[瑞薩RH850學(xué)習(xí)筆記](méi)——RDC與旋轉(zhuǎn)變壓器

一、旋轉(zhuǎn)變壓器基本原理

旋轉(zhuǎn)變壓器

使用電磁式方法進(jìn)行角位移測(cè)量的傳感器。特點(diǎn)是穩(wěn)定性高，環(huán)境耐受力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，精度較高。

基本原理

• 本質(zhì)上是一種變壓器，具有一次側(cè)和二次側(cè)
• 在一次側(cè)施加正弦交變電壓，在二次側(cè)可得到頻率一樣的交流電壓。
• 機(jī)械結(jié)構(gòu)上與電機(jī)相似，具有定子與轉(zhuǎn)子。
• 轉(zhuǎn)子上的缺口影響一次側(cè)與二次側(cè)之間的磁導(dǎo)率。
• 進(jìn)而，二次側(cè)輸出電壓幅值與轉(zhuǎn)子相對(duì)位置有關(guān)
• 利用以上原理，即可測(cè)得轉(zhuǎn)子所處位置

信號(hào)波形

旋轉(zhuǎn)變壓器輸入及輸出信號(hào)波形如下圖所示。

其中，“勵(lì)磁電壓”即為前文所述施加在一次側(cè)的一定頻率、一定幅值的交變電壓；“出力電壓”即為二次側(cè)輸出的頻率與勵(lì)磁電壓一致，幅值變化的交變電壓；其中，“出力電壓”的包絡(luò)線與“回轉(zhuǎn)角θ”程正/余弦函數(shù)關(guān)系，“回轉(zhuǎn)角θ”即為轉(zhuǎn)子相對(duì)定子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。

極對(duì)數(shù)

根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，轉(zhuǎn)子上可能有多個(gè)孔隙，進(jìn)而導(dǎo)致出力電壓波形與回轉(zhuǎn)角θ呈sin(N*θ)/cos(N*θ)的函數(shù)關(guān)系（如下圖所示，此時(shí)N=4），此處的N稱為極對(duì)數(shù)。

機(jī)械角度/電角度

轉(zhuǎn)子在物理上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)周期對(duì)應(yīng)的角度θ稱為機(jī)械角度；
當(dāng)極對(duì)數(shù)不為1時(shí)，一個(gè)正余弦周期內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度換算成0~2π的角度φ稱為電角度。

旋轉(zhuǎn)變壓器端口

激勵(lì)信號(hào)輸入端口R1、R2
旋變信號(hào)輸出端口S1、S3、S2、S4

旋轉(zhuǎn)變壓器基本參數(shù)

• 激勵(lì)信號(hào)特性，包括幅值、頻率(R1-R2)
• 變壓比，激勵(lì)信號(hào)/輸出信號(hào)最大幅值之比
• 輸入阻抗，激勵(lì)信號(hào)輸入側(cè)阻抗

旋轉(zhuǎn)變壓器輸出公式

旋轉(zhuǎn)變壓器輸入、輸出公式如下：

二、R/D轉(zhuǎn)換基本原理

角度反饋法

根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號(hào)，計(jì)算出回轉(zhuǎn)角θ，并將其數(shù)字化存儲(chǔ)的過(guò)程稱為R/D轉(zhuǎn)換。角度反饋法是常見(jiàn)的R/D轉(zhuǎn)換方法。下圖為角度反饋法的原理框圖。

原理分析

R/D轉(zhuǎn)換的基本原理如下圖所示。

首先計(jì)算“控制偏差”??， ?=K×sin(θ??)×sin(ωt)?=K×sin?(θ??)×sin?(ωt)①。其中sin(ωt)sin?(ωt)為激勵(lì)信號(hào)，??為R/D轉(zhuǎn)換輸出的回轉(zhuǎn)角度結(jié)果值，θθ為旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)到的回轉(zhuǎn)角度值。
??經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電路(圖中COMP)后計(jì)算出一個(gè)新的??值，將新的??值代回公式①重新計(jì)算新的 ??值，數(shù)次迭代之后，將使 ?=0?=0 ，亦即θ=?θ=?，此時(shí)計(jì)算出的??值即等于回轉(zhuǎn)角θθ。

控制偏差??的計(jì)算

?=K?sinθ?sinωt×cos?+K?cosθ?sinωt×sin?=K?sin(θ??)?sinωt?=K?sin?θ?sin?ωt×cos??+K?cos?θ?sin?ωt×sin??=K?sin?(θ??)?sin?ωt①
結(jié)果①經(jīng)過(guò)比較器(圖中CMP)后,被轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；
再經(jīng)過(guò)同步判斷電路(圖中SYNCDET),去除激勵(lì)信號(hào)成分(K?sinωt)(K?sin?ωt),此時(shí)?=sin(ω??)?=sin?(ω??)②；
結(jié)果②輸入到補(bǔ)償電路(圖中COMP)進(jìn)行進(jìn)一步運(yùn)算

補(bǔ)償電路

控制偏差??首先輸入PI補(bǔ)償器，經(jīng)過(guò)如下公式計(jì)算成ωω，
再輸入給積分電路，計(jì)算成??。
ω=(α?Kp+(β?Ki)s?T)?Kv??ω=(α?Kp+(β?Ki)s?T)?Kv??
?=sin(θ??)?=sin?(θ??)，當(dāng)θθ和??差距較小時(shí)，?≈θ???≈θ??；故經(jīng)過(guò)PI補(bǔ)償器后計(jì)算出的ωω值實(shí)際上是角速度；角速度經(jīng)過(guò)積分得到角度??。
式中Kv、Kp、Ki一般可調(diào)，T為積分時(shí)間常數(shù)，s為拉普拉斯變量

三、接口電路

3.1 激勵(lì)放大電路分析

激勵(lì)放大電路：放大激勵(lì)信號(hào)（R1、R2）的硬件電路。一般RDC模塊直接輸出的激勵(lì)信號(hào)不能滿足旋轉(zhuǎn)變壓器所需激勵(lì)信號(hào)幅值、驅(qū)動(dòng)能力要求，需經(jīng)放大處理后使用。

勵(lì)磁電壓升壓放大電路（單電源供電）

• 使用單電源供電，電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單
• 電流反饋型電路，后級(jí)故障時(shí)不易損壞
• 放大勵(lì)磁信號(hào)，可提高信噪比

偏置電壓同向跟隨器電路

功能：為后級(jí)放大電路提供值為1/2 VEXT的偏置電壓
輸入：VEXT，旋變電路供電電源
輸出：1/2 VEXT，偏置電壓
參數(shù)調(diào)整：無(wú)

反相加法器電路

功能：將RSO信號(hào)反相，用于經(jīng)后級(jí)放大后，與同相放大信號(hào)構(gòu)成激勵(lì)信號(hào)差分輸出
輸入：RSO，激勵(lì)信號(hào)；COM，激勵(lì)信號(hào)共模電壓；VBIAS，偏置電壓
輸出：(-RSO)+(COM+VBIAS)
參數(shù)調(diào)整：無(wú)

電流反饋放大電路（R1）

功能：將同相的RSO信號(hào)通過(guò)電流負(fù)反饋放大，作為差分激勵(lì)信號(hào)的P端(正端)，施加給旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵(lì)線圈
輸入：去除直流分量的RSO信號(hào)
輸出：同相放大的RSO信號(hào)
參數(shù)調(diào)整：Rf、Rn決定放大比例；
Cn可影響相位；RIEXT影響激勵(lì)信號(hào)電流的大小。

電流反饋放大電路（R2)

功能：將反相的RSO信號(hào)通過(guò)電流負(fù)反饋放大，作為差分激勵(lì)信號(hào)的P端(正端)，施加給旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵(lì)線圈
輸入：去除直流分量、反相的RSO信號(hào)
輸出：反相、放大的RSO信號(hào)
參數(shù)調(diào)整：Rf、Rn決定放大比例；
Cn可影響相位；RIEXT影響激勵(lì)信號(hào)電流的大小。

3.2 激勵(lì)放大電路調(diào)參

旋轉(zhuǎn)變壓器參數(shù)

Excitation Input(Vref): 激勵(lì)信號(hào)幅值
Input Impedance(Zro): 旋變輸入阻抗

參數(shù)調(diào)整目標(biāo)

1. 調(diào)整電流放大倍數(shù)，使輸入端口兩端的電壓（R1 – R2）符合旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)電壓幅值參數(shù)。（調(diào)整輸出幅值）
2. 調(diào)整放大電路濾波元件參數(shù)，使激勵(lì)信號(hào)（R1-R2）與監(jiān)測(cè)信號(hào)（SINMNT、COSMNT）的相位偏移滿足要求。（調(diào)整相位偏移）

1.調(diào)整輸出幅值
Step1. 使用如下公式，計(jì)算激勵(lì)電流IREF
VREF = IREF * ZRO
其中，VREF為激勵(lì)信號(hào)幅值，ZRO為旋變輸入阻抗，均由旋變式樣書(shū)給定。
Step2.通過(guò)激勵(lì)電流計(jì)算電路參數(shù)（Rf與Rn比值）
IREF = (VRSO × Rf) / RIEXT × Rn)
其中，VRSO為RDC2nRSO引腳輸出信號(hào)峰峰值（2Vpp）；RIEXT為旋變激勵(lì)電流限定電阻，RIEXT ≤ (ZRO/10) [Ω]；其他限定條件包括Rf ≥ 50 kΩ, Cn × Rn ≥ 5 × 10-4 [s], Cf × Rf ≤5 × 10-6 [s]。
根據(jù)以上條件及計(jì)算出的Rf與Rn比值，可以確定一組Rf、Rn、Cf、Cn的參數(shù)。

※由于電路采用電流反饋，計(jì)算得出的輸出幅值可能與實(shí)際不同，需結(jié)合實(shí)際電路微調(diào)參數(shù)
輸出幅值檢測(cè)方法

• 將電路輸出的R1、R2端口與旋變傳感器的R+、R-端口連接
• 使用示波器兩個(gè)通道Ch1與Ch2，分別量取R1、R2對(duì)地電壓波形
• 使用示波器數(shù)學(xué)計(jì)算（Math）功能，將R1與R2的波形相減，波形顯示于通道Chm
• Chm通道顯示的波形即為激勵(lì)信號(hào)波形，其峰峰值（Vpp）即為預(yù)期中的旋變激勵(lì)信號(hào)幅值VREF；其中，VREF單位一般為Vrms，Vpp=√2 * Vrms
  

2.調(diào)整相位偏移
激勵(lì)信號(hào)（R1-R2）與監(jiān)測(cè)信號(hào)（SINMNT、COSMNT）之間的相位偏移將導(dǎo)致角度誤差。調(diào)整激勵(lì)放大電路中Cf參數(shù)可以改善相位偏差，同時(shí)需遵守Cf × Rf ≤5 × 10-6 [s]的限定條件。
相位偏移測(cè)量及計(jì)算方法
旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子至零度位置，SINMNT和COSMNT輸出波形如有圖所示。使用示波器光標(biāo)測(cè)量R1、R2的交越點(diǎn)與SINMNT、COSMNT交越點(diǎn)處的時(shí)間差，記作Ts,激勵(lì)信號(hào)周期作D。
相位偏移量Ps[deg]= 360[deg] * (Ts[us]/D[us]）。

3.3 旋變輸入電路分析

旋變輸入電路（單電源供電）

• 減法器電路
• COSMNT = (S1-S3)x(RF/(RIN+600))
• SINMNT = (S2-S4)x(RF/(RIN+600))
• Cc:共模濾波電容;CN:差模濾波電容
• RH/RL用于檢測(cè)斷線的直流偏置電阻
  

3.4 旋變輸入電路調(diào)參

調(diào)參目標(biāo)：
COSMNT/SINMNT的峰峰值Vpp在2~3V之間
計(jì)算RIN：
Vcosmnt或Vsinmnt = VIN x (RF/(RIN+600))
其中，RF約為21K，VIN為(S1-S3)或(S2-S4)。
計(jì)算RH/RL：
作為斷線檢測(cè)電阻，RH和RL取值應(yīng)在如下公式計(jì)算值的80%~100%之間
RH ≈ {(RVDD – VCOM) / (22.0 × 10-6)} –RIN
RL ≈ {VCOM) / (22.0 × 10-6)} –RIN
其中RVDD為旋變電路供電電壓，VCOM為RVDD/2

四、RDC2模塊介紹

RDC2模塊

RH850/C1x芯片內(nèi)建了R/D轉(zhuǎn)換模塊，稱為RDC2。
其中，RH850/C1H芯片有兩個(gè)RDC2通道；RH850/C1M芯片中只有一個(gè)RDC2通道。
RDC2模塊實(shí)現(xiàn)的基本功能為：將包含旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角信息的模擬量轉(zhuǎn)換為最高16位精度的數(shù)字量。

RDC2模塊的具體功能如下表