6_旋变反馈和R_D转换

旋转变压器反馈和
R/D 转换器
1. 旋转变压器
旋转变压器（简称旋变）由定子铁心，转子铁心，励磁绕组，正弦绕组，和余弦绕组组成。

旋变有有刷旋变和无刷旋变两种结构形式。

有刷旋变的定子铁心装有磁轴互相垂直的正弦绕组和余弦绕组，转子铁心装有励磁绕组，励磁绕组的接线通过导电环和电刷引出。

转子在零位时（θ=0），励磁绕组的磁轴与的磁轴重合而与正弦绕组的磁轴垂直，余弦绕组输出电压V2最大，等于励磁电压V
乘变比K ，而正弦绕组输出电压V1为0。

当旋变的转子转动时（θ≠0），正/余弦绕组输出电压的关系如下：
V1 V
V2
励磁绕组:加励磁电压 V = E 0 Sin ωt 正弦绕组: V1 = KV Sin θ 余弦绕组: V2 = KV Cos θ
金线系列电机安装的旋变为无刷旋变，结构如下： 励磁绕组 环形变压器次级绕组
在上图中，无刷旋变的左侧是环形变压器：旋变的励磁绕组作为环形变压器的原级绕组装在定子磁环上，次级绕组装在转子磁环上。

无刷旋变的右侧是旋转变压器：励磁绕组装在转子铁心上，正/余弦绕组装在定子铁心上。

装在转子铁心上的励磁绕组与装在转子磁环上的环形变压器次级绕组连接。

当将励磁电压加在定子的励磁绕组上时，环形变压器次级绕组感应出的电动势加在转子铁心上的励磁绕组上，使旋转变压器获得励磁而工作。

Kollmorgen公司要求的旋变的规格为：
2.R/D转换器
旋变正/余弦绕组的输出信号虽然与转子的位置θ有关，但它们是模拟量信号，无法在数字系统中应用，必须用R/D转换器将它们转换为数字位置信号才能使用。

CD2系列驱动器采用的是硬件R/D转换器－R/D转换芯片，CD5系列、S600/S300系列驱动器采用的是软件R/D 转换器，分别介绍如下：
（1）硬件R/D转换器的工作原理
硬件R/D转换器的原理框图如图1所示：
图1 硬件R/D转换器的原理框图
硬件R/D转换器是一块芯片，内部由隔离变压器，高速数字正/余弦乘法器，误差放大器相器，频率成形器（积分器），压控振荡器VCO和±1计数器组成。

R/D转换器的工作原理如下：假设±1计数器的当前状态字为Φ，由高速Sin / Cos数字乘法器完成下面的计算：V1 CosΦ = KE0 Sinωt Sinθ CosΦ
V2 SinΦ = KE0 Sinωt Cosθ SinΦ
在误差放大器中完成减法运算：
V1 CosΦ-V2 SinΦ= KE0 Sinωt（SinθCosΦ-CosθSinΦ）
= KE0 SinωtSin（θ-Φ）
鉴相器，积分器（频率成形）和压控振荡器（VCO），构成寻找Sin（θ-φ）零点的闭环控制：如果Φ≠θ，产生误差电压，经VCO产生计数脉冲对±1计数器进行计数，来减少
θ-Φ的差值，直到Φ=θ，误差为0，不再产生计数脉冲。

此时计数器的状态输出Φ就是旋变转子的当前位置θ。

R/D转换器的输出和输入有：
①计数器状态输出Φ：旋变转子的绝对位置输出。

②忙信号输出M：M=1时，表示VCO正在对±1计数器进行操作。

此时计数器输出的
状态不可信，应在M=0时读取输出。

M信号同时可以作为旋变转子的增量位置输出。

③模拟量输出U V：积分器输出，比例于dθ/dt。

可作为测速计输出。

④开关量输入JZ：当JZ为低电平时禁止计数器计数。

在读计数器的输出时，令JZ=0，
防止读数有误。

它的作用与忙信号输出M类似。

可见旋变信号经R/D转换器转换为旋变转子（也是电机转子）一转内的绝对位置Φ。

R/D转换器产生的绝对位置在驱动器中可以用PRD值显示。

±1计数器的位数就是转子绝对位置的位数，或称为R/D转换器的分辨率。

例如，16位的R/D转换的分辨率为65536 counts/r。

在ServoStar驱动器中，R/D转换器的分辨率RDRES根据电动机的转速自动转换：如果VLIM ≥ 6101 RPM，则RDRES = 12（PRD = 0–4095；与之对应的PFB = 0–65535 ，PFB值按16个counts为单位变化）
如果1501 ≤ VLIM ≤6100 RPM，则RDRES = 14（PRD = 0–16384；与之对应的PFB = 0–65535，PFB值按4个counts为单位变化）
如果VLIM ≤ 1500 RPM，则RDRES = 16（PRD = 0–65535；与之对应的PFB = 0-65535，PFB值按4个counts为单位变化）
（2）软件R/D转换器的工作原理
与R/D转换器芯片相似，软件R/D转换器的原理框图如图2所示：
θ：旋变的实际位置
φ：±1计数器输出的计数状态，旋变的估计位置
K PRD：PI调节器的比例增益
K IRD：PI调节器的积分增益
VCO：压频振荡器
V RD：PI调节器的输出，与旋变速度成比例的信号
旋变的正、余弦绕组输出E0Sinωt²Sinθ、E0Sinωt²Cosθ是调制信号，首先必须进行解
调，产生Sinφ、Cosθ信号。

±1计数器的计数状态为旋变的估计位置φ，分别送到正、余弦乘法器输出Sinφ、Cosφ信号。

并完成下列运算：
Sinθ²Cosθ- Cosθ²Sinφ=Sin(θ-φ)
当旋变的估计位置接近实际位置时，
Sin(θ-φ)≈θ-φ
PI调节器用来使误差信号Sin(θ-φ)趋于0，构成寻找Sin（θ-φ）零点的闭环控制。

简化闭环控制框图如图3所示：
图3 简化闭环控制框图
旋变的实际位置θ与估计位置φ之间的关系为：
φ(s) /θ(s)= (K IRD + K PRD²s) / (s2+ K PRD²s+ K IRD)
在低频段，s2远小于K
²s+ K IRD，φ(s) /θ(s)=1，φ(s)＝θ(s)。

PRD
在高频段，s2变得很大，引起了衰减与相位滞后。

调节器的补偿参数由驱动器制造商设定，通常默认的闭环带宽为600 Hz，用户可选择的带宽为300、600、1200 Hz：
带宽选择的太高，系统将产生过大的噪声。

在零速时，虽然平均速度可能为零，但由于小的转矩波动将导致轴的振动，产生噪声。

此时，等效编码器输出可能有脉冲列输出。

带宽选择的太低，相位滞后太大，可能导致系统不稳定。

与硬件R/D转换相比，软件R/D转换的优点是：
●驱动器成本低：R/D转换芯片相当昂贵
●最大速度不受计数器计数频率的限制
●带宽可以改变
3.旋变的零位调整
（1）ServoStar驱动器的旋变调零
在安装旋变或发现旋变的定子/转子松动（现象是电动机的电流大，但输出转矩小，或驱动器使能后“飞车”）时，需进行旋变的零位调整。

调整步骤如下：
①使用ZERO=1指令，驱动器将产生一个由电动机的C相流向B相的电流使转子转动，
转子停止的位置就是转子的零位。

该电流不经电流环控制而由驱动器直接产生，电流的大小可用变量IZERO设定（单位：% of MICONT；数据范围：1到100）。

②使能驱动器
③检查PRD值：对两极电机而言转子只有一个零位，该值应在0±20counts之间；对
四极电机而言转子有两个零位，该值应在0±20或32768±20之间；对六极电机而言转子有三个零位，该值应在0±20，21845±20 counts或43690±20 counts之间；
对八极电机而言转子有四个零位，该值应在0±20 counts，16384±20 counts，32768±20 counts或49152±20 counts之间。

可以从MotionLink的反馈屏幕上检查PRD值。

④如果检查PRD值不在上述值范围内，用DIS指令禁止驱动器。

打开电机的后端盖，
松开旋变定子的锁紧螺钉，转动旋变的定子，使PRD值在上述值范围之内，然后锁紧旋变定子。

⑤旋变的零位调整使电机转子的零位，旋变的零位一致，换向角θ＝90°，从而保证
了正确的电子换向。

（2）换向角偏置
当旋变的零位没有对准转子零位时，也可以实测旋变的零位与转子零位的偏差，用变量MPHASE（换向角偏置）来补偿这个偏差，保证正确的电子换向。

用转子置零命令ZERO使转子置零位，测得此时的PRD值，用下面的公式计算旋变的零位与转子零位的偏差角，并设定MPHASE等于该值：
MPHASE=(PRD/65536)²360²p±n²360
式中：p为电机的极对数；n为任意正整数，使MPHASE计算值在0－360°之间。

（3）S600/S300驱动器的旋变调零
●ZERO命令：驱动器执行ZERO命令时，将自动测量换向角，并将换向角偏差用MPHASE
补偿。

●设定FBTYPE=0：设定旋变反馈
4.旋变反馈的分辨率和精度
（1）分辨率：R/D转换的数字分辨率（RDRES）根据实际使用的最高转速（VLIM）自动进行转换：
VLIM（rpm）RDRES Counts / Rev 等效编码器输出＞6100 12 4096 4096 counts正交1500到6100 14 16384 16384 counts正交＜1500 16 65536 65536 counts正交所有的读数都延伸到16位。

速度反馈是由R/D转换器输出的位置微分得到的。

速度反馈的分辨率为18位。

后2位是由R/D转换器的LSB模拟量输出估计产生。

（2）精度
精度的组成部分单位：角分
R/D转换精度 4
旋变回转精度8
旋变安装精度 2 Inter-LSB（在最小有意义位上的数字高频振动） 5
总计（最坏的情况）19。