检测器的信号有3倍的衰减，因此，它会影响环路的增益。
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4．2 增益比例电阻R4的选择
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若C1，C2满足(3)式和(4)式，则
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当参考频率为400Hz时，带宽的典型值为100Hz，当参考频率为5kHz时，带宽的典型值为500Hz到1000Hz。C4，C5，R5按下式选择：
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4.7 偏置调整
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积分器输入端的漂移与偏置电流会引起变换器输出端额外的位置漂移，如果能忽略漂移，则可省略R8，R9，否则应取R8＝4.7M ，R9＝1M (电位器)。为了减小零点漂移，首先选择好AD2S83的外围元件，并断开AD2S83与旋转变压器的连接，然后连接COS与REFERENCE INPUT两个引脚，SIN与SIGNAL GROUND两个引脚，加上电源与参考信号后，调节电位器R9，使输出为全“0”。
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在具体实现该电路时应注意十Vs，-Vs 与 ANALOG GROUND 之间，+VL与DIGITAL GROUND之间要分别并联100uF(陶瓷)和lOuF(钽)的去耦电容，它们应尽量靠近AD2S83变换器放置，而且每个变换器都应有自己单独的去耦电容。旋变的两个信号接地端应连到变换器的SIGXAL GROUND管脚，以减少正、余弦信号间的耦合，另外，旋变的正、余弦信号以及参考信号最好分别使用双绞屏蔽线。
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5.2 AD2S83与单片机的连接
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为低电平时，低位字节就将出现在数据输出线DB9—DBl6上。当BYTE SELECT为高电平时．高8位字节将出现在数据输出线DBl—DB8上；当BYTE SELECT为低电平时，低8位字节将出现在数据输出线DBl—DB8上．它们同时也出现在DB9—DBl6上。
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