RDC与旋转变压器

[瑞萨RH850学习笔记]——RDC与旋转变压器

一、旋转变压器基本原理

旋转变压器

使用电磁式方法进行角位移测量的传感器。特点是稳定性高，环境耐受力强，抗干扰能力强，精度较高。

基本原理

• 本质上是一种变压器，具有一次侧和二次侧
• 在一次侧施加正弦交变电压，在二次侧可得到频率一样的交流电压。
• 机械结构上与电机相似，具有定子与转子。
• 转子上的缺口影响一次侧与二次侧之间的磁导率。
• 进而，二次侧输出电压幅值与转子相对位置有关
• 利用以上原理，即可测得转子所处位置

信号波形

旋转变压器输入及输出信号波形如下图所示。

其中，“励磁电压”即为前文所述施加在一次侧的一定频率、一定幅值的交变电压；“出力电压”即为二次侧输出的频率与励磁电压一致，幅值变化的交变电压；其中，“出力电压”的包络线与“回转角θ”程正/余弦函数关系，“回转角θ”即为转子相对定子的转动位置。

极对数

根据旋转变压器机械结构的不同，转子上可能有多个孔隙，进而导致出力电压波形与回转角θ呈sin(N*θ)/cos(N*θ)的函数关系（如下图所示，此时N=4），此处的N称为极对数。

机械角度/电角度

转子在物理上转过一个周期对应的角度θ称为机械角度；
当极对数不为1时，一个正余弦周期内转过的角度换算成0~2π的角度φ称为电角度。

旋转变压器端口

激励信号输入端口R1、R2
旋变信号输出端口S1、S3、S2、S4

旋转变压器基本参数

• 激励信号特性，包括幅值、频率(R1-R2)
• 变压比，激励信号/输出信号最大幅值之比
• 输入阻抗，激励信号输入侧阻抗

旋转变压器输出公式

旋转变压器输入、输出公式如下：

{Us=K×sinθ×sinωtUc=K×cosθ×sinωt$$\{\begin{array}{l}Us=K\times \sin \theta \times \sin \omega t\\ Uc=K\times \cos \theta \times \sin \omega t\end{array}$$

其中，Us 为(S2-S4)信号， Uc为(S1-S3)信号，K为旋转变压器特性“变压比”，θ$\theta$为回转角，ω$\omega$为激励信号（R1-R2）频率

二、R/D转换基本原理

角度反馈法

根据旋转变压器输出的信号，计算出回转角θ，并将其数字化存储的过程称为R/D转换。角度反馈法是常见的R/D转换方法。下图为角度反馈法的原理框图。

原理分析

R/D转换的基本原理如下图所示。

首先计算“控制偏差”ϵ$ϵ$， ϵ=K×sin(θ−ϕ)×sin(ωt)$ϵ=K\times \sin (\theta -\varphi )\times \sin (\omega t)$①。其中sin(ωt)$\sin (\omega t)$为激励信号，ϕ$\varphi$为R/D转换输出的回转角度结果值，θ$\theta$为旋转变压器检测到的回转角度值。
ϵ$ϵ$经过补偿电路(图中COMP)后计算出一个新的ϕ$\varphi$值，将新的ϕ$\varphi$值代回公式①重新计算新的 ϵ$ϵ$值，数次迭代之后，将使 ϵ=0$ϵ=0$ ，亦即θ=ϕ$\theta =\varphi$，此时计算出的ϕ$\varphi$值即等于回转角θ$\theta$。

控制偏差ϵ$ϵ$的计算

ϵ=K⋅sinθ⋅sinωt×cosϕ+K⋅cosθ⋅sinωt×sinϕ=K⋅sin(θ−ϕ)⋅sinωt$ϵ=K\cdot \sin \theta \cdot \sin \omega t\times \cos \varphi +K\cdot \cos \theta \cdot \sin \omega t\times \sin \varphi =K\cdot \sin (\theta -\varphi )\cdot \sin \omega t$①
结果①经过比较器(图中CMP)后,被转换为数字量；
再经过同步判断电路(图中SYNCDET),去除激励信号成分(K⋅sinωt)$(K\cdot \sin \omega t)$,此时ϵ=sin(ω−ϕ)$ϵ=\sin (\omega -\varphi )$②；
结果②输入到补偿电路(图中COMP)进行进一步运算

补偿电路

控制偏差ϵ$ϵ$首先输入PI补偿器，经过如下公式计算成ω$\omega$，
再输入给积分电路，计算成ϕ$\varphi$。
ω=(α⋅Kp+(β⋅Ki)s⋅T)⋅Kv⋅ϵ$\omega =(\alpha \cdot Kp+\frac{(\beta \cdot Ki)}{s\cdot T})\cdot Kv\cdot ϵ$
ϵ=sin(θ−ϕ)$ϵ=\sin (\theta -\varphi )$，当θ$\theta$和ϕ$\varphi$差距较小时，ϵ≈θ−ϕ$ϵ\approx \theta -\varphi$；故经过PI补偿器后计算出的ω$\omega$值实际上是角速度；角速度经过积分得到角度ϕ$\varphi$。
式中Kv、Kp、Ki一般可调，T为积分时间常数，s为拉普拉斯变量

三、接口电路

3.1 激励放大电路分析

激励放大电路：放大激励信号（R1、R2）的硬件电路。一般RDC模块直接输出的激励信号不能满足旋转变压器所需激励信号幅值、驱动能力要求，需经放大处理后使用。

励磁电压升压放大电路（单电源供电）

• 使用单电源供电，电源设计简单
• 电流反馈型电路，后级故障时不易损坏
• 放大励磁信号，可提高信噪比

偏置电压同向跟随器电路

功能：为后级放大电路提供值为1/2 VEXT的偏置电压
输入：VEXT，旋变电路供电电源
输出：1/2 VEXT，偏置电压
参数调整：无

反相加法器电路

功能：将RSO信号反相，用于经后级放大后，与同相放大信号构成激励信号差分输出
输入：RSO，激励信号；COM，激励信号共模电压；VBIAS，偏置电压
输出：(-RSO)+(COM+VBIAS)
参数调整：无

电流反馈放大电路（R1）

功能：将同相的RSO信号通过电流负反馈放大，作为差分激励信号的P端(正端)，施加给旋转变压器的激励线圈
输入：去除直流分量的RSO信号
输出：同相放大的RSO信号
参数调整：Rf、Rn决定放大比例；
Cn可影响相位；RIEXT影响激励信号电流的大小。

电流反馈放大电路（R2)

功能：将反相的RSO信号通过电流负反馈放大，作为差分激励信号的P端(正端)，施加给旋转变压器的激励线圈
输入：去除直流分量、反相的RSO信号
输出：反相、放大的RSO信号
参数调整：Rf、Rn决定放大比例；
Cn可影响相位；RIEXT影响激励信号电流的大小。

3.2 激励放大电路调参

旋转变压器参数

Excitation Input(Vref): 激励信号幅值
Input Impedance(Zro): 旋变输入阻抗

参数调整目标

1. 调整电流放大倍数，使输入端口两端的电压（R1 – R2）符合旋转变压器激励电压幅值参数。（调整输出幅值）
2. 调整放大电路滤波元件参数，使激励信号（R1-R2）与监测信号（SINMNT、COSMNT）的相位偏移满足要求。（调整相位偏移）

1.调整输出幅值
Step1. 使用如下公式，计算激励电流IREF
VREF = IREF * ZRO
其中，VREF为激励信号幅值，ZRO为旋变输入阻抗，均由旋变式样书给定。
Step2.通过激励电流计算电路参数（Rf与Rn比值）
IREF = (VRSO × Rf) / RIEXT × Rn)
其中，VRSO为RDC2nRSO引脚输出信号峰峰值（2Vpp）；RIEXT为旋变激励电流限定电阻，RIEXT ≤ (ZRO/10) [Ω]；其他限定条件包括Rf ≥ 50 kΩ, Cn × Rn ≥ 5 × 10-4 [s], Cf × Rf ≤5 × 10-6 [s]。
根据以上条件及计算出的Rf与Rn比值，可以确定一组Rf、Rn、Cf、Cn的参数。

※由于电路采用电流反馈，计算得出的输出幅值可能与实际不同，需结合实际电路微调参数
输出幅值检测方法

• 将电路输出的R1、R2端口与旋变传感器的R+、R-端口连接
• 使用示波器两个通道Ch1与Ch2，分别量取R1、R2对地电压波形
• 使用示波器数学计算（Math）功能，将R1与R2的波形相减，波形显示于通道Chm
• Chm通道显示的波形即为激励信号波形，其峰峰值（Vpp）即为预期中的旋变激励信号幅值VREF；其中，VREF单位一般为Vrms，Vpp=√2 * Vrms
  

2.调整相位偏移
激励信号（R1-R2）与监测信号（SINMNT、COSMNT）之间的相位偏移将导致角度误差。调整激励放大电路中Cf参数可以改善相位偏差，同时需遵守Cf × Rf ≤5 × 10-6 [s]的限定条件。
相位偏移测量及计算方法
旋转转子至零度位置，SINMNT和COSMNT输出波形如有图所示。使用示波器光标测量R1、R2的交越点与SINMNT、COSMNT交越点处的时间差，记作Ts,激励信号周期作D。
相位偏移量Ps[deg]= 360[deg] * (Ts[us]/D[us]）。

3.3 旋变输入电路分析

旋变输入电路（单电源供电）

• 减法器电路
• COSMNT = (S1-S3)x(RF/(RIN+600))
• SINMNT = (S2-S4)x(RF/(RIN+600))
• Cc:共模滤波电容;CN:差模滤波电容
• RH/RL用于检测断线的直流偏置电阻
  

3.4 旋变输入电路调参

调参目标：
COSMNT/SINMNT的峰峰值Vpp在2~3V之间
计算RIN：
Vcosmnt或Vsinmnt = VIN x (RF/(RIN+600))
其中，RF约为21K，VIN为(S1-S3)或(S2-S4)。
计算RH/RL：
作为断线检测电阻，RH和RL取值应在如下公式计算值的80%~100%之间
RH ≈ {(RVDD – VCOM) / (22.0 × 10-6)} –RIN
RL ≈ {VCOM) / (22.0 × 10-6)} –RIN
其中RVDD为旋变电路供电电压，VCOM为RVDD/2

四、RDC2模块介绍

RDC2模块

RH850/C1x芯片内建了R/D转换模块，称为RDC2。
其中，RH850/C1H芯片有两个RDC2通道；RH850/C1M芯片中只有一个RDC2通道。
RDC2模块实现的基本功能为：将包含旋转变压器转角信息的模拟量转换为最高16位精度的数字量。

RDC2模块的具体功能如下表