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處理器/DSP  

旋轉變壓器訊號處理的低成本、高解析度方案

上網時間: 2006年08月21日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:旋轉變壓器  ADS1205  AMC1210  類比數位轉換器  ADC 

旋轉變壓器(resover)包含三個繞組,即一個轉子繞組和兩個定子繞組。轉子繞組隨馬達旋轉,定子繞組位置固定且兩個定子互為90度角(如圖1所示)。


圖1:旋轉變壓器及其相關訊號

如此繞組將形成一個具有角度依賴係數的變壓器。

將施加在轉子繞組上的正弦載波耦合至定子繞組,對定子繞組輸出進行與轉子繞組角度相關的幅度調變。由於安裝位置的原因,兩個定子繞組的調變輸出訊號的相位差為90度。

透過解調兩個訊號可以獲得馬達的角度位置資訊,首先要接收純正弦波及餘弦波,然後將其相除得到該角度的正切值,最終透過‘反正切’函數求出角度值。由於一般情況下要使用DSP進行算術處理,因而需要將正弦及餘弦波數位化。目前市面上有幾種具備這些功能的專用產品,然而其價格昂貴,對於大多數應用而言需要尋求其他替代方案。

目前有一種最為常用的方法是,檢測輸出訊號中載波頻率的峰值來觸發類比數位轉換器(ADC)。如果總是在這一時間點轉換調變訊號,則將消除載波頻率。由於更高解析度的增量累加(Δ-Σ)ADC總是在一段時間內對訊號進行積分採樣,因此它將不僅僅轉換峰值電壓,同時需要採用諸如TI ADS7861或ADS8361等逐次逼近ADC,解析度也被限制在12~14位元。

這種方法還需要使用幾種電路模組,必須產生合適的正弦載波,同時必須在合適的時間點觸發轉換過程,且ADC必須對訊號進行同步轉換。這樣不僅增加了成本,而且會限制解析度。

新概念的理論依據

新概念使用過採樣方法,並將解調移至數位域內,調變訊號的過採樣採用雙通道Δ-Σ調變器ADS1205,數位濾波器晶片AMC1210用於調變器輸出的解調和抽取(decimation)。

調變器僅產生位元串流,這不同於ADC中的數位概念。為了輸出相當於類比輸入電壓的數位訊號,必須使用數位濾波器來處理位元串流。正弦濾波器是一種非常簡單、易於建構且硬體需求最少的一種濾波器。

那些頻率為調變器時脈頻率除以過採樣率所得值的整數倍訊號將被抑制,這些被抑制的頻率點稱為陷波(notch)。在此新概念中,積分器的抽取率設定原則是使載波頻率落入到某一陷波頻率。但首先需對訊號進行解調,否則角度資訊將與載波頻率一起被忽略。該任務由AMC1210完成。

AMC1210具有四個通道,每個通道均提供如圖2所示的濾波器結構。


圖2:AMC1210的數位濾波器結構

AMC1210也適用於測量電流。在本例中,我們將比較器濾波器(comparator filter)用於過電流保護,能夠在低解析度情況下實現快速響應(如圖中藍色部份所示)。黃色部份在較低採樣率情況下能夠產生更高解析度的輸出,這部份用於控制迴路。根據應用的需要,在這裡可以使用正弦濾波器及積分器來最佳化濾波器的結構。此外,該通路還適用於濾波及解調。

首先,AMC1210中的正弦濾波器對調變器的位元串流進行濾波,以將其轉換為中等解析度、中等速率的數據字。對ADS1205而言,最高效的三階正弦濾波器的過採樣率(OSR)為128。過採樣率超過128時,OSR每增加一倍,訊息噪音比僅增加3dB。在解調過程後利用積分器可以達到同樣的效果,而且還能縮短濾波器的延遲時間。

將OSR設為128時會產生一個14位元的數位調變訊號,其數據速率為:


該等式中,fmod表示調變器的時脈頻率,該時脈頻率在調變器中降為原來的一半。在下例中,當時脈訊號頻率為32.768MHz時,三階正弦濾波器的數據速率為128kHz。

現在需要對訊號進行解調(如圖3所示)。


圖3:AMC1210內部的解調過程示例

這表示當未調變載波為正時,14位元數位訊號須乘以+1,若未調變載波為負則須乘以-1。我們需要考慮到載波訊號透過旋轉變壓器、線圈、調變器以及正弦濾波器時產生的延遲。因此,AMC1210具有相移校驗功能,能夠在相移90度內正常工作。若相移超過此範圍,則必須在暫存器中編程。

最後,積分器OSR的設定原則是:載波頻率是整個濾波器傳輸函數陷波的整數倍。在時域中,這等同於在多個載波週期內求積分。這樣就完全抑制了載波頻率。在此例中,如果積分器的OSR為16,則解析度提高2位元(0.5位元/因子2)。然而輸出訊號的幅度降低了3dB(-0.5位元),原因是積分器所產生的是解調訊號的平均電壓而非峰值電壓。

結果為:AMC1210的輸出為數位正弦波或餘弦波,數據速率為8kHz,噪音性能為15.5位元。該訊號的幅度比輸入調變訊號降低了3dB。

角度檢測與控制迴路同步

角度檢測與馬達控制迴路的同步非常重要,因此,數位濾波器的輸出數據速率與載波頻率都必須可調。

透過AMC1210內建的暫存器映射可以設定濾波器結構,正弦濾波器的階數(1階、2階及3階)及過採樣率(1~256)都是可程式設定的。積分器可以執行在固定的過採樣率上,也可以由外部採樣及保持訊號觸發。

載波頻率也是以PWM格式的AMC1210產生的。因此,提供了高達1,024位元的移位暫存器,一個週期的載波正弦波可以儲存在該暫存器中,暫存器的PWM位元串流可由類比Δ-Σ調變器的小型C語言程式產生。該調變器的輸入為必須要求的載波訊號;輸出端的位元串流為PWM訊號,這個位元串流必須儲存在移位暫存器中。

AMC1210將擷取暫存器中的可程式數據位元並將其輸出到迴路中,這樣就產生了連續的載波訊號。例如,當系統時脈為30.016MHz、控制迴路執行於8kHz時,每個控制迴路的時脈週期為3,752個。可以使用AMC1210的內建分頻器降低系統時脈。如果選擇降低4,則會佔用938位元的PWM暫存器。

AMC1210擁有一個互補的PWM輸出(PWM_P及PWM_N),其電流驅動能力最高可達100mA。這樣就產生了全差分載波訊號,其電壓範圍高達+/-5V(5V單電源),能夠直接驅動旋轉變壓器。旋轉變壓器本身具有對PWM訊號的低通濾波能力,所以旋轉變壓器的正弦及餘弦繞組可以直接產生幅度整齊的調變正弦波。因為載波訊號的諧波也落在濾波器傳輸函數的陷波頻率上,故諧波的影響並不嚴重。

應用驗證

圖4中的電路適用於對這種新概念進行驗證。


圖4:測試驗證電路

AMC1210的PWM輸出直接驅動旋轉變壓器,ADS1205的參考接腳(REF)將正弦及餘弦訊號的電壓限制在正確範圍內。由於ADS1205參考輸出具有高阻抗特性,不能提供足夠的驅動電流,故需增加緩衝。旋轉變壓器另一側的輸出接腳阻抗低,因而可以直接驅動調變器的輸入端。

將頻率轉換器用於驅動馬達,會導致旋轉頻率不佳。50Hz的訊號頻率表示馬達轉速為3,000RPM。可以看出背景噪音低於-120dB,即有效位元超過14位元。

本文小結

ADS1205與AMC1210具有價格優勢,同時其Δ-Σ架構還可確保良好的訊息噪音比(15.5ENOB,專用產品解決方案為12ENOB)。其缺點是數位濾波器會產生固定的時間延遲,馬達控制器迴路需要對此延遲進行調整。

作者:Frank Ohnhaeuser

馬達控制ADC設計經理

德州儀器公司




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