Att med precision fastställa motorns vinkelposition och hastighet med resolver

Elektronisk övervakning och styrning av mekaniska system som industrimotorer, servon, robotteknik och drivlinor för fordon är viktig för att kunna uppnå maximal effektivitet, tillförlitlighet och säkerhet. Effektiv styrning kräver hur som helst fastställande av rotationsvinkel och rotationshastighet med hög precision, vilket är utmanande i en tuff miljö där det förekommer mycket annan elektronik. Lösningen är att använda resolver tillsammans med R/D-omvandlare (resolver till digital) samt operationsförstärkare.

I denna artikel diskuterar vi kortfattat problem associerade med precis axelmätning och -styrning och varför resolvrar kan vara ett bra alternativ i många tillämpningar. Vi kommer att se hur en kombination av resolver, R/D-omvandlare som AD2S1210 från Analog Devices och lämplig drivsignalförstärkare och lämpliga filterkretsar kan ge hög precision, robust positions- och hastighetsmätning samt styrsystem.

Konstruktion av resolver

En resolver är en elektromagnetisk anordning som omvandlar mekanisk rörelse till en analog/elektronisk signal. Den är i stor utsträckning en vridtransformator med en utgång för växelspänning som följer axelns vinkelposition. Resolvern har två delar: en enkellindad rotor som roterar inuti en fast stator. Resolverns primärlindning är placerad på statorn och dess sekundärlindning på rotorn (figur 1).

Figur 1: En resolver med variabel reluktans har två ingångsplintar (R1, R2), två plintar för sinusutgång (S1, S3) och två plintar för cosinusutgång (S2, S4). (Bildkälla: Analog Devices)

De flesta resolverspänningar är specificerade mellan 2 V (rms) och 40 V (rms), med frekvenser från 50 Hz till 20 kHz. Omvandlingshastigheten mellan primär- och sekundärlindningens signalamplitud är mellan 0,2 V/V till 1 V/V. Generellt kräver en resolver med hög prestanda hög ingående spänning, vilket i sin tur gör att det krävs elektronik med högre effekt för att leva upp till högre effektområde och snabbare ändringshastighet. Vinkelnoggrannheten spänner mellan 5 vinkelminuter och 0,5 vinkelminuter, där det går 60 vinkelminuter på en grad och 60 vinkelsekunder på 1 vinkelminut.

I figur 1 är excitationen för referensspänningen (AC) (V_R = E₀SIN(wt)) för rotorlindningen mellan R1 och R2. Den inducerade spänningsmagnituden på en statorlindning är proportionell till sinus för vinkel θ, mellan rotorspolens axel och statorspolens axel. Med referensspänning (AC) för rotor på E₀ sinωt är utspänningen på statorns plint följande:

R1 − R2 = E₀ sinωt Eq. 1

S3 − S1 = T x E₀ sinωt x sin θ Eq. 2

S2 − S4 = T x E₀ sinωt x sin (θ + 90°) = T x E₀ sinωt x cosθ Eq. 3

De två utgående statorsignalerna är axelvinkeln modulerad med sinus och cosinus. En grafisk framställning av sinussignal för excitation med max. amplitud vid 90° och 270°. Signal för sinus- och cosinusutgång har max. amplitud vid 0° och 180° (figur 2).

Figur 2: Resolverns ingående (R1 – R2) och utgående elektriska signal De två utgående statorsignalerna är axelvinkeln modulerad med sinus och cosinus. (Bildkälla: Analog Devices)

En komplett R/D-krets med hög prestanda mäter vinkelposition och hastighet korrekt i avionik, automotive och kritiska industritillämpningar som kräver hög tillförlitlighet över ett stort temperaturområde (figur 3).

Figur 3: En R/D-krets med hög prestanda med utgångsplintar för differentialutgångar (EXC:/EXC) och ingångsplintar för differentialingångar för sinusformad signal och cosinussignal (SIN:SINLO, COS:COSLO). Obs: EXC = EXE i figur 5. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 3 har R/D-kretsen drivkrets för resolverrotor med två driftlägen: låg effekt och hög prestanda. I låg effekt arbetar det enda matningssystemet (+6 V) med lägre strömförbrukning än 100 mA. Hela systemet levererar 3,2 V (rms) (9,2 V p-p) till resolvern. System i läge hög prestanda arbetar med en strömförsörjning (+12 V), som matar resolvern med 6,4 V (rms) (18 V p-p).

Aktiva filter ^av tredje ordern vid R/D-kretsens utgång till resolverrotorns och resolverstatorns utgångar till R/D-kretsens SIN/COS-ingångar minimerar effekten av kvantiseringsbrus i systemet. R/D-kretsens maximala spårningshastighet är 3125 varv per sekund (RPS) i 10-bitarsläge där upplösningen motsvarar 21 bågminuter i 16-bitarsläge. R/D-kretsens maximala spårningshastighet är 156,25 RPS, vilket ger en upplösning på 19,8 bågsekunder.

Att tänka på vid design av signalkedja

R/D-krets AD2S1210WDSTZRL7 från Analog Devices har en programmerbar digital-till-analogomvandlare (DAC) (10, 12, 14 eller 16 bitar) och ) en analog-till-digitalomvandlare (ADC) (10, 12, 14 eller 16 bitar) ^två lågpassfilter av tredje ordern och en resolver. Filter ^av tredje ordern finns vid R/D-omvandlarens utgång in till resolverrotorns plintar R1 och R2. Lågpassfilter ^av tredje ordern hämtar in resolverstatorns sinusformade signal vid S1 och S3 och dess cosinussignal vid S2 och S4. Generellt kräver systemet stor bandbredd, tillräcklig drivkapacitet för uteffekt och möjlighet att växla mellan konfigurationer för låg effekt och hög prestanda.

I denna krets genererar R/D-kretsens interna DAC en 10-, 12-, 14-, eller 16-bitars sinusformad excitationssignal med 3,6 V (topp till topp) i intervallet 3,2 till 4,0 V.

Vid utgång för AD2S1210 finns ^ett tredje orderns lågpassfilter med en AD8692ARMZ-REEL operationsförstärkare (rail-to-rail) från Analog Devices och en AD8397ARDZ-REEL7 strömförstärkare (rail-to-rail) för hög effekt.

Med strömförsörjning (+5 V) är effektområdet för den dubbla operationsförstärkaren AD8692 för lågt brus, CMOS 0,29 till 4,6 V. Motstånd och kondensatorer som omger denna förstärkare implementerar två av tre Butterworth filterpoler. I AD8397 strömförstärkare med hög uteffekt finns implementering för lågeffektsläge och högprestandaläge med omkopplingsbart förstärkningssteg och kapacitet för högre matningsspänning samt lågpassfiltrets tredje pol. Med nätaggregat (+6 V) till AD8397 är effektområdet 0,18 till 5,87 V. Med matningsspänning (+12 V) är uteffektområdet 0,35 till 11,7 V.

På statorns utgångssida ansluter en AD8694ARUZ-REEL fyrdubbel lågbrusoperationsförstärkare (CMOS) (rail-to-rail) från Analog Devices till resolverns stift för SIN (S1 och S3) och COS (S2 och S4). AD8694 ingår i samma familj som den dubbla AD8692 och har utspänning mellan 0,37 och 4,6 V, med nätaggregat (+5 V). Differentialingångarna på omvandlare AD2S1210 R/D (SIN, SOLO, COS, COSLO) har signalområde (topp till topp) för resolverns sinusformade signal och cosinussignal som typiskt är 3,15 V (inom intervallet 2,3–4,0 V).

Idealiskt för detta system är att signalkedjans totala fasförskjutning är n × 180° − 44° ≤ φ ≤ n × 180° + 44°, där n är ett heltal.

Information om R/D-krets

Vid design av signalkedjan behöver det tas hänsyn till amplitud och frekvens, liksom stabilitet och fasförskjutning, medan impedansmodellen för resolverns rotorlindning innehåller resistiva och induktiva element.

Excitationssignalområde för R/D-krets AD2S1210 är 2–20 kHz, i steg om 250 Hz. Excitationssignal som rotorn använder från AD8397 växelverkar med en icke-idealisk induktor och resistiv komponent. En typisk resistiv och reaktiv komponent är 50–200 Ω och 0–200 Ω. Standardrotorns excitationsspänning kan vara så hög som 20 V (p-p) (7.1 V rms), så det är viktigt att ta med max. strömstyrka och max. effektförbrukning för resolverns drivenhet i beräkningen. För att klara av denna växelverkan har AD8397 hög utgående strömstyrka (310 mA topp till 32 Ω av ±12 V spänningsmatning), brett spänningstillförselområde (24 V), paket för låg termisk resistans (8 stift SOIC EP, θ_JA = 47,2 °C/W) och utspänning rail-to-rail.

Resolver med tredje orderns filter ^och drivkretsar för excitation

Intern DAC AD2S1210 genererar utgående excitationssignaler (EXC), som producerar kvantiseringsbrus och distorsion (figur 4).

Figur 4: 10 kHz utsignal uppmätt vid utgående stift på AD2S1210 EXC för excitation. (Bildkälla: Analog Devices)

Om utgående brus är ofiltrerat sprids det enligt figur 4 för EXC-stift D2S1210 över resolvern och återkopplar till stift SIN, SINLO, COS och COSLO för AD2S1210.

Var också mycket uppmärksam på förstärknings- och signalnivå i excitationskretsen så att utgångsdrivenhet AD8397 inte mättas. Filter och effektförstärkarsteg för utgående signal för AD2S1210 uppfyller de mycket tuffa kraven för resolverns induktiva ingångssteg (figur 5).

Figur 5: Drivenhets- och filterkrets för excitation mellan R/D-kretsens EXC-utgångsplintar och R1-ingångsplint. Obs! EXE = EXC i figur 2. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 4 är DC-förstärkning för AD8692 filterkrets −1 V/V. Analog Devices ADG1612BRUZ-REEL fyrdubbel SPST-brytare S1 stänger för att skapa villkor för hög prestandaläge med hög VCC (≥ +12 V). När S1 är stängd är förstärkningen för AD8397 drivsteg är cirka 2,5 V/V. Förstärkningen med 2,5 V/V kan skapa en 10 V utgång (p-p) från en 4,0 V EXE-ingång (p-p). I lågeffektläge med S1 öppen motsvarar förstärkningen 1,28 V/V. I denna konfiguration producerar en 4,0 V EXE-ingång (p-p) en 5,12 V utgång (p-p).

Konfigurationen för AD8692 är tredje orderns lågpassfilter (Butterworth) med multipel återkoppling (MFB). Som en tumregel är förstärknings-bandbreddsprodukten (GBWP) minst 20 gånger det aktiva filtrets gränsfrekvens på −3 decibel (dB). Gränsfrekvensen är 88 kHz i figur 5 och GBWP för AD8692 är 10 MHz, vilket är 113 gånger gränsfrekvensen. Fasförskjutningen för denna krets är typiskt 180° (±15°). I kretsen i figur 4 är gränsfrekvens (−3 dB) 88 kHz och fasförskjutningen är −13° vid 10 kHz.

Den dubbla operationsförstärkaren AD8692 fungerar som tredje orderns ^aktivt Butterworth-filter som reducerar drivenhetens signalbrus (figur 6).

Figur 6: Efter att R/D-omvandlarens utsignal passerar genom drivenhet och filter för excitation reduceras bruset på signalen avsevärt så att det är redo för resolveringång vid R1. (Bildkälla: Analog Devices)

Data i figur 6 visar en avsevärd reducering i kvantiseringsbrus för intern DAC i AD2S1210.

På samma sätt använder mottagarkretsar för SIN (S1 och S3) och COS (S2 och S4) två fyrdubbla operationsförstärkare AD8694 som aktivt brusfilter. Sammanlagd fasförskjutning mellan EXC-stift (CH1 gul) och SIN-ingångsstift (CH2 blå) på AD2S1210 är cirka 40°, vilket är mindre än max. riktvärde på 44° (figur 7).

Figur 7: Det finns en fasförskjutning för signalen som orsakas av analog drivkrets och analogt filter in till resolveringång, resolver och analogt filter tillbaka till R/D-omvandlaren. Skärmdump för omfång illustrerar fasförskjutning mellan stift EXC och SIN på AD2S1210. (Bildkälla: Analog Devices)

Systemprestanda

Utvärderingskretsen i denna artikel använder kretskort EVAL-CN0276-SDPZ och styrkort för systemplattform EVAL-SDP-CB1Z från Analog Devices (figur 8).

Figur 8: Funktionsdiagram för provuppställning motsvarande den i figur 4, 6, 7, 10 och 11. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 8 medger 120-stifts sammankopplade kontakter mellan de två korten snabb prestandautvärdering för uppställning och krets.

På EVAL-CN0276-SDPZ finns hela kretsen, och EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B) – tillsammans med CN-0276 utvärderingsprogramvara – utväxlar data från EVAL-CN0276-SDPZ (figur 9).

Figur 9: På EVAL-CN0276-SDPZ PC-kort finns komplett krets för R/D-omvandlare. (Bildkälla: Analog Devices)

Med brusmätning av det övergripande systemet genererar en fast position till resolvern (Tamagawa TS2620N21E11) ett histogram för utgångskod. Histogram för utgångskoder för AD2S1210 för 10-bitars och 16-bitars lägen för vinkelnoggrannhet visar kombinationen av sändande DAC och motagande ADC (figur 10 och 11). I denna artikel har resolver TS2620N21E11 fasförskjutning 0° och omvandlingshastighet 0,5. Utgående sinusformad last (SIN) och cosinuslast (COS) är lika stora och är minst 20 gånger större än resolverns utgångsimpedans.

Figur 10: EXE-sändning i 10-bitars vinkelnoggrannhetsläge, SIN/COS-mottagning med 16-bitars ADC-upplösning. (Bildkälla: Analog Devices)

Figur 11: EXC-sändning i 16-bitars vinkelnoggrannhetsläge, SIN/COS-mottagning med 16-bitars ADC-upplösning. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 10 och 11 är VCC 12 V, vilket gör att R/D-omvandlarens alla 16 bitar är i läge för hög prestanda.

Slutsatser

Kombinationen av resolvrar och en R/D-omvandlare som AD2S1210 från Analog Devices ger hög precision, robust motorstyrsystem för styrtillämpningar för position och hastighet i potentiellt tuff miljö.

För att kunna leverera bästa möjliga övergripande prestanda kombineras AD8694 och AD8397 för att skapa buffert-/filterkretsar som förstärker excitationssignalerna och ger korrekt drivkrets för resolvern, liksom filtrering och återkoppling av sekundärsignaler. Med den variabla upplösningen, referensgenereringen och diagnostik på chip för AD2S1210 är R/D-omvandlaren en idealisk lösning för resolvertillämpningar.