Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.

ghost666 02 Kwi 2014 19:59 7506 2
  • Wstęp

    Rezolwery czyli elektromechaniczne sensory pozwalające na precyzyjny pomiar kąta obrotu, to relatywnie proste układy składające się z transformatorów o zmiennym sprzężeniu pomiędzy uzwojeniem pierwotnym a dwoma uzwojeniami wtórnymi obecnymi w sensorze. Sprzężenie pomiędzy tymi uzwojeniami zależne jest od pozycji obrotowego wałka (tak zwanego rotora) będącego kluczowym elementem rezolwera i którego kąt oborotu jest mierzony. Stosuje się je często w systemach przemysłowych do pomiaru prędkości obrotowej silników elektrycznych, do kontroli serwonapędów a także w robotyce, kolejnictwie czy w pojazdach hybrydowych wykorzystujących napęd elektryczny i na wielu innych polach gdzie konieczny jest precyzyjny pomiar kąta obrotu. Z uwagi na swoją niebywałą wytrzymałość niektóre z rezolwerów znalazły także zastosowanie w aplikacjach w systemach stosowanych w bardzo trudnych warunkach, między innymi w rozmaitych instalacjach militarnych.

    Standardowy rezolwer posiada uzwojenie pierwotne umieszczone na rotorze i dwa uzwojenia wtórne na statorze (nieruchomej części sensora). W przypadku rezolwerów z zmienną reluktancją wszystkie trzy uzwojenia umieszczone są na statorze. W takim rezolwerze rotor wyposażony jest w wystające wypustki, zmieniające sprzężenie pomiędzy uzwojeniami pozwalając na prowadzenie pomiaru. Na poniższej ilustracji zaprezentowano uproszczone schematy pokazujące rezolwer klasyczny i o zmiennej reluktancji.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Podczas pracy rezolwera uzwojenie wtórne (R1 - R2) zostaje wzbudzone sygnałem sinusoidalnym opisanym przez równanie 1, poniżej. Dzięki temu w uzwojeniach wtórnych zostaje zaindukowany pewien sygnał. Wielkość sprzężenia opisująca amplitudę wzbudzanego w uzwojeniach wtórnych sygnału jest funkcją położenia kątowego rotora i przełożenia transformatorów w rezolwerze. Ponieważ uzwojenia wtórne są między sobą przesunięte o 90° sygnały wyjściowe z tych uzwojeń będą przesunięte w fazie o 90° pomiędzy sobą. Sygnały wyjściowe z uzwojeń wtórnych opisane są równaniami 2 oraz 3. Równanie 2 opisuje sygnał sinusoidalny a równanie 3 przesunięty w fazie sygnał kosinusoidalny.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (1)




    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (2)
    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (3)


    Gdzie: θ jest kątem pod którym znajduje się w danym momencie rotor a ω to częstotliwość sygnału wzbudzającego uzwojenie pierwotne. E0 to amplituda sygnału wzbudzającego z T to przełożenie rezolwera.

    Wyjściowe sygnału zmodulowane są poprzez sinus i kosinus kąta pod którym znajduje się rotor. Graficzne przedstawienie sygnałów: wzbudzającego uzwojenie pierwotne oraz wyjściowych z uzwojeń wtórnych zaprezentowane jest poniżej. Sygnał sinusoidalny wykazuje maksimum przy kącie rotora równym 90° oraz 270° z kolei kosinusoidalny posiada maksimum dla kąta równego 0° i 180°.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Rezolwer charakteryzuje się zestawem unikalnych parametrów o których koniecznie musimy pamiętać podczas projektowania systemu w którym chcemy go wykorzystać. Zestaw najbardziej kluczowych parametrów elektrycznych zebrany jest w poniższej tabeli/.

    A resolver sensor has a unique set of parameters that should be considered during the design phase. The most critical electrical parameters and the respective typical specifications are summarized in Table 1.








    ParametrTypowy zakresJednostkaOpis
    Napięcie wejściowe3–7V rmsRekomendowane napięcie wejściowe sygnału wzbudzającego podawanego na wejście (R1 - R2) uzwojenia pierwotnego
    Częstotliwość wejściowa50–20kHzRekomdendowana częstotliwość sygnału wzbudzającego podawanego na uzwojenie pierwotne
    Przełożenie0.2–1.0V/VPrzełożenie pomiędzy uzwojeniami pierwotnym a wtórnymi
    Impedancja wejściowa100–500ΩWejściowa impedancja rezolwera (uzwojenia pierwotnego)
    Przesunięcie fazy±25stopniePrzesunięcie fazy obserwowane pomiędzy sygnałem podawanym na uzwojenie pierwotne (R1 - R2) a sygnałem pochodzącym z uzwojeń wtórnych (S3 – S1, S2 – S4)
    Liczba biegunów1–3 Parametr mówiący o przełożeniu liczby obrotów 'elektrycznych' na liczbę rzeczywistych obrotów mechanicznych rotora


    Cyfrowy rezolwer

    Uzwojenie pierwotne rezolwera wzbudzane jest pewnym sinusoidalnym sygnałem odniesienia, co powoduje, jak opisano powyżej, indukowanie się sygnałów na uzwojeniach wtórnych układu. W celu połączenia rezolwera z, na przykład, mikrokontrolerem konieczne jest umieszczeniem pomiędzy nimi konwertera pozwalającego na konwersję analogowych wyjść układu na wartość cyfrową, najlepiej proporcjonalną do kąta rotora. W tym celu stosuje się układy RDC (ang. Resolver-to-Digital) które na podstawie sygnałów uzwojeń wtórnych dekodują kąt rotora i przesyłają go interfejsem cyfrowym dalej.

    Znakomita większość układów RDC wykorzystuje pętlę śledzącą typu II w celu wyznaczenia pozycji i prędkości obrotowej rotora. W tym typie pomiaru wykorzystuje się filtr drugiego rzędu zapewniający iż błędy pochodzące z pomiaru podczas stanu stacjonarnego wynoszą zero dla warunków stacjonarnych lub stałej prędkości. Układ RDC równocześnie próbkuje oba sygnały z uzwojeń wtórnych, dostarczając pętli śledzącej zmiany danych do wyznaczenia prędkości i kąta. Najnowszym przykładem układu RDC jest AD2S1210, produkowany przez firmę Analog Devices. Jest to układ wyposażony w konwerter o rozdzielczości od 10 bitów do 16 bitów z wbudowanym generatorem sygnału sinusoidalnego, co ułatwia jego aplikacje i zapewnia wygodne źródło sygnału wzbudzającego uzwojenie pierwotne rezolwera.

    Jak opisano w powyższej tabeli sygnał wzbudzający rezolwer powinien pochodzić z źródła o niskiej impedancji i charakteryzować się amplitudą od 3 Vrms do 7 Vrms. Przy prazy z napięciem zasilającym równym 5 V typowy układ dostarcza do uzwojenia pierwotnego rezolwera sygnał o napięciu międzyszczytowym wynoszącym około 7,2 V. Sygnał taki nie posiada dostatecznie dużej amplitudy i wydajności prądowej która pozwoliłaby na bezpośrednie sterowanie uzwojeniem rezolwera. Dodatkowo pamiętać należy iż rezolwer tłumi sygnał do 5 razy, zatem amplituda wyjściowa sygnału pochodzącego bezpośrednio z rezolwera jest zbyt niska aby wysterować układ RDC. W Poniższej tabelce zawarte są podstawowe właściwości przykładowego układu RDC co do sygnałów wejściowych i wyjściowych.

    Rozwiązaniem tego problemu jest wykorzystanie wzmacniaczy różnicowych w celu podniesienia amplitudy sygnału wzbudzającego uzwojenie pierwotne. Wzmacniacz taki musi zostać dobrany pod kątem możliwością sterowania obciążeniem o niskiej, dochodzącej nawet do 100 Ω, impedancji. Częstą praktyką jest wykorzystywanie sygnału o bardzo dużej amplitudzie do sterowania uzwojeniem pierwotnym gdyż pozwala to uzyskać większą amplitudę sygnałów wyjściowych, co przekłada się na zwiększenie stosunku sygnału do szumu (SNR) w wyjściowych przeniegach. Sygnały wyjściowe zawsze można przepuścić przez dzielniki oporowe w celu zmniejszenia ich amplitudy do wymaganego poziomu.

    Układy RDC bardzo często wykorzystywane są w przemyśle i motoryzacji w związku z czym przychodzi im pracować w zaszumionym środowisku. Możliwe jest w takim przypadku sprzęganie się zakłóceń z uzwojeniami wtórnymi układu co powoduje iż w sygnałach wyjściowych pojawiać się mogą niepożądane składowe. W celu ich eliminacji stosować można różnicowe filtry dolnoprzepustowe o częstotliwości granicznej możliwie zbliżonej do częstotliwości pracy rezolwera. Poniższy schemat pokazuje podstawową aplikację rezolwera wraz z układem RDC i innymi układami wspomagającymi jego działanie.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Teoria działania

    Poniższy schemat prezentuje podstawowe bloki funkcyjne znajdujące się w układzie RDC. Konwerter zajmuje się ciągłym śledzeniem wartości kąta obrotu rotora θ i generacją wyjściowej wartości kąta ϕ. Wartość ta jest następnie podawana na komparator porównujący ją z kątem wejściowym. Powstały błąd pomiędzy dwoma kątami jest minimalizowany na konwerterze dzięki ciągłemu śledzeniu pozycji (kąta).

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    W celu pomiaru błędu pomnóżmy wartości pochodzące z obu uzwojeń (sinusoidalnego i kosinusoidalnego) przez, odpowiednio cos(ϕ) and sin(ϕ). Otrzymamy:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (4)
    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (5)


    Następnie wyznaczmy różnicę pomiędzy nimi, wynosi ona:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (6)


    Następnie dokonajmy demodulacji obu sygnałów, używając wygenerowanego w układzie przebiegu odniesienia. W ten sposób otrzymamy:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (7)


    Korzystając z prostej trygonometrycznej zależności dochodzimy do równania E0*(sin θ cos ϕ – cos θ sin ϕ) = E0*sin (θ – ϕ), co w przybliżeniu wynosi nawet E0*(θ – ϕ) dla małych wartości różnicy kątów (θ – ϕ) (przyjmuje się zazwyczaj <5° - przyp. tłum.). Wartość E0 (θ – ϕ) jest różnicą pomiędzy błędem odchylenia rotora a wartością cyfrową wyjścia z układu konwertera. W przypadku pętli typu II pętla stara się wyzerować sygnał błędu, co oznacza iż jeśli to się uda ϕ równe jest kątowi θ pochodzącemu z rezolwera.

    Kluczowe parametry układu RDC

    Inżynierowie projektujący system wykorzystujący rezolwer muszą wziąć pod uwagę znaczną ilość parametrów konwertera RDC wykorzystanego w systemie. Poniższa tabela pokazuje kluczowe parametry układu AD2S1210, będącego aktualnie najnowocześniejszym RDC w swojej klasie.










    ParametrTypowa wartośćJednostkaOpis
    Napięcie wejściowe2.3–4.0V p-pZakres napięć międzyszczytowych wyjść sygnałów z uzwojeń wtórnych rezolwera
    Zakres sprzężenia fazy±44stopnieMaksymalne przesunięcie fazy pomiędzy sygnałem wzbudzających uzwojenie pierwotne generowanym przez RDC a sygnałami pochodzącymi z uzwojeń wtórnych rezolwera
    Dokładność kątowa±2.5minut kątowychDokładność kąta mierzonego przez układ RDC
    Rozdzielczość10, 12, 14, 16bitsRDC resolution
    Dokładność prędkości2LSBDokładność prędkości mierzonej przez układ RDC
    Prędkość śledzenia3125, 1250, 625, 156rpsPrędkość śledzenia wartości kąta przy różnych rozdzielczościach
    Czas stabilizacji2.2, 6, 14.7, 66msPrędkość odpowiedzi konwertera na zmianę kąta o 179° przy konkretnej rozdzielczości


    Źródła błędów

    Dokładność pomiarów całego systemu zależna jest od dokładności układu RDC a także od błędów wprowadzanych przez sam rezolwer, architekturę systemu, istniejące okablowanie oraz przez układy takie jak bufor napięcia wzbudzającego uzwojenie pierwotne rezolwera czy układy wejściowe obrabiające wstępnie sygnały pochodzące z wyjść z uzwojeń wtórnych sensora. Najczęstszymi źródłami poważnych błędów w systemie jest niedopasowanie amplitud, przesunięcie w fazie któregoś z sygnałów, występujące offsety czy też przyspieszenie.

    Niedopasowanie amplitud definiujemy jako różnicę napięcia międzyszczytowego sygnału sinusoidalnego i kosinusoidalnego pochodzącego z uzwojeń wtórnych rezolwera. Niedopasowanie amplitud może powstać na skutek różnic w torach przetwarzania sygnałów pochodzących z obu uzwojeń na przykład na skutek różnic w okablowaniu czy wzmocnieniu w poszczególnych torach. Równanie 3 można przepisać do postaci:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (8)


    Gdzie δ jest procentowym niedopasowaniem amplitud obu sygnałów. Statyczny błąd położenia - ε - wyznaczony jest w radianach i zdefiniowany zależnością:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (9)


    Równanie 9 pokazuje iż niedopasowanie amplitudy oscyluje z częstotliwością równą dwukrotnej prędkości rotacji z maksimum wynoszącym δ/2 przy nieparzystych wielokrotnościach 45°. Dla kątów 0°, 90°, 180°, and 270° nie obserwuje się błędów niedopasowania. Przy 12 bitowym układzie RDC błąd niedopasowania amplitud na poziomie 0,3% zaowocuje błędem wyjściowym na poziomie 1 LSB.

    Wejście układu RDC przyjmuje różnicowe sygnały sinusoidalne i kosinosuidalne pochodzące z rezolwera. Dzięki temu rezolwer usuwa wszystkie stałoprądowe przebiegi z sygnału wzbudzającego, zatem konieczne jest dodanie pewnego offsetu. Typowo aby zapewnić optymalny poziom sygnałów wyjściowych do przebiegów dodaje się napięcie stałe wynoszące VREF/2. Każdy dodatkowy offset wnikający pomiędzy wejścia SIN i SINLO oraz COS i COSLO wprowadzi dodatkowy błąd do systemu pomiarowego.

    Błąd pomiarowy wprowadzony przez sygnał współbieżny jest większy w ćwiartkach w których sygnały sinusoidalny i kosinusoidalny są w przeciwfazie względem siebie. Sytuacja taka następuje dla kąta obrotu równego od 90° do 180° oraz od 270° do 360°, tak jak pokazano na poniższej ilustracji. Napięcie współbieżne pomiędzy terminalami wejściowymi wpływa na sygnał dwukrotnością napięcia współbieżnego. Z uwagi na ratiometryczną pracę RDC zmiany w amplitudzie przychodzącego sygnału powodują błędy w zmierzonej pozycji rotora.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Poniższy oscylogram pokazuje że nawet gdy różnicowe napięcia międzyszczytowe sygnału sinusoidalnego i kosinusoidalnego są równe to amplitudy odbieranych sygnałów są różne. W najgorszym przypadku błędu zdarzać się będą dla kątów 135° i 315°. Dla kąta 135°, A = B w idealnym systemie, jednakże będą one różne w obecności offsetu, co oznacza że pojawi się niedopasowanie amplitud sygnałów wejściowych do RDC.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Kolejnym źródłem błędów jest różnicowe przesunięcie fazy, czyli przesunięcie fazy sygnałów wyjściowych (sin i cos) z rezolwera. Z uwagi na sprzęganie się sygnałów w sensorze zawsze obecne będzie pewne przesunięcie fazy. Niewielkie napięcie obecne na sensorze spowoduje niewielkie przesunięcie fazy. Dodatkowe przesunięcie wprowadzone może być na skutek różnej długości kabli łączących rezolwer z układami pomiarowymi lub też z różnicy obciążeń obu wyjść rezolwera.

    Różnicowa faza sygnału kosinusoidalnego względem sygnału sinusoidalnego opisana jest zależnością:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (10)


    Gdzie α to różnicowe przesunięcie fazy.

    Gdy rozwiązemy równanie na błąd wprowadzony przez przesunięcie fazy α otrzymamy wielkość błędu ε wyrażoną jako:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (11)


    Gdzie α oraz ε wyrażone są w radianach.

    Co więcej większość rezolwerów wprowadza pewne przesunięcie fazy pomiędzy sygnałem wzbudzającym a sygnałami z uzwojeń wtórnych, co powoduje kolejny błąd ε opisany zależnością:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (12)


    Gdzie β to przesunięcie fazy pomiędzy sygnałami wyjściowymi a sygnałem wzbudzającym uzwojenie pierwotne.

    Błąd ten można zminimalizować poprzez dobranie rezolwera charakteryzującego się małym napięciem rezidualnym, co zapewni iż sygnał sinusoidalny i kosinusoidalny będą obrabiane w sposób identyczny, co spowoduje minimalizację przesunięcia fazy pomiędzy sygnałami z uzwojeń wtórnych sensora

    W statycznych warunkach pracy sensora, przesunięcie fazy pomiędzy referencyjnym sygnałem wzbudzającym rezolwer, a sygnałami wyjściowymi z uzwojeń wtórnych nie powinno mieć wpływu na precyzję pomiaru. Jednakże w przypadku dynamicznym prędkość obrotowa rotora rezolwera powoduje odkładanie się pewnego napięcia na uzwojeniach z uwaki na kompensację impedancji rotora i interesujących nas sygnałów. Powstałe napięcie, które pojawia się tylko w przypadku gdy mamy doczynienia z kręcącym się rotorem, będzie miało wpływ na przesunięcie fazy sygnałów pomiarowych. Amplituda tego napięcia wynosi:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (13)


    W praktycznej aplikacji rezolwera uzwojenie wtórne znajdujące się na rotorze wykazuje składową oporową i reaktancyjną. Składowa rezystancyjna powoduje powstanie niezerowego przesunięcia fazy sygnału wzbudzającego sensor, co obserwowane jest i podczas gdy rotor jest statyczny i w przypadku dynamicznym. Razem z napięciem generowanym podczas ruchu powoduje to powstawanie przesunięcia fazy, które z kolei przekłada się na błąd śledzenia, który można opisać zależnością:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (14)


    W celu skompensowania błędu fazy pomiędzy sygnałem referencyjnym a sygnałami z uzwojeń wtórnych układ AD2S1210 wykorzystuje wewnętrzne filtrowanie sygnałów wejściowych w celu syntezy wewnętrznego sygnału odniesienia, który jest w fazie. Jest on generowany poprzez determinację punktu przejścia przez zero sinusa lub kosinusa - którykolwiek z nich ma większą amplitudę, co poprawia dokładność estymacji fazy. Generując sygnał odniesienia w ten sposób redukujemy istotnie przesunięcie fazy pomiędzy nim a sygnałami z uzwojeń wtórnych do momentu gdy przesunięcie fazy jest nie większe niż 10°. Cały system funkcjonuje dla przesunięcia do ±44°. Schemat blokowy syntezatora wewnętrznego sygnału referencyjnego w omawianym układzie zaprezentowany jest poniżej.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Zaletą pętli typu II nad pętlą typu I jest fakt iż nie wprowadza się żadnego błędu wyznaczania kąta przy stałej prędkości obrotowej. Nawet w idealnie zbalansowanym systemie jednakże przyspieszenie wprowadzi pewien błąd do układu. Wartość tego błędu zależna jest od odpowiedzi pętli kontrolnej, która dla układu AD2S1210 opisana jest zależnością:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Stała przyspieszenia pętli Ka opisana jest wzorem

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (15)


    Gdzie współczynniki pętli zależne są od rozdzielczości, amplitudy sygnału wejściowego i czasu próbkowania. Omawiany układ próbkuje dwukrotnie w każdym okresie czasu zegara CLKIN.









    ParametrOpisRozdzielczość 10-Bit Rozdzielczość 12-Bit Rozdzielczość 14-Bit Rozdzielczość 16-Bit
    k1Wzmocnienie przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC)Wejściowe napięcie / napięcie odniesienia = (3.15/2)/2.47 (nominalnie)
    k2Wzmocnienie błędu12π × 10636π × 106164π × 106132π × 106
    aWspółczynnik zera kompensatora8187/81924095/40968191/819232,767/32,768
    bWspółczynnik biegunów kompensatora509/5124085/409616,359/16,38432,757/32,768
    cWzmocnienie układu całkującego1/2201/2221/2241/226
    TOkres próbkowania1/(CLKIN/2)


    Błąd śledzenia spowodowany przyspieszeniem może zostać obliczony korzystając z zależności:

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej. (16)


    Poniższy wykres prezentuje błąd kąta w funkcji przyspieszenia dla różnych ustawień rozdzielczości.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Filtr wejściowy

    Dla poprawy precyzji funkcjonowania systemu pomiarowego należy podłączyć wyjścia rezolwera bezpośrednio do pinów wejściowych układu AD2S1210: SIN, COS, SINLO oraz COSLO. Pozwala to zredukować niedopasowanie amplitud oraz przesunięcia faz. Jednakże rozwiązanie to nie zawsze jest najlepsze z uwagi na konieczność wprowadzania na przykład tłumików sygnału w te linie w celu dopasowania wartości amplitud tych sygnałów do wymagań elektrycznych wejść układ RDC. Dodatkowo konieczne może być zastosowanie filtracji, jeśli mamy do czynienia z pracą w zaszumionym środowisku lub dodania filtrów ESD zabezpieczających układ przed wyładowaniami elektrostatycznymi.

    Poniższy schemat prezentuje typowy interfejs pozwalający na podłączenie rezolwera do opisywanego układu RDC. Szeregowy opornik oraz diody zapewniają zabezpieczenie układu przed wyładowaniami ESD i innymi niebezpiecznymi zjawiskami. Kondensatory i rezystory w układzie wejściowym tworzą filtr dolnoprzepustowy, pozwalający na odfiltrowanie szumu z sygnału który sprzęga się z sygnałami rezolwera na skutek pracy np. silnika w jego otoczeniu. Jeśli koniecznie jest tłumienie tych sygnałów można to osiągnąć poprzez dodanie opornika oznaczonego RA. AD2S1210 wyposażony jest w wewnętrzne układy zapewniające polaryzację wejść SIN, SINLO, COS oraz COSLO napięciem VREF/2. Tą niewielką polaryzację można łatwo zmienić. Prostą metodą aby to osiągnąć jest dodanie opornika 47 kΩ (RB) co zapewni polaryzację sygnałów napięciem 2,5 V.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Bufor sygnału wzbudzającego

    Zazwyczaj konieczne jest zastosowanie bufora w celu sterowania uzwojeniem pierwotnym rezolwera z uwagi na jego niską impedancję. Istnieje wiele sposobów na implementacje takiego bufora, spośród nich podane są poniżej dwa możliwe. Pierwszy układ często wykorzystywany jest w przemyśle i motoryzacji. Drugi z kolei proponuje zastąpienie klasycznego układu push-pull wzmacniaczem operacyjnym o dużym prądzie wyjściowym.

    Wysokoprądowy driver zaprezentowany poniżej wzmacnia i przesuwa sygnał pochodzący z referencyjnego oscylatora. Układ ten wykorzystuje podwójny wzmacniacz AD8662. Jest to precyzyjny wzmacniacz operacyjny o niskim poziomie szumu wyposażony w stopień wyjściowy pozwalający na sterowanie dużym obciążeniem. Bufor wyjściowy wykorzystuje obie połówki układu tworząc w pełni różnicowy układ sterujący pierwotnym uzwojeniem sensora.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Zaprezentowany wysokoprądowy bufor jest zoptymalizowany pod kątem sterowania uzwojeniem pierwotnym standardowego rezolwera, a jego pasmo i wzmocnienie może być zmieniane tak aby dostosować go do konkretnej aplikacji i wybranego rezolwera. Jednakże aplikacja takiego układu pociąga za sobą pewne problemy, takie jak zwiększenie ilości elementów, wielkości płytki a co za tym idzie czasu poświęconego na projektowanie i kosztów.

    Powyższy projekt może zostać zoptymalizowany poprzez zmianę wzmacniacza AD8662 na taki którego stopień wyjściowy samodzielnie jest w stanie sterować pierwotnym uzwojeniem sensora bez potrzeby aplikowania stopnia mocy opartego o układ push-pull.
    Pokazany na poniższym schemacie driver, oparty o wysokoprądowy podwójny wzmacniacz AD8397. Układ ten charakteryzuje się wyjściami rail-to-rail. Wykorzystany jest do wzmocnienia i przesunięcia sygnału z oscylatora, co pozwala na optymalizację sterowania uzwojeniem pierwotnym sensora. AD8397 osiąga niewielkie zniekształcenia i duży prąd wyjściowy przy dużym zakresie dynamicznym wyjścia, co czyni go idealnym do pracy z rezolwerami. Pozwala on na sterowanie obciążeniami do 32 Ω, generując 310 mA prądu wyjściowego. Może on dostarczyć potrzebny prąd do uzwojenia pierwotnego bez wykorzystania klasycznego układu push-pull jako stopnia wyjściowego, co znacznie upraszcza konstrukcję układu. Wzmacniacz ten dostępny jest w obudowie SOIC8 i specyfikowany jest do pracy w szerokim zakresie temperatur od –40°C do +125°C.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Elementy pasywne w tym układzie mogą zostać zmienione w celu zmiany amplitudy i wartości sygnału współbieżnego. Amplituda wyjściowa definiowana jest przez oporniki R1 i R2, a napięcie współbieżne przez R3 i R4.

    Kondensator C1 i opornik R2 tworzą filtr dolnoprzepustowy, który minimalizuje szum na wyjściach drivera. Kondensator powinien zostać dobrany tak aby minimalizować przesunięcie fazy sygnału wzbudzającego sensor. Sumaryczne przesunięcie fazy pomiędzy wzbudzeniem a wyjściami rezolwera nie powinno przekroczyć maksymalnego zakresu RDC. Kondensator ten jest opcjonalny, gdyż filtry wejściowe w układzie bufora sygnałów sinusoidalnego i kosinusoidalnego radzą sobie dobrze z tym szumem.

    Poniższy obrazek prezentuje porównanie działania tradycyjnego bufora i opartego o wysokoprądowy wzmacniacz AD8397. Analiza FFT pokazuje moc sygnału fundamentalnego i jego harmonicznych.

    Precyzyjny cyfrowy rezolwer do pomiaru kąta i prędkości obrotowej.


    Moc zasadniczej składowej wykazuje niewielką rozbieżność pomiędzy oboma buforami, jednakże sygnały harmoniczne są o wiele mniejsze dla AD8397. Jakkolwiek układ oparty o wysokoprądowy wzmacniacz operacyjny zapewnia mniejsze zniekształcenia to oba będą działać poprawnie w omawianym układzie. Zastosowanie AD8397 pozwala na zmniejszenie powierzchni i poziomu skomplikowania układu poprzez eliminację stopnia opartego o dyskretny układu push-pull.

    Podsumowanie

    Połączenie układu AD2S1210 z rezolwerami pozwala na stworzenie precyzyjnego układu pomiaru kąta i prędkości obrotowej silników. Aby uzyskać wysoką precyzję pomiaru zastosować można zaprezentowane powyżej bufory sygnału wzbudzającego oparte o wysokoprądowy wzmacniacz operacyjny produkcji Analog Devices. Pozwala to na efektywne sterowanie wzbudzeniem uzwojenia pierwotnego sensora.
    Źródła:
    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-03/resolver.html


    Fajne!
  • Sklep HeluKabel
  • #2 20 Kwi 2014 14:38
    marcino1004
    Poziom 9  

    A nie przypadkiem resolver??

  • Sklep HeluKabel
  • #3 26 Kwi 2014 01:12
    gacore
    Specjalista Automatyk

    Poszukuję producenta, wykonawcę w Polsce konwertera sygnału resolver - enkoder coś takiego jak:
    http://www.ltn.de/en/products/resolver/resolv...%5D=22&cHash=19b6ca7e702f91bcf7da1b134e6008ff
    lub
    http://www.jvl.dk/357/resolver-to-digital-converter-pa0095
    aby łatwo uzgodnić ewentualne dostosowania do konkretnego resolvera.

    Pozdrawiam,
    Andrzej Łacinnik
    e-mail: andrzej.lacinnik(małpa)eu.omron.com