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旋轉變壓器信號處理的低成本、高分辨率方案 
(發(fā)布日期:2011-6-1 13:49:42) 來源:
 
    旋轉變壓器(resover)包含三個繞組,即一個轉子繞組和兩個定子繞組。轉子繞組隨馬達旋轉,定子繞組位置固定且兩個定子互為90度角(如圖1所示)。這樣,繞組形成了一個具有角度依賴系數(shù)的變壓器。



圖1:旋轉變壓器及其相關信號
將施加在轉子繞組上的正弦載波耦合至定子繞組,對定子繞組輸出進行與轉子繞組角度相關的幅度調制。由于安裝位置的原因,兩個定子繞組的調制輸出信號的相位差為90度。

通過解調兩個信號可以獲得馬達的角度位置信息,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“反正切”函數(shù)求出角度值。由于一般情況下要使用DSP進行算術處理,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用產品,然而其價格昂貴,對于大多數(shù)應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,檢測輸出信號中載波頻率的峰值來觸發(fā)模數(shù)轉換器(ADC)。如果總是在這一時間點轉換調制信號,則將消除載波頻率。由于更高分辨率的增量累加(Δ-∑)ADC總是在一段時間內對信號進行積分采樣,因此它將不僅僅轉換峰值電壓,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,必須在合適的時間點觸發(fā)轉換過程,且ADC必須對信號進行同步轉換。這樣不僅增加了成本,且分辨率有限。

新概念的理論依據

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

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

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

AMC1210具有四個通道,每個通道均提供如圖2所示的濾波器結構。



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

首先,AMC1210中的正弦濾波器對調制器的位流進行濾波,以將其轉換為中等分辨率、中等速率的數(shù)據字。對ADS1205而言,最高效的三階正弦濾波器的過采樣率(OSR)為128。過采樣率超過128時,OSR每增加一倍,信噪比僅增加3dB。在解調過程后利用積分器可以達到同樣的效果,而且還能縮短濾波器的延遲時間。

將OSR設為128時會產生一個14位的數(shù)字調制信號,其數(shù)據速率為:




該等式中,fmod表示調制器的時鐘頻率,該時鐘頻率在調制器中降為原來的一半。在下例中,當時鐘信號頻率為32.768MHz時,三階正弦濾波器的數(shù)據速率為128kHz
 
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