旋轉變壓器電氣參數綜合檢測平臺的開發

唐文濤，李得至，彭 佳，連大偉，顏 明

(1.荊楚理工學院，荊門 448000，2.襄陽寒樺精機有限公司，襄陽 441021)

0 引言

磁阻式旋轉變壓器(簡稱旋變)作為永磁電機的位置傳感器，在汽車、航空等領域應用廣泛。其天生具有結構簡單、加工方便，能夠連續高速、長壽命地運行的特點，具有抗干擾、耐高低溫、耐濕度等優點，使旋變成為隨動系統和伺服控制系統中不可替代的部件[1-3]。關于旋變的設計及開發目前已有較多的報道，但是有關它的電氣參數的檢測系統，目前主流的技術標準是基于GJB2143A多極和雙通道旋變通用規范中電氣參數測試方法規定來實施[4]。以旋變的電氣誤差為例，測試所有零位的電氣誤差，在最大正、負零位誤差所處零位的極對下各測一對極的電氣誤差，每對極測24點（電氣角度每隔15°測一點），取各位置誤差中的最大值的絕對值為旋變的電氣誤差?；谠撛泶罱ǖ南到y，存在效率低、角度分辨率不高不能實際反映旋變電氣角度誤差等缺點，在旋變的研發階段尚可，但是在生產環節卻顯得不足。

本文以52-4對極旋變為例，搭建和開發了一種高效、高精度旋轉變壓器電氣參數綜合檢測平臺，能對旋變的電氣角度誤差、零點誤差、變壓比、阻抗、相位移、諧波分量等參數進行實時的檢測，并能將各參數保存。平臺具有較高的精度、可移植性、及可靠度，適用于旋變的研究、開發、生產等環節。

1 正余弦旋轉變壓器工作原理

旋轉變壓器由定子和轉子組成，定子槽上分別繞有正弦勵磁繞組，正弦輸出繞組及余弦輸出繞組。旋轉變壓器是利用轉子與齒槽之間氣隙的變化，使兩相信號繞組輸出的感應電動勢與轉子轉角成正余弦變化關系。當轉子轉過一個電氣周期時，輸出電壓變化周期數等于極對數。輸出兩相信號繞組輸出電壓具有相同幅值、頻率，且對稱布置，相位相差90°，正弦和余弦信號分別如式(1)、式(2)所示[5-7]：

式中：ku為電壓變比，u1為勵磁電壓幅值；ω為勵磁頻率；P為轉子極對數；θ為轉子角。

要求解電氣誤差，實際旋變角度的解算就是關鍵。根據兩相信號繞組輸出基波電壓同相分量的包絡線的正切值，即可計算出轉子的位置信息，如式(3)所示[8-10]：

式(4)中通過對輸出兩相值的符號，確定轉子實際的角度位置θ′，即：當sin＞0且cos＞0時，轉子位于第一象限，取i=0；當sin＞0且cos＜0時，轉子位于第二象限，取i=1；當sin＜0且cos＜0時，轉子位于第三象限，取i=2；當sin＜0且cos＞0時轉子位于第四象限，取i=3。

2 平臺的硬件結構

硬件結構主要由數據獲取及數據處理兩部分構成，具體如圖1平臺的總體架構所示。作為數據處理主體的上位機獲取阻抗測試儀中的阻抗值并得到中央處理模塊中旋變的勵磁信號及輸出正、余弦信號和并進行處理，通過上位機界面顯示出電氣參數信息。

圖1 平臺總體架構

平臺控制過程如下：首先信號源提供0.7V，10kHz的電壓脈沖信號，同時上位機通過RS232串口控制PLC[11]，將繼電器1和繼電器2打開，待測旋變獲得電壓有效值7V,頻率10kHz的勵磁信號，上位機通過RS232串口獲得旋變的阻抗信息；其次，PLC通過繼電器將阻抗測試儀關閉，旋變兩路模擬輸出信號打開；隨后，PLC通過電磁閥給轉臺通電，上位機通過RS232串口控制電機驅動器，并驅動轉臺，中央處理器獲得轉臺轉動角度的增量脈沖信號，即可得到旋變旋轉角度的參考信號，與此同時，中央處理器也獲得了旋變輸出的兩路模擬輸出信號，上位機通過調用中央處理器API將旋變的兩路模擬信號轉換成兩路數字信號；最后，上位機從中央處理器中獲取旋變角度的參考信號和實際信號，并分析與解算相關參數。需要強調的是，由于轉臺輸出的角度信號為增量脈沖信號，由于其角度分辨率高及數據處理時采樣率高，可以得到較高精度的旋變角度參考信號及擬合出純凈的勵磁信號，由此保證電氣參數解算的精度。

2.1 中央處理模塊

中央處理模塊選擇PICO 5442D MSO示波器，主要完成兩路模擬信號的采樣，并將它們和轉臺輸出的角度信號發送到上位機。硬件系統帶寬（-3dB）60M；4個模擬通道，16個數字通道，滿足系統兩路模擬信號輸入，1路數字信號輸入的要求；USB3.0、3個通道時，使用Pico SDK，在14位模式時最大采樣率達到125MS/s，緩沖區內存128 MS；輸入范圍±10mV至±20V全量程，根據旋變的實際輸出電壓范圍，本系統選擇±5V全量程，電壓分辨率0.3mV；噪聲（在±10mV范圍），在14位模式下為100μV RMS。PICO 5442D MSO可以使用各種采樣模式捕獲數據，本系統采用塊模式，采樣率選取最大值125MS/s，模擬通道和1個數字通道的AD通道采樣點數為83885764個，14位采樣數據以二個字節存儲，充分利用了緩沖區最大空間。對旋變輸出兩路信號的采樣完全同步，保證了兩路信號的正交。

相關接口函數如下：

ps5000aOpenUnit：打開PICO 5442D MSO；

ps5000aSetChannel：選擇通道范圍和AC/DC耦合；

ps5000aSetDigitalPort：設置數字端口；

ps5000aGetTimebase：選擇時基，直到每個樣本所需的納秒為止；

ps5000aSetSimpleTrigger：使用觸發設置功能設置采樣觸發；

ps5000aSetTriggerDigitalPortProperties：設置各個數字通道的觸發方向；

ps5000aSetTriggerChannelConditionsV2；設置通道或端口的觸發條件；

ps5000aRunBlock：啟動示波器運行等到示波器準備就緒；

ps5000aBlockReady：回調（或使用ps5000aIsReady）；

ps5000aSetDataBuffer：告訴驅動程序內存緩沖區在哪里；

ps5000aGetValues：從示波器傳輸數據塊

ps5000aStop：停止使用；

ps5000aCloseUnit：關閉設備。

2.2 轉臺及驅動器

轉臺選擇橫川DD馬達DMFE80-003RE型號，驅動器選擇VCII-03-230。馬達瞬時最大輸出扭矩3.5N·m，連續最大扭矩1N·m，最大轉速4rps,額定轉速2rps，編碼器分辨率1205760pulse/sev，絕對精度±32/±10arc-sec,重復定位精度±1.5arc-sec，負載安裝面機械精度小于5μm。

轉臺的調試：首先，調整KNLD（微分增益），將KNLP(比例增益)設置為默認值的一半，將KNLI(積分增益)和KNLIV（導數-積分增益）設置為零，增加KNLD，直到ICMD（電流指令）出現振蕩。ICMD紋波的可接受水平主要取決于負荷：輕負荷（＜2x轉動慣量），額定電流的5%為正常水平。其次調整KNLP，增加KNLP的值，直到PE（位置誤差）出現振蕩。隨著KNLP比例增益的增加，各個運動相（加速、穩定、減速）的位置誤差都達到穩定值。最佳效果為：各個運動相的位置誤差達到恒定，并且在換相時（加速到穩定、穩定到減速、減速到停止）沒有振蕩。接著增加KNLIV，直到PE出現振蕩，增加KNLIV增益，以減少位置誤差，降低對外部擾動的敏感性，同時減少停止時的穩定狀態位置誤差。當KNLIV比例增益增加時，各個運動階段（加速、穩定、減速）的位置誤差減少。當每個運動階段轉換后，位置誤差以最快可能速度降低，且轉換時不存在振蕩時，則調整達到最佳狀態。隨后調整KNLI，KNLI用來減少運動期間和停止時的位置誤差。在不產生過沖或振蕩的前提下，應盡量提高KNLI。最后調整kiff Spring 增益（柔性系統補償）。系統中NLPEAFF值體現的是電機和符合間連接的自然振蕩頻率。系統柔性越高，此頻率越低。因此NLPEAFF的調整從最高值開始，然后逐漸降低。

轉臺調試后，評價了轉臺在不同轉速下的PE。由于系統將PE以脈沖數形式呈現，通過下列公式一能將脈沖誤差轉換成角度誤差：

其中，每轉線速為8194，反饋類型為128?？紤]到轉臺啟動和終止時加減速的影響，采用轉臺旋轉1.5圈，即旋變此時經過1.5個機械周期，在中間穩定轉速的1個機械周期中評價角度誤差。通過圖2所示，可以明顯發現，轉臺在穩定轉速10rpm，100rpm和150rpm下，最大誤差角度分別約為±4.7秒，±9.3秒及±12.4秒。為滿足實際生產中測試效率與測量精度的需求，轉臺速度可以選擇100rpm，每臺旋變的檢測時間約為3秒。增量差分光柵脈沖信號通過驅動器發送到編碼器差分轉換模塊進行處理。差分轉換模塊輸出的是16位數字信號，需要在PICO 5442D MSO提取其中第三位數據即1路光柵脈沖信號。該脈沖信號其中有一定的雜波成分，需要再次經過PICO 5442D MSO示波器濾波處理。

圖2 不同轉速下PE(位置誤差)

2.3 阻抗測試儀

阻抗測試儀選用同惠TH2810D型LCR數字電橋。TH2810D提供與PC通訊的RS232接口，全雙工異步通訊，通過該接口可以實現所有面板按鍵功能，并可通過該接口查詢儀器的測量狀態采集測試結果。主機發送的命令以ASCII代碼傳送，以NL（即換行符，ASCII代碼10）為結束符，TH2810D收到結束符后才開始執行命令。TH2810D一旦執行到查詢命令，將立即發送查詢結果。為了保證測試結果穩定準確，選擇TH2810D的SLOW測試速度，每秒約2.5次；根據旋變的電阻范圍，選擇TH2810D在100源內阻時，1K量程；波特率9600bps，數據位8BIT，停止位1BIT。

2.4 信號源

信號源選用普源RIGOL DG4202函數/任意波形發生器。該設備最高可輸出200MHz正弦波，能滿足激勵源10KHz頻率的要求，具有500MSa/s采樣率，14bits垂直分辨率，具有2ppm高頻率穩定度，相位噪聲低至-115dBc/Hz，可生成穩定、純凈的信號。盡管輸出信號電壓有效值幅值為0.7V，通過功率放大器后，經過頻譜分析，可以得到電壓有效值幅值為7V,頻率為10kHz的純凈的正弦勵磁信號，可以有效地消除電源中攜帶的諧波對旋變的解算角度的影響。

2.5 轉臺定位部件

轉臺定位部件如圖3所示，整體結構采用7075鋁合金非導磁材質設計加工，裝配精度0.02mm[12]。轉子固定在轉臺軸，兩個壓緊氣缸-2保持轉子水平固定，壓緊氣缸1及兩個固定端構成三角結構，保持旋變在平面上的穩定。端子壓緊氣缸用來保持旋變與外接信號線路的無縫連接。氣缸的開、斷由PLC控制，定、轉子同心度0.02mm。

圖3 轉臺定位部件

3 平臺的軟件結構

PICO 5442D MSO示波器提供了豐富的API，基于數據精度處理的需要，上位機中數據的處理及參數的顯示通過MATLAB平臺來實現[13]。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 平臺軟件流程圖

具體過程如下：初始化相應串口，定子轉子同心定位；轉臺轉動，阻抗檢測儀檢測旋變的阻抗值,設置阻抗值的范圍值，通過得到的實際值和這個范圍值來進行比較，來判斷阻抗是是否合格，如果不合格程序將直接結束；將示波器采集到的脈沖信號進行濾波優化處理，并得到同頻方波信號；方波轉換為同頻同幅值勵磁信號，根據脈沖數也能得到電機的旋轉角度即旋變旋轉的參考角度；由于輸出兩相信號中存在同頻的高頻干擾，通過差分運算，對連續尖峰和現實的電磁干擾又很好的抑制，由此排除共模噪聲的干擾[14-15]；將得到的正余弦調制信號做幅值檢波，由此得到輸出的正余弦信號，并做傅里葉分析，得到包括基波在內的諧波信號，并獲得兩相信號基波電壓的同向分量；通過正切法和角度象限判斷可以解算出旋變的實際角度；通過實際角度和參考角度可以得到旋變的電氣角度誤差；按照國標要求，從零位誤差最大值來確定電氣誤差的的電氣周期，把該周期內電氣角度誤差的正向和負向最大偏差偏差值分別作為旋變的最大正向和負向電氣角度誤差；輸出基波同向分量的電壓幅值與勵磁電壓幅值的比值即為變壓比；最后將阻抗值、電氣誤差、零點誤差、變壓比、諧波分量等參數在界面上顯示。圖5中藍色代表勵磁信號、紅色代表正弦調制輸出信號，綠色代表正弦調制輸出信號同向分量包絡線。

圖5 勵磁信號、輸出正弦信號及其包絡圖

徑向磁路磁阻式旋轉變壓器相對于繞線式旋轉變壓器來講，具有體積小、結構簡單、成本低等特點，因此可靠性好、故障少、壽命長[16]。但是由于徑向磁路的磁阻式旋轉變壓器在轉子位置變化時，氣隙長度隨之不斷改變，因此輸出阻抗值不固定，并且受負載影響較大，且氣隙磁導中含有較大成分的高次諧波。諧波的存在影響旋變的電氣誤差，為分析輸出精度，對波形提取包絡線后實施傅里葉變換并獲取各諧波分量。傅里葉變換需滿足狄利克雷條件，即滿足有限個間斷點和極值點的條件，x(n)絕對可和，即滿足表達式的條件[17]。由于系統采用長方形窗口傅里葉變換，故窗口內的波浪激勵數據點數N為常數，顯然一個電氣周期內，兩相輸出信號有限數據均滿足該條件。則N點序列x(n)的離散傅里葉變換（DFT）為：

式中，i=0，1，2，…，N-1；。根據DFT，未知頻率激勵力可分解為幾種頻率正弦波形及噪聲疊加，分析該波頻率含量，可得系列頻率正弦波：

式中，F1-Fn為分解所得n次正弦波對應的幅值；ω1-ωn為分解所得n次正弦波對應的角頻率；?1-?n為分解所得n次正弦波對應的初相位。不同角頻率正弦波對應的幅值可以反映出旋變的諧波特性。

取一個電氣周期的勵磁信號同向分量，如圖6上所示，經過FFT運算后，頻譜如圖6所示，可見基波占主導，直流分量和其他諧波分量接近0值，證明同向基波分量的提取是可靠的。

圖6 勵磁信號同向分量及其FFT譜分析

4 系統展示

52-4對極旋轉變壓器電氣參數綜合檢測平臺轉臺如圖7左所示，圖7右為硬件控制平臺[18]；圖8中顯示了產品的上位機界面，能實現零點偏差、正向電氣誤差、負向電氣誤差、阻抗值、變壓比、相位移、諧波分量的檢測，并依據電氣角度誤差±30分，輸入阻抗值120±20Ω，輸出阻抗值408±20Ω，變壓比0.286±10%，作為產品是否合格的標準。上位機界面中最下部的綠線顯示了一個機械周期的電氣角度誤差，黃線部分為零點偏差最大電氣周期的電氣角度誤差的曲線，代表了旋變的精度分。該測試旋變電氣誤差正向偏差為18.1365分，負向偏差為6.7117分，零點偏差6.3532分，輸入阻抗值100.058Ω，正弦輸出阻抗456.701，余弦輸出阻抗456.927，正弦輸出項與勵磁項的變壓比0.26583，余弦輸出項與勵磁項的變壓比0.26261，正弦輸出項相位移-6.8141度，余弦輸出項相位移-7.6339度，正弦輸出項直流量、基波、二次諧波、三次諧波、四次諧波、五次諧波分別為-11.8mV、2646mV、4.18mV、1.36mV、1.04mV、6.3mV,相應余弦項為-10.1mV，2606mV，4.16mV，1.9mV，1.38mV，6.41mV。測試結果顯示該產品合格。除此之外界面也定義了部分的快捷鍵操作功能。對測試原始數據都保存在excess中，如圖9所示，方便對不同產品的不同參數的數據進行分析和處理。

圖7 旋變綜合測試硬件平臺

圖8 系統上位機界面

圖9 實驗數據保存

5 結語

PICO 5442D MSO的采樣頻率遠高于轉臺勵磁脈沖頻率，轉臺的絕對精度決定了勵磁信號角度的精度，也就是系統的電氣誤差的精度，即±10arc-sec；因為勵磁電壓為標準純凈的信號，變壓比的精度由PICO 5442D MSO的采樣精度決定，盡管采樣位數為14位，但是差分處理后，實際采樣位數為15位，以兩相輸出幅值電壓有效值為2V計算，電壓精度為61μV；系統檢測時間主要由阻抗儀檢測時間、轉臺運動時間及上位機數據處理時間決定，在轉臺以100 rpm轉速在1周半內及TH2810D的SLOW測試速度下，經測定完成一次檢測需要15秒。輸出阻抗精度由阻抗測試儀精度決定，為100Ω±5%。