[瑞萨RH850学习笔记]——RDC与旋转变压器

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一、旋转变压器基本原理

旋转变压器

使用电磁式方法进行角位移测量的传感器。特点是稳定性高,环境耐受力强,抗干扰能力强,精度较高。

基本原理

  • 本质上是一种变压器,具有一次侧和二次侧
  • 在一次侧施加正弦交变电压,在二次侧可得到频率一样的交流电压。
  • 机械结构上与电机相似,具有定子与转子。
  • 转子上的缺口影响一次侧与二次侧之间的磁导率。
  • 进而,二次侧输出电压幅值与转子相对位置有关
  • 利用以上原理,即可测得转子所处位置

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信号波形

旋转变压器输入及输出信号波形如下图所示。

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其中,“励磁电压”即为前文所述施加在一次侧的一定频率、一定幅值的交变电压;“出力电压”即为二次侧输出的频率与励磁电压一致,幅值变化的交变电压;其中,“出力电压”的包络线与“回转角θ”程正/余弦函数关系,“回转角θ”即为转子相对定子的转动位置。

极对数

根据旋转变压器机械结构的不同,转子上可能有多个孔隙,进而导致出力电压波形与回转角θ呈sin(N*θ)/cos(N*θ)的函数关系(如下图所示,此时N=4),此处的N称为极对数。

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机械角度/电角度

转子在物理上转过一个周期对应的角度θ称为机械角度;
当极对数不为1时,一个正余弦周期内转过的角度换算成0~2π的角度φ称为电角度。

旋转变压器端口

激励信号输入端口R1、R2
旋变信号输出端口S1、S3、S2、S4

旋转变压器基本参数

  • 激励信号特性,包括幅值、频率(R1-R2)
  • 变压比,激励信号/输出信号最大幅值之比
  • 输入阻抗,激励信号输入侧阻抗

旋转变压器输出公式

旋转变压器输入、输出公式如下:

{Us=K×sinθ×sinωtUc=K×cosθ×sinωt { U s = K × sin ⁡ θ × sin ⁡ ω t U c = K × cos ⁡ θ × sin ⁡ ω t

其中,Us 为(S2-S4)信号, Uc为(S1-S3)信号,K为旋转变压器特性“变压比”, θ θ 为回转角, ω ω 为激励信号(R1-R2)频率

二、R/D转换基本原理

角度反馈法

根据旋转变压器输出的信号,计算出回转角θ,并将其数字化存储的过程称为R/D转换。角度反馈法是常见的R/D转换方法。下图为角度反馈法的原理框图。
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原理分析

R/D转换的基本原理如下图所示。
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首先计算“控制偏差” ϵ ϵ ϵ=K×sin(θϕ)×sin(ωt) ϵ = K × sin ⁡ ( θ − ϕ ) × sin ⁡ ( ω t ) ①。其中 sin(ωt) sin ⁡ ( ω t ) 为激励信号, ϕ ϕ 为R/D转换输出的回转角度结果值, θ θ 为旋转变压器检测到的回转角度值。
ϵ ϵ 经过补偿电路(图中COMP)后计算出一个新的 ϕ ϕ 值,将新的 ϕ ϕ 值代回公式①重新计算新的 ϵ ϵ 值,数次迭代之后,将使 ϵ=0 ϵ = 0 ,亦即 θ=ϕ θ = ϕ ,此时计算出的 ϕ ϕ 值即等于回转角 θ θ

控制偏差 ϵ ϵ 的计算

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ϵ=Ksinθsinωt×cosϕ+Kcosθsinωt×sinϕ=Ksin(θϕ)sinωt ϵ = K ⋅ sin ⁡ θ ⋅ sin ⁡ ω t × cos ⁡ ϕ + K ⋅ cos ⁡ θ ⋅ sin ⁡ ω t × sin ⁡ ϕ = K ⋅ sin ⁡ ( θ − ϕ ) ⋅ sin ⁡ ω t
结果①经过比较器(图中CMP)后,被转换为数字量;
再经过同步判断电路(图中SYNCDET),去除激励信号成分 (Ksinωt) ( K ⋅ sin ⁡ ω t ) ,此时 ϵ=sin(ωϕ) ϵ = sin ⁡ ( ω − ϕ ) ②;
结果②输入到补偿电路(图中COMP)进行进一步运算

补偿电路

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控制偏差 ϵ ϵ 首先输入PI补偿器,经过如下公式计算成 ω ω
再输入给积分电路,计算成 ϕ ϕ
ω=(αKp+(βKi)sT)Kvϵ ω = ( α ⋅ K p + ( β ⋅ K i ) s ⋅ T ) ⋅ K v ⋅ ϵ
ϵ=sin(θϕ) ϵ = sin ⁡ ( θ − ϕ ) ,当 θ θ ϕ ϕ 差距较小时, ϵθϕ ϵ ≈ θ − ϕ ;故经过PI补偿器后计算出的 ω ω 值实际上是角速度;角速度经过积分得到角度 ϕ ϕ
式中Kv、Kp、Ki一般可调,T为积分时间常数,s为拉普拉斯变量

三、接口电路

3.1 激励放大电路分析

激励放大电路:放大激励信号(R1、R2)的硬件电路。一般RDC模块直接输出的激励信号不能满足旋转变压器所需激励信号幅值、驱动能力要求,需经放大处理后使用。

励磁电压升压放大电路(单电源供电)

  • 使用单电源供电,电源设计简单
  • 电流反馈型电路,后级故障时不易损坏
  • 放大励磁信号,可提高信噪比

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偏置电压同向跟随器电路

功能:为后级放大电路提供值为1/2 VEXT的偏置电压
输入:VEXT,旋变电路供电电源
输出:1/2 VEXT,偏置电压
参数调整:无
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反相加法器电路

功能:将RSO信号反相,用于经后级放大后,与同相放大信号构成激励信号差分输出
输入:RSO,激励信号;COM,激励信号共模电压;VBIAS,偏置电压
输出:(-RSO)+(COM+VBIAS)
参数调整:无
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电流反馈放大电路(R1)

功能:将同相的RSO信号通过电流负反馈放大,作为差分激励信号的P端(正端),施加给旋转变压器的激励线圈
输入:去除直流分量的RSO信号
输出:同相放大的RSO信号
参数调整:Rf、Rn决定放大比例;
Cn可影响相位;RIEXT影响激励信号电流的大小。
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电流反馈放大电路(R2)

功能:将反相的RSO信号通过电流负反馈放大,作为差分激励信号的P端(正端),施加给旋转变压器的激励线圈
输入:去除直流分量、反相的RSO信号
输出:反相、放大的RSO信号
参数调整:Rf、Rn决定放大比例;
Cn可影响相位;RIEXT影响激励信号电流的大小。
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3.2 激励放大电路调参

旋转变压器参数

Excitation Input(Vref): 激励信号幅值
Input Impedance(Zro): 旋变输入阻抗
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参数调整目标

  1. 调整电流放大倍数,使输入端口两端的电压(R1 – R2)符合旋转变压器激励电压幅值参数。(调整输出幅值)
  2. 调整放大电路滤波元件参数,使激励信号(R1-R2)与监测信号(SINMNT、COSMNT)的相位偏移满足要求。(调整相位偏移)

1.调整输出幅值
Step1. 使用如下公式,计算激励电流IREF
VREF = IREF * ZRO
其中,VREF为激励信号幅值,ZRO为旋变输入阻抗,均由旋变式样书给定。
Step2.通过激励电流计算电路参数(Rf与Rn比值)
IREF = (VRSO × Rf) / RIEXT × Rn)
其中,VRSO为RDC2nRSO引脚输出信号峰峰值(2Vpp);RIEXT为旋变激励电流限定电阻,RIEXT ≤ (ZRO/10) [Ω];其他限定条件包括Rf ≥ 50 kΩ, Cn × Rn ≥ 5 × 10-4 [s], Cf × Rf ≤5 × 10-6 [s]。
根据以上条件及计算出的Rf与Rn比值,可以确定一组Rf、Rn、Cf、Cn的参数。

※由于电路采用电流反馈,计算得出的输出幅值可能与实际不同,需结合实际电路微调参数
输出幅值检测方法

  • 将电路输出的R1、R2端口与旋变传感器的R+、R-端口连接
  • 使用示波器两个通道Ch1与Ch2,分别量取R1、R2对地电压波形
  • 使用示波器数学计算(Math)功能,将R1与R2的波形相减,波形显示于通道Chm
  • Chm通道显示的波形即为激励信号波形,其峰峰值(Vpp)即为预期中的旋变激励信号幅值VREF;其中,VREF单位一般为Vrms,Vpp=√2 * Vrms
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2.调整相位偏移
激励信号(R1-R2)与监测信号(SINMNT、COSMNT)之间的相位偏移将导致角度误差。调整激励放大电路中Cf参数可以改善相位偏差,同时需遵守Cf × Rf ≤5 × 10-6 [s]的限定条件。
相位偏移测量及计算方法
旋转转子至零度位置,SINMNT和COSMNT输出波形如有图所示。使用示波器光标测量R1、R2的交越点与SINMNT、COSMNT交越点处的时间差,记作Ts,激励信号周期作D。
相位偏移量Ps[deg]= 360[deg] * (Ts[us]/D[us])。
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3.3 旋变输入电路分析

旋变输入电路(单电源供电)

  • 减法器电路
  • COSMNT = (S1-S3)x(RF/(RIN+600))
  • SINMNT = (S2-S4)x(RF/(RIN+600))
  • Cc:共模滤波电容;CN:差模滤波电容
  • RH/RL用于检测断线的直流偏置电阻
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3.4 旋变输入电路调参

调参目标:
COSMNT/SINMNT的峰峰值Vpp在2~3V之间
计算RIN:
Vcosmnt或Vsinmnt = VIN x (RF/(RIN+600))
其中,RF约为21K,VIN为(S1-S3)或(S2-S4)。
计算RH/RL:
作为断线检测电阻,RH和RL取值应在如下公式计算值的80%~100%之间
RH ≈ {(RVDD – VCOM) / (22.0 × 10-6)} –RIN
RL ≈ {VCOM) / (22.0 × 10-6)} –RIN
其中RVDD为旋变电路供电电压,VCOM为RVDD/2
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四、RDC2模块介绍

RDC2模块

RH850/C1x芯片内建了R/D转换模块,称为RDC2。
其中,RH850/C1H芯片有两个RDC2通道;RH850/C1M芯片中只有一个RDC2通道。
RDC2模块实现的基本功能为:将包含旋转变压器转角信息的模拟量转换为最高16位精度的数字量。
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RDC2模块的具体功能如下表
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