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旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)處理的低成本、高分辨率方案

(發(fā)布日期：2011-6-1 13:49:42) 來(lái)源：

旋轉(zhuǎn)變壓器(resover)包含三個(gè)繞組，即一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組和兩個(gè)定子繞組。轉(zhuǎn)子繞組隨馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，定子繞組位置固定且兩個(gè)定子互為90度角(如圖1所示)。這樣，繞組形成了一個(gè)具有角度依賴系數(shù)的變壓器。

圖1：旋轉(zhuǎn)變壓器及其相關(guān)信號(hào)
將施加在轉(zhuǎn)子繞組上的正弦載波耦合至定子繞組，對(duì)定子繞組輸出進(jìn)行與轉(zhuǎn)子繞組角度相關(guān)的幅度調(diào)制。由于安裝位置的原因，兩個(gè)定子繞組的調(diào)制輸出信號(hào)的相位差為90度。

通過(guò)解調(diào)兩個(gè)信號(hào)可以獲得馬達(dá)的角度位置信息，首先要接收純正弦波及余弦波，然后將其相除得到該角度的正切值，最終通過(guò)“反正切”函數(shù)求出角度值。由于一般情況下要使用DSP進(jìn)行算術(shù)處理，因而需要將正弦及余弦波數(shù)字化。目前市面上有幾種具備這些功能的專(zhuān)用產(chǎn)品，然而其價(jià)格昂貴，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言需要尋求其他替代方案。

目前有一種最為常用的方法是，檢測(cè)輸出信號(hào)中載波頻率的峰值來(lái)觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。如果總是在這一時(shí)間點(diǎn)轉(zhuǎn)換調(diào)制信號(hào)，則將消除載波頻率。由于更高分辨率的增量累加(Δ-∑)ADC總是在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分采樣，因此它將不僅僅轉(zhuǎn)換峰值電壓，因而需要采用諸如TI ADS7861或ADS8361等逐次逼近ADC，分辨率也被限制在12~14位。

這種方法還需要使用幾種電路模塊，必須生成合適的正弦載波，必須在合適的時(shí)間點(diǎn)觸發(fā)轉(zhuǎn)換過(guò)程，且ADC必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換。這樣不僅增加了成本，且分辨率有限。

新概念的理論依據(jù)

新概念使用過(guò)采樣方法，并將解調(diào)移至數(shù)字域內(nèi)，調(diào)制信號(hào)的過(guò)采樣采用雙通道Δ-∑調(diào)制器ADS1205，數(shù)字濾波器芯片AMC1210用于調(diào)制器輸出的解調(diào)和抽取(decimation)。

調(diào)制器僅產(chǎn)生位流，這不同于ADC中的數(shù)字概念。為了輸出相當(dāng)于模擬輸入電壓的數(shù)字信號(hào)，必須使用數(shù)字濾波器來(lái)處理位流。正弦濾波器是一種非常簡(jiǎn)單、易于構(gòu)建且硬件需求最少的一種濾波器。

那些頻率為調(diào)制器時(shí)鐘頻率除以過(guò)采樣率所得值的整數(shù)倍的信號(hào)將被抑制，這些被抑制的頻率點(diǎn)稱為陷波(notch)。在此新概念中，積分器的抽取率設(shè)定的原則是使載波頻率落入到某一陷波頻率。但首先需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，否則角度信息將與載波頻率一起被忽略。該任務(wù)由AMC1210完成。

AMC1210具有四個(gè)通道，每個(gè)通道均提供如圖2所示的濾波器結(jié)構(gòu)。

圖2：AMC1210的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)
AMC1210也可用于測(cè)量電流。在本例中，我們將比較器濾波器(comparator filter)用于過(guò)電流保護(hù)，能夠在低分辨率情況下實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)(如圖中藍(lán)色部分所示)。黃色部分在較低采樣率情況下能夠產(chǎn)生更高分辨率的輸出，這部分用于控制環(huán)路。根據(jù)應(yīng)用的需要，在這里可以使用正弦濾波器及積分器來(lái)優(yōu)化濾波器的結(jié)構(gòu)。此外，該通路還可用于濾波及解調(diào)。

首先，AMC1210中的正弦濾波器對(duì)調(diào)制器的位流進(jìn)行濾波，以將其轉(zhuǎn)換為中等分辨率、中等速率的數(shù)據(jù)字。對(duì)ADS1205而言，最高效的三階正弦濾波器的過(guò)采樣率(OSR)為128。過(guò)采樣率超過(guò)128時(shí)，OSR每增加一倍，信噪比僅增加3dB。在解調(diào)過(guò)程后利用積分器可以達(dá)到同樣的效果，而且還能縮短濾波器的延遲時(shí)間。

將OSR設(shè)為128時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)14位的數(shù)字調(diào)制信號(hào)，其數(shù)據(jù)速率為：

該等式中，fmod表示調(diào)制器的時(shí)鐘頻率，該時(shí)鐘頻率在調(diào)制器中降為原來(lái)的一半。在下例中，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)頻率為32.768MHz時(shí)，三階正弦濾波器的數(shù)據(jù)速率為128kHz

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