旋转变压器及旋变解码芯片RDC

本篇博文主要介绍旋转变压器的类型与结构及其工作原理；介绍旋变-数字转换（RDC）芯片以及对旋转变压器输出信号的解码工作原理；介绍ADI公司生产的AD2S1200旋变-数字转换芯片，该部分包括介绍该芯片的主要特性，管脚配置及其功能，以及AD2S1200的数据输出过程和励磁输出。

1 旋转变压器介绍

旋转变压器（Resolver）是一种电磁式传感器，它主要用于角度位置和角速度的测量。旋转变压器由安装时固定不动的定子和安装在轴上的转子组成。旋转变压器的工作原理相似于普通变压器，它的定子和转子可以看成变压器的原边和副边。定子绕组接受外部的励磁电压，而转子绕组则通过电磁耦合产生感生电动势。转子绕组的感生电动势经过解调等处理后可得到转子的转角，从而得到目标结构的轴角位置和角速度等数据。
当外界给予正余弦旋转变压器旋转变压器的定子绕组以一定频率的励磁电压时，转动的转子上的绕组便会输出幅值与转子轴角成正、余弦函数关系的调幅信号。旋转变压器有绕线式和磁阻式之分，也有单极对和多极对之分。通常采用多极对旋转变压器能够提高数据采集的精度。

图 1 旋转变压器实物

图1为赢双公司生产的52XU9733型磁阻式旋转变压器。其主要参数如表1所示：

表- 1 YS 52XU9733主要参数

型号	YS 52XU9733
极对数	3对极
励磁电压	7V(AC)
励磁频率	10kHz
变压比	0.286±10%
精度	≤±45’

2 旋转变压器的工作原理

通常在旋转变压器的的转子中有一组原边绕组，定子中则有两组副边绕组。而在可变磁阻旋变中，转子里没有绕组，取而代之的是原边绕组也在定子上，见图1。不过，凸极性设计的转子能在副边绕组产生与角度位置成正、余弦变化的感生电动势。

图 2 旋变结构示意图

无论是经典旋变还是可变磁阻式旋变，当外界给予如图2-3中R2-R4所示的励磁信号时，转动的旋转变压器将输出如S2-S4、S1-S3所示的正余弦调幅波。

图 3 旋转变压器的励磁输入和正余弦输出

设旋转变压器转子 R1—R2 励磁绕组两端施加的励磁电压为:
${{U}_{R1-R2}}={{E}_{P}}\sin (wt)\tag{ 1 }$
则旋转变压器定子上的 S1—S2和S3—S4绕组输出电压分别为:
${{U}_{S3-S1}}={{E}_{0}}\sin (wt)\sin \theta \tag{ 2 }$
${{U}_{S2-S4}}={{E}_{0}}\sin (wt)\cos \theta \tag{ 3 }$
式中 ， ${{E}_{0}}$–定子上两个绕组感应电动势的幅值， ${{E}_{0}}={{k}_{b}}\cdot {{E}_{p}}$， ${{k}_{b}}$为旋变变比
θ–余弦绕组S3-S4 与转子绕组R1-R2所成的夹角（定子和转子上各有定位线，也可以看成定子与转子的定位线的夹角），即被测转轴量旋转的角度信息。

3 旋变-数字转换芯片简介

在旋变解码方案中，常规的做法是选用旋转变压器的专用RDC芯片来对旋转变压器输出的模拟信号进行解码。旋变-数字转换芯片（Resolver-to-Digital Converter，简称RDC），又称轴角-数字转换器，是一类专为旋转变压器而设计的模数转换芯片。它可以将旋转变压器输出的正比于旋转轴角度正弦值和（或）余弦值的电信号转换成对应于旋转角度和(或)角速度的数字输出。

目前，针对旋转变压器的解码，市场上已有成熟的旋变-数字转换(Resolver to Digital Convertor，简称RDC )芯片，例如美国ADI公司推出的AD2S80、AD2S83、AD2S90、AD2S1200、AD2S1205，日本多摩川公司的AU6802、AU680以及中国重工716研究所生产的ZSZ／XSZ-04系列旋变-数字转换芯片。此类RDC芯片能够直接与旋转变压器相连接，从硬件上直接对旋转变压器输出的模拟信号进行解码，输出相应的轴角位置和转速信息。

4 旋变-数字转换芯片工作原理

旋变-数字转换芯片的解码过程见图4。

图 4 RDC芯片解码原理图

旋变-数字转换芯片接收到旋转变压器如式2、式3的正、余弦电压信号后，将它们分别送入高速余弦乘法器和正弦乘法器中，从而得到式4和式5。

$U_{S3-S1}^{''}={{E}_{0}}\sin (wt)\sin \theta \cos \varphi \tag{ 4 }$ $U_{S2-S4}^{''}={{E}_{0}}\sin (wt)\cos \theta \sin \varphi\tag{ 5 }$

继而通过一个减法器，将两式相减，得到式（6）:

$\Delta U={{E}_{0}}\sin (wt)\sin (\theta -\varphi )\tag{ 6 }$

式6所示信号再被送入到检波器中与励磁信号进行同步解调。经过低通滤波器的相敏检波后得到式7所示的差值信号：
$\Delta U'=K\sin (\theta -\varphi )\tag{ 7 }$ 该差值信号经过积分器后移送至压控振荡器。压控振荡器内部会产生数量上与差值信号幅值成一定关系的脉冲序列,可逆计数器对该脉冲序列进行识别并增减计数。由乘法器、检波器器、积分器器、压控振荡器器和可逆计数器组成的闭环反馈系统，使 $\Delta U'$逐渐趋于0。当差值为0时， $\varphi\approx\theta$ ，此时计数器中的计数值就是转子位置所对应的角度值。至此，RDC芯片已将旋变输出的信号进行了解码。

5 旋变解码芯片AD2S1200

5.1 AD2S1200的主要特性

AD2S1200是Analog Devices公司生产的RDC芯片。它采用5V±5%单电源供电，具有12位的分辨率。AD2S1200内置有10kHz、12 kHz、15 kHz、20 kHz频率的可编程正弦波振荡器，可为旋转变压器提供必要的励磁电压，同时也作为芯片内解码的参考，该振荡器的频率可由FS1、FS2来控制。AD2S1200提供并行和串行12位的数据输出端口，可以输出被测对象的绝对位置和速度，最高精度可达±11弧分。

AD2S1200的R/D转换过程是基于Ⅱ型闭环跟踪原理。采用比例跟踪变换技术可实现无转换滞后的持续位置数据输出。在12位分辨率的情况下，其最大跟踪速度可达1000rps。此外，AD2S1200自带系统故障检测，其检测电路可实时监控旋变信号的丢失、输入超程量、输入不匹配或位置跟踪丢失。

5.2 AD2S1200的管脚配置及功能描述

AD2S1200的管脚配及内部功能模块见图5。

图 5 AD2S1200内部功能模块图

AD2S1200经由SinLO、Sin和CosLO、Cos管脚将旋转变压器的正弦、余弦输出信号输送至芯片内解码后，所得的数据分别被送往速度寄存器和位置寄存器，以等待数据输出。此外，位置积分器还将所得的位置数据经编码模拟输出器输出模拟增量式编码器的输出（1024脉冲/转），其中，A、B输出的脉冲信号相位相差90°，NM输出为方向信号。

AD2S1200解码所得的角位置和角速度以二进制数据表示。 $\overline{SAMPLE}$管脚的电平控制数据是否输出，当其电平为低时，芯片将数据输出。而 $\overline{RDVEL}$管脚的电平则控制着输出角位置数据还是角速度数据，当其电平为高时，输出角位置数据，当期电平为低时输出角速度数据。

芯片内部的数据输出总线提供了12位并行接口，还提供了3线串行接口。 $\overline{CS}$为片选管脚，当其电平为低时，则该芯片选中。在 $\overline{CS}$为低的情况下，当 $\overline{SOE}$管脚电平为高时，芯片通过DB0-DB11进行并行输出；当 $\overline{SOE}$管脚电平为低时，芯片通过SO、SCLK进行串行输出，串行输出的最高频率为25MHz。

AD2S1200内置有实时监控误差的模块。任意一路旋变输入信号，经信号检测与最大幅值相比较。当比值低于指定的DOS正弦/余弦阀值时，表示信号恶化，此时DOS输出为低。当出现以下三种情况的任意一种：

1. AD2S1200内部信号误差达到5°时；
2. 输入信号超过跟踪速率上限1000rps（即60000rpm）时；
3. 当内部位置数据（在位置寄存器）与外部位置数据（在位置寄存器）相差超过5°时；

AD2S1200会报告位置跟踪丢失，即LOT输出低电平。DOS和LOT的实时数据也会在串行输出时在数据帧的某一位输出。

REFOUT管脚能输出参考电压，当旋变与AD2S1200通过屏蔽缆进行信号传输时，可用于屏蔽层的接线，以降低信号传输过程中的失真度。

5.3 AD2S1200与主控单片机的通讯

AD2S1200与后端控制器MCU可通过并行接口或串行接口进行通讯。AD2S1200解码所得的角位置数据是12位无符号二进制数，来表示绝对位置。角速度数据则是12位的二进制补码数，其最高位表示旋转方向。
AD2S1200数据输出的时序图如下：

图 6 AD2S1200数据输出时序图

以STM32与AD2S1200的通讯为例，采用SPI进行通讯，其通讯程序如下：

//16位数据前12位为角度信息（MSB在前），后四位从高到低依次是RDVEL、DOS、LOT、PAR
uint32_t R1DataDeliver(void)
{
    uint16_t temp16;
	uint32_t PosVel;
    ASAMP_1=0;
	delay_us(1);
    ARD_1=0;
    ARDVEL_1=1;

	temp16=SPI1_WriteReadByte(0);
	//temp16=SPI1_ReadByte();
	PosVel =temp16;

    ARD_1=1;
	ARD_1=1;
	ARDVEL_1=0;
    ARD_1=0;

	temp16=SPI1_WriteReadByte(0);
	//temp16=SPI1_ReadByte();
	PosVel <<=16;
	PosVel |= temp16;
    	
    ARD_1=1;
    ASAMP_1=1;
	ARDVEL_1=1;
	delay_us(1);
	return PosVel;
}

5.4 AD2S1200的励磁输出

图 7 AD2S1200外围电路总览

AD2S1200的 $EXC$和 $\overline{EXC}$管脚输出的励磁信号为功率很弱，为中值为2.5V、峰峰值为3.6V的正弦信号。为适应各类旋转变压器的不同输入要求，以及能够驱动旋转变压器使旋变能够正常输出正余弦信号，原始励磁信号需要经过如图7(B)所示的励磁缓冲电路。励磁缓冲电路能够对励磁信号进行放大输出。