ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОТСЧЕТОВ РЕЗОЛЬВЕРА В ЦИФРОВОЙ КОД С РАЗРЕШЕНИЕМ ОТ 10 ДО 16 бит

Функциональная схема преобразователя отсчетов резольвера в цифровой код, отличающегося высокой точностью и скоростью измерения углового положения, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема преобразователя отсчетов резольвера в цифровой код

Резольвер – это вращающийся синуснокосинусный трансформатор, предназначенный для преобразования угла поворота в электрическое напряжение, амплитуда которого пропорциональна углу.
Собственно преобразователь AD2S1210 предназначен для применения в автомобильной электронике, авионике, промышленном оборудовании и может использоваться в тяжелых условиях эксплуатации, включая широкий диапазон рабочих температур. Преобразователь включается как внешний элемент – драйвер ротора, работающий в двух режимах: с высоким разрешением или с малым потреблением. В первом режиме напряжение питания драйвера, выполненного на ИМС AD8397, составляет 12 В и он поддерживает входное напряжение резольвера на уровне 6.4 В, с.к.з.или 18 В от пика до пика, во втором – напряжение питания драйвера уменьшается до 6 В, а напряжение на резольвере составляет 3.2 В, с.к.з. или 9.2 В от пика до пика, при этом ток потребления измерительного канала в целом не превышает 100 мА.

Наличие активного фильтра на входе драйвера позволяет уменьшить уровень шумов квантования в преобразователе. Преобразователь AD2S1210 поддерживает разрешение 10 бит при скорости вращения ротора 3125 оборотов в секунду и 16 бит – при скорости вращения ротора 156.25 оборотов в секунду. В первом случае разрешение составляет 21 угловую минуту, а во втором – 19.8 угловых секунд.
Измерительный канал преобразователя обеспечивает высокую стабильность амплитудно-частотной и фазовой характеристик. Кроме того, при проектировании измерительного канала необходимо учитывать импеданс обмотки ротора. Частотный диапазон сигнала возбуждения преобразователя AD2S1210 находится в пределах от 2 до 20 кГц с инкрементом 250 Гц. Отметим, что сигнал возбуждения поступает в обмотку ротора резольвера, которая не является идеальной индуктивностью и имеет как активное сопротивление в диапазоне от 50 до 200 Ом, так и реактивное – в диапазоне от 0 до 200 Ом.
Так, например, импеданс резольвера TS2620N21E11 фирмы Tamagawa, упрощенная электрическая схема которого приведена на рис. 1, составляет (70 + j100) Ом на частоте 10 кГц. Пиковое напряжение сигнала возбуждения на выходе преобразователя составляет 20 В (7.1 В – с.к.з.), поэтому в качестве драйвера выбран ОУ AD8397 с напряжением питания до ±12 В и максимальным током нагрузки 350 мА. Сигнал возбуждения формируется встроенным в преобразователь AD2S1210 ЦАП. Для уменьшения шумов квантования на выходе ЦАП в драйвере измерительного канала используется выполненный на ОУ AD8692 активный фильтр Баттерворта 3-го порядка, рис. 2. Приемники выходных SIN/COS-сигналов резольвера выполнены на основе счетверенного ОУ AD8694. В цепь приемника, кроме того, включен ФНЧ Баттерворта 3-го порядка.

Измерительный канал преобразователя (рис.1) имеет следующие параметры:
• уровень сигнала на выходе преобразователя AD2S1210: минимальный – 3.2 В, типовой – 3.6 В, максимальный – 4.0 В
• уровень сигнала на выходе ОУ AD8692 при напряжении питания 5 В составляет от 0.29 до 4.6 В
• уровень сигнала на выходе ОУ AD8397 при напряжении питания 6 В составляет от 0.18 до 5.87 В, а при напряжении питания 12 В – от 0.35 до 11.7 В
• коэффициент трансформации резольвера TS2620N21E11 составляет 0.5, фазовый сдвиг – 0°
• уровень сигнала на выходе ОУ AD8694 при напряжении питания 5 В составляет от 0.37 до 4.6 В
• размах дифференциального сигнала на входе преобразователя AD2S1210: минимальный – 2.3 В, типовый – 3.15 В, максимальный – 4.0 В
• нагрузка двух выходных каналов резольвера должна быть одинаковой, причем сопротивление нагрузки должно быть не менее чем в 20 раз больше его выходного импеданса
• общий фазовый сдвиг в измерительном канале должен находиться в пределах:
n•180° – 44° ≤ φ ≤ n•180° + 44°,
где n – целое число.
Упрощенная принципиальная схема драйвера с фильтром Баттерворта для сигнала возбуждения приведена на рис. 2.

Рис. 2. Упрощенная принципиальная схема драйвера измерительного канала

Учитывая то, что в измерительном канале преобразователя используются две таких цепи, параметры обеих должны быть идентичны. Усилитель в схеме фильтра Баттерворта имеет коэффициент усиления, равный 1 на постоянном токе. Коэффициент усиления драйвера, выполненного на ОУ AD8397, равен 2.5 при разомкнутом ключе S1 (ADG1612), что позволяет получить максимальную амплитуду сигнала возбуждения, равную 10 В при напряжении питания 12 В. Если ключ S1 замкнут и напряжение питания ОУ AD8397 равно 6 В, то максимальное выходное напряжение равно 5.12 В.

Фильтр Баттерворта 3-го порядка, выполненный на ОУ AD8692, имеет частоту среза 88 кГц и фазовый сдвиг -13°, коэффициент усиления на постоянном токе равен 1 при частоте сигнала возбуждения 10 кГц. АЧХ фильтра приведена на рис. 3. На рис. 4 и 5 приведены осциллограммы сигнала возбуждения резольвера на входе и выходе фильтра, соответственно.

Рис. 3. АЧХ ФНЧ третьего порядка

Рис. 4. Осциллограмма зашумленного сигнала возбуждения на выходе резольвера

Рис. 5. Осциллограмма сигнала возбуждения на выходе ФНЧ

На рис. 6 приведена упрощенная принципиальная схема приемника преобразователя AD2S1210. Она включает фильтр Баттерворта 3-го порядка и усилитель с программируемым коэффициентом усиления. АЧХ этого приемника при высоком коэффициенте усиления, равном 1.64, приведена на рис. 7.
Осциллограмма SIN/COS-сигнала на входе преобразователя AD2S1210 приведена на рис. 8. Осциллограммы входного и выходного сигналов преобразователя AD2S1210 приведены на рис. 9.
В связи с тем, что в преобразователе AD2S1210 используются два канала для формирования сигналов возбуждения резольвера и два канала – для приема ответных сигналов, требуется согласовать их работу. Для этого в измерительном канале может быть использован детектор уровня напряжения типа ADM638-22, обеспечивающий слежение за уровнем напряжения питания VCC. Если это напряжение, значение которого должно быть равно 12 В, станет ниже 11.5 В, на выходе детектора сформируется сигнал высокого уровня, который будет свидетельствовать о нарушении режима работы измерительного канала. Отметим, что ток потребления детектора уровня не превышает 1 мкА. Поэтому его использование в измерительном канале практически не приведет к увеличению энергопотребления канала в целом. Схема включения детектора приведена на рис. 10.

Рис. 6. Упрощенная принципиальная схема приемника для преобразователя AD2S1210

Рис. 7. АЧХ приемника преобразователя AD2S1210 при высоком коэффициенте усиления

Рис. 8. Осциллограмма SIN/COS-сигнала на входе преобразователя AD2S1210

Учитывая то, что напряжение питания усилителя мощности AD8397 в схеме измерительного канала составляет ±12 В, а нагрузкой усилителя является обмотка ротора резольвера с низким импедансом, равным (70 + j100) Ом на частоте 10 кГц, необходимо правильно рассчитать мощность рассеяния ИМС усилителя мощности, чтобы не допустить нагрева обмотки выше допустимой температуры, равной 150 °С. Подробный расчет режима работы этого усилителя при минимальной нагрузке содержится в оригинале настоящей статьи.

Рис. 9. Осциллограммы сигналов на входе и выходе преобразователя AD2S1210

Рис. 10. Схема включения детектора ADM638-22

Учитывая то, что напряжение питания усилителя мощности AD8397 в схеме измерительного канала составляет ±12 В, а нагрузкой усилителя является обмотка ротора резольвера с низким импедансом, равным (70 + j100) Ом на частоте 10 кГц, необходимо правильно рассчитать мощность рассеяния ИМС усилителя мощности, чтобы не допустить нагрева обмотки выше допустимой температуры, равной 150 °С. Подробный расчет режима работы этого усилителя при минимальной нагрузке содержится в оригинале настоящей статьи.
Отметим, что преобразователь AD2S1210 может быть использован с различными типами резольверов. Для этого необходимо согласовывать его по входу и выходу с соответствующими входами/выходами резольвера выбранного типа. С этой целью в цепи обратной связи усилителей-драйверов могут быть включены резисторы других номиналов по сравнению с теми, которые приведены в схемах рис. 2 и 6. В то же время, фазовый сдвиг между входными и выходными сигналами должен оставаться прежним – в пределах
n•180° – 44° ≤ φ ≤ n•180° + 44°.
Для отладки преобразователя AD2S1210 компания Analog Devices разработала оценочную плату EVAL-CN0276-SDPZ (рис. 11), причем в качестве управляющего контроллера, для этой платы может быть использован контроллер как разработки компании Analog Devices, так и других производителей.

Рис. 11. Внешний вид оценочной платы EVAL-CN0276-SDPZ
для настройки параметров преобразователя AD2S1210

ВЫВОДЫ
1. В настоящее время в промышленности широко применяются резольверы или синусно-косинусные трансформаторы. Для преобразования сигналов с выхода резольверов разных типов в цифровой код и формирования сигналов возбуждения обмотки ротора компания Analog Devices разработала прецизионный преобразователь AD2S1210.
2. Для отладки как самого преобразователя, так и внешних каналов приемника и передатчика, компания Analog Devices разработала набор оценочных плат, применение которых позволяет быстро и эффективно настроить преобразователь на работу с любым типом резольвера.