Precieze bepaling van de hoekpositie en -snelheid van de motor met een resolver

Elektronische monitoring en besturing van mechanische systemen, zoals industriële motors, servo's, robotica en aandrijflijnen van voertuigen, zijn belangrijk om meer efficiëntie, betrouwbaarheid en veiligheid te verkrijgen. Voor een effectieve regeling is echter een zeer nauwkeurige rotationele hoek- en snelheidsbepaling vereist, wat niet gemakkelijk is gezien de elektrische ruis en zware omstandigheden die de omgeving oplegt. De oplossing? Een resolver die wordt ondersteund door een nauwkeurige resolver-digitaal-omzetter (R/D) en opamps.

Dit artikel bespreekt in het kort enkele problemen in samenhang met het verkrijgen van een nauwkeurige asmeting en -besturing en legt uit waarom resolvers voor veel toepassingen een goede optie zijn. Vervolgens wordt gedemonstreerd hoe de combinatie van een resolver, een R/D-omzetter zoals bijvoorbeeld de AD2S1210 van Analog Devices en passende driver-versterker- en filtercircuits een stabiel hoge-precisiesysteem voor positie- en snelheidsmeting en besturing kan opleveren.

Constructie van resolvers

De resolver is een elektromechanisch apparaat dat mechanische beweging omzet in een analoog elektronisch signaal. Het is in wezen een roterende transformator met een wisselspanningsuitgang die de hoekpositie van de as volgt. De resolver bestaat uit twee elementen: een rotor met enkele wikkeling en een vaste stator, waarbinnen de rotor draait. De primaire wikkeling van de resolver zit op de stator en de secundaire wikkeling zit op de rotor (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: een resolver met variabele reluctantie heeft twee ingangsklemmen (R1, R2), twee sinus-uitgangsklemmen (S1, S3) en twee cosinus-uitgangsklemmen (S2, S4). (Bron afbeelding: Analog Devices)

De meeste resolverspanningen liggen tussen de 2 volt rms en 40 volt rms, met frequenties van 50 Hertz (Hz) tot 20 kilohertz (kHz). De transformatieverhouding tussen de signaalamplitude van de primaire en secundaire wikkeling ligt tussen de 0,2 volt/volt (V/V) en 1 V/V. Over het algemeen vereist een high-performance resolver hoge ingangsspanningen, die op hun beurt elektronica met een hoger vermogen vereisen om te voldoen aan de voorwaarden voor een hoog uitgangsbereik en snellere slew rate. Hoeknauwkeurigheden variëren van 5 boogminuten tot 0,5 boogminuten, waarbij er 60 boogminuten in één graad en 60 boogseconden in één boogminuut zitten.

In Afbeelding 1 ligt de excitatie van de referentiewisselspanning (V_R = E₀SIN(wt)) voor de rotorwikkeling tussen R1 en R2. De geïnduceerde spanningsamplitude op elke statorwikkeling is evenredig met de sinus van hoek θ, tussen de as van de rotorspoel en de as van de statorspoel. Met een referentiewisselspanning van de rotoro van E₀ sinωt, zijn de uitgangsspanningen van de stator:

R1 – R2 = E₀ sinωt gelijk aan 1

S3 – S1 = T x E₀ sinωt x sin θ gelijk aan 2

S2 – S4 = T x E₀ sinωt x sin(θ + 90°) = T x E₀ sinωt x cosθ gelijk aan 3

De twee stator-uitgangssignalen zijn de door sinus en cosinus gemoduleerde ashoek. Een grafische weergave van het excitatie-sinussignaal, met een maximale amplitude op 90° en 270°, en de sinus- en cosinus-uitgangssignalen hebben een maximale amplitude op 0° en 180° (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: elektrische ingangs- (R1 – R2) en uitgangssignalen van een resolver. De twee stator-uitgangssignalen zijn de door sinus en cosinus gemoduleerde ashoek. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een compleet high-performance R/D-circuit biedt nauwkeurige meting van de hoekpositie en snelheid in luchtvaartelektronica, automotive toepassingen en kritische industriële toepassingen die hoge betrouwbaarheid vereisen over een breed temperatuurbereik (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: een high-performance R/D-circuit met differentiële uitgangsklemmen (EXC:/EXC) en differentiële sinusoïdale en cosinus-ingangsklemmen (SIN:SINLO, COS:COSLO). Merk op dat EXC gelijk is aan EXE in Afbeelding 5. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 3 heeft het R/D-circuit een stuurschakeling voor de resolverrotor met twee werkingsmodi: laag energieverbruik of hoge prestaties. In de modus voor laag energieverbruik werkt het enkele +6 volt voedingssysteem bij een verbruik van minder dan 100 milliampère (mA). Het complete systeem levert 3,2 volt rms (9,2 volt p-p) aan de resolver. In de high-performancemodus werkt het systeem met een enkele +12 volt voeding en levert 6,4 volt rms (18 volt p-p) aan de resolver.

De actieve 3^e orde-filters op de uitgang van het R/D-circuit naar de resolverrotor en resolverstatoruitgangen naar de SIN/COS ingangen van het R/D-circuit minimaliseren de effecten van de kwantisatieruis van het systeem. De maximale volgsnelheid van het R/D-circuit bedraagt 3125 omwentelingen per seconde (RPS) in 10-bits modus, met een resolutie van 21 boogminuten. In 16-bits modus is de maximale volgsnelheid van het R/D-circuit 156,25 RPS, voor een resolutie van 19,8 boogseconden.

Overwegingen bij het ontwerpen van signaalketens

Het AD2S1210WDSTZRL7 R/D-circuit van Analog Devices heeft een programmeerbare 10-, 12-, 14- of 16-bits digitaal-analoogomzetter (DAC) en 10-, 12-, 14- of 16-bits analoog-digitaalomzetter (ADC), twee 3^e orde-laagdoorlaatfilters en een resolver. Het eerste 3^e orde-filter zit op de uitgang van de R/D-omzetter naar de aansluitingen R1 en R2 van de resolverrotor. Het tweede 3^e orde-laagdoorlaatfilter verzamelt het sinusoïdale signaal van de resolverstator op S1 en S3 en het cosinus-signaal op S2 en S4. Over het algemeen vereist het systeem een ruim bemeten bandbreedte, voldoende uitgangsdrivercapaciteit en een optie om tussen de configuraties voor laag energieverbruik en hoge prestaties om te schakelen.

In dit circuit genereert de interne DAC van het R/D circuit een 1-0, 12-, 14- of 16-bits sinusvormig excitatiesignaal met een 3,6 volt peak-to-peak, met een bereik van 3,2 tot 4,0 volt.

Op de uitgang van de AD2S1210 zit een 3^e orde-laagdoorlaatfilter dat een AD8692ARMZ-REEL rail-to-rail opamp van Analog Devices en een AD8397ARDZ-REEL7 rail-to-rail versterker met hoge uitgangsstroom van Analog Devices bevat.

Met een voeding van +5 volt is het uitgangsspanningsbereik van de dubbele AD8692 low-noise CMOS opamp 0,29 tot 4,6 volt. De weerstanden en condensators die deze versterker omringen implementeren twee van de drie Butterworth filterpolen. De AD8397 versterker met hoge uitgangsstroom maakt implementatie van de energiezuinige modus versus high-performancemodus mogelijk met een schakelbare versterkingstrap en mogelijkheid tot hogere voedingsspanning, alsmede de derde pool van het laagdoorlaatfilter. Met een voeding van +6 volt naar de AD8397 bedraagt het uitgangsbereik 0,18 tot 5,87 volt. Met een voeding van +12 volt bedraagt het uitgangsbereik 0,35 tot 11,7 volt.

Aan de uitgangszijde van de stator is een viervoudige AD8694ARUZ-REEL low-noise CMOS rail-to-rail opamp van Analog Devices verbonden met de pinnen SIN (S1 en S3) en COS (S2 en S4) van de resolver. De AD8694, die deel uitmaakt van dezelfde familie als de dubbele AD8692, heeft een uitgangsspanningsbereik van 0,37 tot 4,6 volt met een voeding van +5 volt. De differentiële ingangen van de AD2S1210 R/D-omzetter (SIN, SOLO, COS, COSLO) hebben een standaard peak-to-peak signaabereik voor de sinusoïdale en cosinus-signalen van de resolver van 3,15 volt, met een bereik van 2,3 tot 4,0 volt.

Ideaal gesproken is in dit systeem het bereik van de totale faseverschuiving van de signaalketen gelijk aan n × 180° − 44° ≤ φ ≤ n × 180° + 44°, waar n een geheel getal is.

Details R/D circuit

Bij het signaalketenontwerp moeten amplitude en frequentie alsmede stabiliteit en faseverschuiving worden overwogen, terwijl het impedantiemodel van de rotorwikkeling van de resolver resistieve en inductieve elementen bevat.

Het excitatiesignaalbereik van het AD2S1210 R/D-circuit is 2 kHz tot 20 kHz, in stappen van 250 Hz. Het toegepaste excitatiesignaal van de rotor van de AD8397 interageert met een niet-ideale inductor en resistieve component. Een typische resistieve en reactieve component is 50 ohm (Ω) tot 200 Ω en0 Ω tot 200 Ω. Standaard rotorexcitatiespanningen kunnen maar liefst 20 volt p-p (7,1 volt rms) bedragen, dus het is van fundamenteel belang om rekening te houden met de maximumstroom en het maximale vermogensverbruik van de resolver-driver. Om met deze interface te kunnen werken, heeft de AD8397 een hoge uitgangsstroom (310 mA piek naar 32 Ω uit ±12 volt voedingen), een breed voedingsspanningsbereik (24 volt), een pakket met lage thermische weerstand (8-pins SOIC EP, θ_JA = 47,2°C/watt (W)) en rail-to-rail uitgangsspanning.

3^e orde-filter en stuurschakelingen resolver-excitatie

De interne DAC van de AD2S1210 genereert de excitatie-uitgangssignalen (EXC) die kwantisatieruis en vervorming produceren (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: 10 kHz-uitgangssignaal, gemeten op de excitatie-uitgangspin EXC van de AD2S1210. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Indien niet gefilterd zal de uitgangsruis van Afbeelding 4 op de EXC-pin van AD2S1210 zicht voortplanten door de resolver en terug worden gevoerd naar de pinnen SIN, SINLO, COS en COSLO van de AD2S1210.

Ook dient grote aandacht te worden besteed aan de versterkings- en signaalniveaus in het excitatiecircuit, zodat de uitgangsdriver van de AD8397 niet verzadigd raakt. De filter- en eindversterkertrap van het uitgangssignaal van de AD2S1210 komt tegemoet aan de hoge vereisten van de inductieve ingangstrap van de resolver (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: excitatie driver- en filtercircuit tussen de EXC-uitgangsklemmen van het R/D-circuit en de R1-ingangsklem. Merk op dat EXE equivalent is aan EXC in Afbeelding 2. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 4 is de dc-versterking van het AD8692 filtercircuit -1 V/V. De viervoudige SPTS-schakelaar S2 van ADG1612BRUZ-REEL van Analog Devices gaat dicht om de high-performancemodus met hoge VCC (≥ +12 V) te creëren. Wanneer S1 gesloten is, bedraagt de versterking van de AD8397 drivertrap ongeveer 2,5 V/V. De versterking van 2,5 V/V kan een 10 volt p-p-uitgang creëren vanaf een 4,0 volt p-p EXE-ingang. Voor de energiezuinige modus (S1 open) is de versterking gelijk aan 1,28 V/V. In deze configuratie produceert een 4,0 volt p-p EXE-ingang een uitgang van 5,12 volt p-p.

De configuratie van de AD8692 is een multiple-feedback (MFB) derde-orde Butterworth-laagdoorlaatfilter. Als algemene vuistregel geldt dat het product van de versterking-bandbreedte van de versterker (GBWP) tenminste twintig maal de -3 decibel (dB) grensfrequentie van het actieve filter is. De grensfrequentie is 88 kHz in Afbeelding 5, en de GBWP van de AD8692 is 10 MHz, oftewel 113 maal de grensfrequentie. De typische faseverschuiving van dit circuit is 180° ± 15°. In het circuit van Afbeelding 4 is de -3 dB grensfrequentie van het filter 88 kHz; de faseverschuiving is -13° bij 10 kHz.

De dubbele opamp AD8692 dient als actief 3^e orde Butterworth-filter om de ruis van het stuursignaal te verminderen (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: nadat het uitgangssignaal van de R/D-omzetter door de excitatie-driver en het filter is gegaan, is de ruis die meelift op het signaal aanzienlijk verminderd en is het signaal klaar voor de resolveringang bij R1. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De gegevens in Afbeelding 6 laten een significante vermindering in de kwantisatieruis van de interne DAC van de AD2S1210 zien.

Op dezelfde manier gebruiken de SIN (S1 en S3) en COS (S2 en S4) ontvangercircuits twee viervoudige AD8694-opamps als actief ruisfilter. De totale faseverschuiving tussen de EXC-pin van de AD2S1210 (CH1 geel) en de SIN-ingangspin (CH2 blauw) bedraagt ongeveer 40°, wat onder de maximale ontwerpwaarde van 44° ligt (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: er is een signaalfaseverschuiving, veroorzaakt door de analoge driver en filter naar resolveringang, de resolver en het analoge filter terug naar de R/D-omzetter. De screenshot van het scherm van de oscilloscoop illustreert de faseverschuiving tussen de EXC- en SIN-pinnen van de AD2S1210. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Systeemprestaties

Het evaluatiecircuit voor dit artikel gebruikt de EVAL-CN0276-SDPZ printplaat van Analog Devices en de EVAL-SDP-CB1Z systeemplatform-controllerprintplaat van Analog Devices (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: functioneel diagram van testopstelling voor Afbeeldingen 4, 6, 7, 10 en 11. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 8 maken passende 120-pins connectors tussen de twee printplaten een snelle opstelling en evaluatie van de prestaties van het circuit mogelijk.

De EVAL-CN0276-SDPZ bevat het complete circuit en de EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B) wisselt, in combinatie met de CN-0276 evaluatiesoftware, de gegevens van de EVAL-CN0276-SDPZ uit (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: de EVAL-CN0276-SDPZ printplaat bevat het complete circuit voor de R/D-omzetter. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Met de meting van de algehele systeemruis, een vaste positie ten opzichte van de resolver, genereert een Tamagawa TS2620N21E11, een uitgangscodehistogram. Het uitgangscodehistogram voor de 10-bits en 16-bits hoeknauwkeurigsmodi van de AD2S1210 toont de combinatie van de zendende DAC en ontvangende ADC (Afbeeldingen 10 en 11). In dit artikel heeft de TS2620N21E11 resolver een faseverschuiving van 0° en een transformatieratio van 0,5. De sinusoïdale (SIN) en cosinus- (COS) uitgangsbelastingen van de resolver zijn gelijk en zijn minstens twintig maal zo groot als de uitgangsimpedantie van de resolver.

Afbeelding 10: EXE verzendt in een 10-bits hoeknauwkeurigheid-modus, SIN/COS ontvangt met 16-bits ADC resolutie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afbeelding 11: EXC verzendt in 16-bits hoeknauwkeurigheid-modus, SIN/COS ontvangt met 16-bits ADC resolutie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 10 en Afbeelding 11 is VCC gelijk aan 12 volt, waardoor de volle 16 bits van de R/D-omzetter in de high-performancemodus worden gezet.

Conclusie

De combinatie van resolvers en een R/D-omzetter zoals de AD2S1210 van Analog Devices levert een degelijk hoge-precisiesysteem voor positie- en snelheidsregeling op motorbesturingstoepassingen in potentieel problematische omgevingen.

Om de beste prestaties te leveren, worden de AD8694 en AD8397 gecombineerd om buffer-/filtercircuits te creëren die de excitatiesignalen versterken en voor de juiste sturing naar de resolver zorgen, alsmede filtering en feedback van secundaire signalen. Met de variabele resolutie van de AD2S1210, generatie van referenties en diagnose op chip, biedt de R/D-omzetter een ideale oplossing voor resolver-toepassingen.