Еще раз про резольверы
С целью более полного погружения в материал, перевел еще одну статью про устройство контроллера резольвера, теперь от Analog Devices.
MT-030 Tutorial
Резольверно-цифровой преобразователь
Автор Walt Kester
Введение
Производители станков и робототехники используют резольверы и сельсины для получения точной угловой информации. Эти устройства отлично подходят для требовательных заводских и авиационных приложений, требующих небольшого размера, долговременной надежности, абсолютного измерения положения, высокой точности и малошумной работы.
Сельсины и резольверы
Схема типичного сельсина и резольвера показана на рисунке 1. И сельсины, и резольверы используют однообмоточные роторы, которые вращаются внутри неподвижных статоров. В случае простого сельсина статор имеет три обмотки, ориентированные под углом 120° друг к другу и электрически соединенные Y-образным соединением. Резольверы отличаются от сельсинов тем, что их статоры имеют только две обмотки, ориентированные под углом 90°.
(прим. мое: В российской литературе резольвер называется синусно-косинусный вращающийся трансформатор)
Рис.1 Сельсин (на рисунке - "synchros") и резольвер
Поскольку сельсины имеют три катушки статора, расположенные под углом 120°, их изготовление сложнее, чем резольверов, и поэтому они более дороги. Сегодня сельсины находят все меньше применения, за исключением некоторых приложений для модернизации военных и авионики.
Современные резольверы, напротив, доступны в бесщеточной форме, в которой используется трансформатор для передачи сигналов ротора от статора к ротору. Первичная обмотка этого трансформатора находится на статоре, а вторичная на роторе. Другие резольверы используют более традиционные щетки или токосъемные кольца для передачи сигнала в обмотку ротора. Бесщеточные резольверы более прочны, чем сельсины, потому что в них нет щеток, которые можно сломать или сместить, а срок службы бесщеточного резольвера ограничен только его подшипниками. Большинство резольверов предназначены для работы в диапазоне от 2 В до 40 В (среднеквадратичное значение) и на частотах от 400 Гц до 10 кГц. Угловая точность варьируется от 5 угловых минут до 0,5 угловых минут. (В одном градусе 60 угловых минут, а в одной угловой минуте 60 угловых секунд. Следовательно, одна угловая минута равна 0,0167 градуса).
В работе сельсины и резольверы напоминают вращающиеся трансформаторы. Обмотка ротора возбуждается переменным опорным напряжением с частотой до нескольких кГц. Величина напряжения, индуцируемого в любой обмотке статора, пропорциональна синусу угла θ между осью катушки ротора и осью катушки статора. В случае сельсина напряжение, индуцированное на любой паре выводов статора, будет векторной суммой напряжений на двух соединенных катушках.
Например, если ротор сельсина возбужден опорным напряжением Vsinωt на его клеммах R1 и R2, то на клемме статора появятся напряжения в виде:
где θ - угол поворота ротора.
В случае резольвера с напряжением переменного тока ротора Vsinωt напряжения на клеммах статора будут:
Следует отметить, что 3-проводной выход сельсина можно легко преобразовать в формат, эквивалентный резольверу, с помощью трансформатора Скотта-Т. Поэтому в следующем примере обработки сигнала описывается только конфигурация резольвера.
Резольверно-цифровой преобразователь (RESOLVER-TO-DIGITAL CONVERTERS (RDCs))
Типичный преобразователь резольвера в цифровой сигнал (RDC) функционально показан на рис. 2. Два выхода резольвера используются для умножения косинуса и синуса. Сигнал с выхода резольвера подается в умножители на синус и косинус. Эти умножители включают таблицы синуса и косинуса и функционируют как умножающие цифро-аналоговые преобразователи. Предположим, что текущее состояние счетчика прямого/обратного счета содержит число, представляющее пробный угол ϕ. Преобразователь постоянно стремится отрегулировать и далее отслеживать цифровой угол ϕ так, чтобы он стал равным θ.
Рис.2 Следящий реольверно-цифровой преобразователь
Выходные напряжения статора резольвера записываются как:
где θ - угол поворота ротора резольвера. Цифровой угол ϕ применяется к множителю косинуса, а его косинус умножается на V1, чтобы получить выражение:
Цифровой угол ϕ также применяется к синусоидальному множителю и умножается на V2, чтобы получить выражение:
Эти два сигнала вычитаются друг из друга усилителем ошибки, чтобы получить сигнал ошибки переменного тока в форме:
Используя простое тригонометрическое тождество, это сводится к:
Детектор синхронно демодулирует этот сигнал ошибки переменного тока, используя в качестве эталона напряжение ротора резольвера. Это приводит к постоянному сигналу ошибки, пропорциональному sin(θ - ϕ).
Сигнал ошибки по постоянному току поступает на интегратор, выход которого управляет генератором, управляемым напряжением (VCO). VCO, в свою очередь, заставляет обратный/обратный счетчик считать в правильном направлении, вызывая:
Когда это будет достигнуто,
и таким образом
с точностью до одного счета. Следовательно, цифровой выход счетчика ϕ представляет угол θ. Что бы не прерывать отслеживание, для передачи данные сохраняются в специальный регистр.
Эта схема эквивалентна так называемому контуру сервопривода типа 2, потому что фактически имеет два интегратора. Один счетчик, который накапливает импульсы; другой - интегратор на выходе детектора. В сервоконтуре типа 2 с входом с постоянной скоростью вращения выходное цифровое слово непрерывно следует или отслеживает вход без необходимости получения внешних команд преобразования и без стационарного фазового запаздывания между цифровым выходным словом и фактическим углом вала. Сигнал ошибки появляется только в периоды разгона или торможения.
В качестве дополнительного бонуса следящий RDC обеспечивает аналоговое выходное напряжение постоянного тока, прямо пропорциональное скорости вращения вала. Это полезная функция, если скорость должна быть измерена или использована в качестве параметра стабилизации в сервосистеме, и она делает ненужными дополнительные тахометры.
Поскольку работа RDC зависит только от соотношения амплитуд входных сигналов, затухание в линиях, соединяющих их с резольверами, не оказывает существенного влияния на производительность. По тем же причинам эти преобразователи не сильно подвержены искажению формы сигнала. Фактически, они могут работать с гармоническими искажениями входных сигналов до 10%; некоторые приложения фактически используют прямоугольные опорные сигналы с небольшой дополнительной ошибкой.
Поэтому следящие АЦП идеально подходят для RDC. Хотя могут использоваться и другие архитектуры АЦП, такие как последовательное приближение, следящий преобразователь является наиболее точным и эффективным для этого приложения.
Поскольку следящий преобразователь дважды интегрирует свой сигнал ошибки, устройство обеспечивает высокую степень помехоустойчивости (спад 12 дБ на октаву). Чистая площадь под любым заданным пиком шума дает ошибку. Однако типичные пики шума с индуктивной связью имеют одинаковую положительную и отрицательную формы волны. При интегрировании это приводит к нулевому чистому сигналу ошибки. Полученная помехоустойчивость в сочетании с нечувствительностью преобразователя к перепадам напряжения позволяет пользователю размещать преобразователь на значительном расстоянии от резольвера. Подавление шума дополнительно усиливается за счет подавления детектором любого сигнала не на опорной частоте, например широкополосного шума.
AD2S90 является одним из ряда интегрированных RDC, предлагаемых Analog Devices. Общая архитектура аналогична схеме, показанной на рис. 2. Дополнительные сведения о синхронизаторах и преобразователях с резольвера в цифру можно найти в ссылках 1, 2 и 3.
Литература
1. Dan Sheingold, Analog-Digital Conversion Handbook, Prentice-Hall, 1986, ISBN-0-13-032848-0, pp. 441-471. (this chapter contains an excellent tutorial on optical, synchro, and resolver-to-digital conversion).
2. Dennis Fu, "Circuit Applications of the AD2S90 Resolver-to-Digital Converter," Application Note AN-230, Analog Devices. (applications of the AD2S90 RTD).
3. John Gasking, "Resolver-to-Digital Conversion: A Simple and Cost Effective Alternative to Optical Shaft Encoders," Application Note AN-263, Analog Devices.