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AD2s1205,励磁,正弦(一)
旋变位置解码系统的设计
【摘要】基于旋转变压器及其解码芯片的原理与特点，采用AD2S1205解码芯片构建了旋变位置解码系统，并设计了相应的硬件电路、软件解码程序，搭建了旋变解码测试系统。实验结果表明，旋变位置解码电路设计合理，信号时序正确，能够输出稳定可靠的位置信号。 【关键词】旋转变压器；AD2S1205；位置信号
1.引言
随着永磁同步电机在工业、农业、航天等各领域的广泛应用，永磁同步电机在电动汽车驱动系统领域也得到同步发展。众所周知，永磁同步电机的稳定可靠运行，需要安装位置传感器来检测位置信号。因旋转变压器（简称旋变）通过与相应的解码芯片配合即可对电机转子位置进行检测，所以旋变作为较为可靠的绝对位置传感器被广泛采用。目前很多专家学者开始研究旋变位置解码系统[1-4]，随着旋变及其解码芯片技术的不断发展，旋变的可靠性更高，解码电路也更加紧凑。本文采用当前最新一代可变磁阻旋变和与之配合的解码芯片AD2S1205，设计了相应的旋变位置解码系统，并通过测试系统验证了系统的可靠性。
2.旋变工作原理
旋变的通常配置是初级绕组位于转子上，两个二次绕组位于定子上。本系统采用的可变磁阻旋变的转子上则不存在绕组，如图1所示，初级绕组和二次绕组均位于定子上，转子的这种特殊设计可使得次级耦合随着角位置变化而发生正弦变化。
图1 旋转变压器原理图
无论何种配置，旋变正弦绕组的输出电压是，余弦绕组的输出电压是，如（1）式和（2）式所示。其中：为轴角，为转子激励角频率，E0为转子激励幅度。
（1）
（2）
可变磁阻旋变初级绕组采用交流基准源激励，两个次级绕组机械上交叉90°。定子二次绕组上耦合出的电压幅度是转子相对于定子角位置的函数，旋变输出信号如图2所示。
图2 旋变输出信号
转换器跟踪轴角的原理为，转换器产生输出角，然后反馈以与输入角相比较。当转换器正确跟踪输入角度时，二者之间的误差将被驱动至0。为了测量误差，将（1）式乘以，（2）式乘以，其差值为：
（3）
通过利用内部产生的合成参考来解调该信号，（3）式可简化为（4）式：
（4）
当角度误差的值很小时，（4）式即近似等于。AD2S1205具备一个由相位敏感解调器、积分器和补偿滤波器形成的闭环系统，可力求使误差信号归零。当该目标实现时，在转换器的额定精度范围内，输出角即等于旋变角度。
3.硬件电路设计
硬件电路的设计是围绕AD公司的解码芯片AD2S1205展开的。首先，该芯片是一款完整的12位分辨率跟踪分解器数字转换器，内置可编程正弦波振荡器，为旋变提供正弦波激励，工作频率范围为8.192MHz±25%。该芯片采用Type II跟踪环路，可用于跟踪输入信号，并将正弦和余弦输入端的信息转换为角度和速率所对应的数字量，其最大跟踪速率是外部时钟频率的函数。Type II跟踪环路能够连续输出位置数据，且没有转换延迟，它还能提供噪声抑制，以及参考和输入信号的谐波失真容限。
图3为旋变解码电路原理图。首先由AD2S1205解码芯片产生差分正弦励磁信号，经过运放放大、跟随后，通过推挽的方式输出到电机旋变。电机旋变返回的差分信号、，经IC26运算后送AD2S1205进行处理。SINLO和COSLO同时接入到REFOUT的目的是增强信号的稳定性，信号放大倍数为1.5。
针对故障检测，芯片内部有相关的故障检测功能，其相关故障的优先等级和故障码如表1所示。
表1 故障检测解码
条件 DOS引脚 LOT引脚 优先级
信号丢失（LOS） 0 0 1
信号降级（DOS） 0 1 2
跟踪丢失（LOT） 1 0 3
无故障 1 1 N/A
电平转换芯片采用74ALVCH164245，此芯片把旋变信号转为3.3V后送单片机，其电路如图4所示。
4.软件设计
4.1 复位时序
图5为AD2S1205复位驱动时序。当AD2 S1205的电源电压小于4.5V时，AD2S1205处于低电压复位状态，LOT/DOS同时为低电平指示，系统复位无信号。当电源电压超过4.5V以后，RESET管脚需保持有效电平至少10?s以上，使得AD2S1205芯片复位。在复位无效后，AD2S1205需要至少20ms时间，使得内部电路能够稳定工作，并且追踪电路能够稳定追踪输入角度。经过20ms的稳定工作时间后，SAMPLE有效并且保持一段时间，复位软件流程如图6所示。
图5复位驱动时序
图6 复位软件流程图
4.2 并口数据读取时序
图7为通过并行接口读取AD2S1205数据的驱动时序。并口数据读取时序从SAMPLE有效开始，SAMPLE必须保持264ns有效时间，锁存内部角度/速度数据至角度/速度寄存器中，然后在SAMPLE有效后750ns，MCU才能控制CS管脚有效，使锁存允许，并采用RD的下降沿锁存角度/速度寄存器中的一项数值内容至数据管脚（并口模式）。RDVEL决定锁存角度寄存器还是速度寄存器，所以在RD下降沿的前5ns和后7ns，RDVEL必须保持稳定不变。在RD下降沿，延时12ns后，即可从并口读取角度数据或者速度数据。
图7 并口数据读取时序
5.实验结果
实验测试系统由测试驱动板，旋变和拖动电机组成，如图8所示。拖动电机旋转带动旋变运行于不同的转动角度和转动速度上，由解码电路输出励磁信号，驱动旋变，同时接收反馈的正、余弦信号，解析旋变的转动角度和转动速度。通过使用仿真器，在初始化函数的前后设置断点控制函数调试过程，并观察函数运行结果是否正确。通过示波器，观察函数运行后相关管脚上的驱动时序是否正确，并观测RESET/SAMPLE/LOT/DOS管脚。在初始化执行过程中，需参照复位时序观察MCU控制的RESET和SAMPLE管脚是否在对应时间送出对应电平或者脉冲，需观察如果系统硬件连接正常，DOS/LOT管脚是否在初始化后输出高电平指示，或者如果系统硬件连接不正常（比如旋变接线断路），DOS/LOT管脚是否在初始化后输出对应故障信号。 图8 实验测试系统框图
图9为AD2S1205的初始化函数调用时的总图。框a为开始调用初始化函数的时间点位置，在这个时间点，RESET管脚送出15?s的复位有效低电平脉冲，同时置高SAMPLE/CS_RD两路管脚为无效高电平。框b为结束初始化函数的时间点位置，在这个时间点，SAMPLE送出400ns采样有效低电平脉冲，然后读取DOS/LOT状态供应用层使用。初始化函数整体时间为30ms，即RESET复位结束到SAMPLE有效读取DOS/LOT状态的延时时间为30ms。读取位置测试程序每100?s调用一次角度函数和速度函数，测试结果如图10所示。
图9 初始化过程信号时序图
图10 读取位置过程信号时序图
图10中SAMPLE有效时间为427ns；SAMPLE无效时间至读取角度/速度延时为750ns；RDVEL管脚选择读取角度/速度的延时为90ns；CS_RD有效时间为480ns，基本反映出从CS_RD下降沿至读取角度/速度的延时时间，CS_RD无效至下一次读取时间为200ns。因此，测试所得AD2S1205的读取角度函数，与其驱动时序符合。测试所得AD2S1205的读取速度函数，与其驱动时序符合。通过仿真器验证，测试程序读取得到的角度值和速度值，也均符合预期。
6.结论
本文基于旋变及其解码芯片的原理和特点，设计了旋变位置解码系统及测试系统。试验结果表明，本文的硬件和软件设计均满足电机位置解码要求，并且时序正确。
参考文献
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[4]储海燕，许刚.基于AD2S1200的旋转变压器解码电路的设计[J].科学技术与工程，2012，12（20）：5044-5047.
作者简介：曹艳玲（1979—），女，吉林伊通人，博士，讲师，现供职于长春工程学院，主要从事电控技术及材料设计方面的研究工作。【AD2s1205,励磁,正弦】
AD2s1205,励磁,正弦(二)
ZD(J)9电动转辙机电路分析及故障处理
【AD2s1205,励磁,正弦】 摘要：文章通过对深圳地铁一期工程竹子林车辆段使用的ZD（J）9电动转辙机电路进行了深入分析，全面了解ZD（J）9电动转辙机动作电路和表示电路的工作原理，并列举如何利用对故障了解试验时控制台的表示灯和电流指针变化及测试参数来快速处理故障。对设备全面了解的同时掌握故障处理方法，快速处理故障恢复设备使用，减少对运营造成的影响，同时提高对乘客的服务质量。 关键词：ZD（J）9电动转辙机；电路分析；故障处理
中图分类号：TG315 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）09-0058-02
深圳地铁一期工程竹子林车辆段使用了西安信号工厂生产的ZD（J）9电动转辙机，随着地铁、高铁的快速发展该机型将得到了广泛的使用。因该机型为新型交流电动转辙机，能借以参考的资料缺乏，使用单位及员工的学习培训工作无法开展。为了让大家全面了解ZD（J）9电动转辙机并能借助故障现象和测试参数进行快速故障处理。为此，对ZD（J）9电动转辙机电路进行
分析。
1 ZD（J）9系列电动转辙机介绍
ZD（J）9系列电动转辙机是用于铁路电气集中站场，可用来改变道岔开通方向，锁闭道岔尖轨，反映道岔尖轨位置状态。它借鉴了国内外同类转辙机的成熟的先进结构，摒弃不足，并有所创新。采用滚珠丝杠减速，具有高效率特点；电机采用三相交流380V电源，电缆单芯控制距离长，故障率低等特点；接点系统采用铍青铜静接点组和铜钨合金动接点环，伸出杆件用镀铬防锈，伸出处用聚乙烯堵孔圈和油毛毡防尘圈支承和防尘。各项性能指标满足提速区段道岔及其他道岔转换的需要，处于国内领先水平，与国外同类产品同等水平。
2 动作电路分析（以定位第一、三排接点闭合，道岔由定位向反位动作为例）
当联锁驱动或是手动反操道岔时，室内FCJ和SFJ吸起后接通1DQJ励磁电路，1DQJ吸起后接通1DQJF励磁电路的同时切断表示电路，1DQJF吸起后2DQJ转极，三相动作电源经DBQ及1DQJ、1DQJF、2DQJ接点，由X1、X3、X4线向室外送电，电机开始转动并带动尖轨运动。
三相电源沟通回路后DBQ工作使BHJ吸起，接通1DQJ自闭电路。当道岔转换到位后，室外自动开闭器断开第一排接点接通第二排接点，切断了三相动作电源使BHJ落下，随后1DQJ和1DQJF相继落下，接通反位表示。
电路中使用FCJ和SFJ对1DQJ进行“双断”防护；采用DBQ动作BHJ，来保护三相电机；2DQJ的两组接点的作用主要是区分定、反位动作方向；对B、C相电源进行换相，使三相电机正转或反转；为保护作业人员的人身安全，在电机的U相电路中串入了遮断开关K，在需要时可切断动作电路，使BHJ由原来的吸起转为落下，使电机停止转动。
3 表示电路分析（以定位表示为例）
当正弦交流电源正半波时，假设变压器Ⅱ次侧4正、3负。电流的流向为：Ⅱ4→1DQJ（13-11）→X1线→电机线圈W（1-2）→电机V（2-1）→接点（12-11）→X4→DBJ（1-4）→2DQJ（132-131）→1DQJ（23-21）→R1（2-1）→Ⅱ3，这时DBJ吸起；同时，与DBJ线圈并联的另一条支路中因整流二极管反向截止，故无法沟通回路。
图1 ZDJ（9）道岔定位表示电路图
当正弦交流电为负半波时，即变压器次侧3正、4负，在DBJ及整流二极管这两条支路中，电流方向均相反，由于这时整流二极管呈正向导通状态，故该支路的阻抗要比DBJ支路阻抗小得多，所以此时电流绝大部分由整流二极管支路中流过，加上DBJ线圈的感抗很大，且具有一定的电流迟缓作用，因而DBJ能保持在吸起
状态。
表示电路由两条支路构成；表示继电器与整流二极管属并联关系，改变了以前的串联结构，并取消了电容，提高了可靠性；电路中串入了电机线圈，构通表示电路的同时也检查了电机线圈，可及时发现电机问题。
4 常见故障快速判断
控制台操动道岔时，电流表指针不动，道岔表示灯无变化。判断为1DQJ励磁电路故障。
理由：1DQJ一经吸起就断开表示电源，表示继电器将落下，表示灯跟着熄灭。
控制台操动道岔时，电流表指针不动，道岔表示灭灯后又点亮原来表示灯位。判断为1DQJ已经励磁，1DQJF励磁或2DQJ转极电路故障。
理由：道岔表示灭灯证明1DQJ已经吸起，又点亮回原来表示灯位证明原有的表示电路再次被沟通。
控制台操动道岔时道岔表示灭灯，电流表指针不动，大约13秒后报道岔挤岔报警。判断为三相动作电源输出回路故障且故障点在室内公共部分，即三相电源和保护开关。
理由：道岔表示灭灯证明1DQJ已经吸起，道岔挤岔报警证明2DQJ已经转极断开原有的表示电路。当1DQJF励磁和2DQJ转极后将向室外送出380V交流动作电源，但控制台指针不动证明三相电源全部未被送出。
控制台操动道岔时道岔表示灭灯，电流表指针动一下后回零，大约13秒后报道岔挤岔报警。室内观察道岔操动瞬间DBQ是否会亮灯，BHJ是否有吸起过。若都满足则判断故障点为1DQJ的自闭电路，若DBQ未亮灯则为动作电源缺相故障，需在分线盘上判断缺哪项并切分室内外，若DBQ亮灯而BHJ未吸起则判断BHJ励磁电路故障。
理由：当道岔操动时，三相电源沟通回路后DBQ亮灯工作并驱动BHJ吸起，因2DQJ已经转极切断1DQJ的励磁电路，在道岔的整个转换过程中依靠BHJ的吸起前节点沟通1DQJ的自闭电路。
控制台操动道岔时道岔表示灭灯，电流表指针动作大约13秒后回零，控制台报道岔挤岔报警。在正常使用中的道岔出现该类故障可直接判断为道岔室外密贴过紧导致道岔无法转换到位。
理由：当道岔正常操动时，如果在13秒内室外自动开闭器无法断开交流380V动作电源，则室内TJ励磁，利用其后接点断开1DQJF的励磁电路，从而断开动作电源来保护室外电机不会被烧坏。如果是在工程调试中出现该类故障还应考虑三相电源是否有反相情况。
控制台操动道岔时道岔表示灭灯，电流表指针动作大约5秒后回零，控制台报道岔挤岔报警。判断道岔已经操动到位，无法给出正确的道岔表示，可在分线盘上测量相应的交、直流电压来判断故障点。
5 结语
本文针对ZD（J）9转辙机的电路特点进行深入分析，全面剖析电路中各部件的作用。列举各种情况下所能发生的故障及判断和处理方法，从浅到深、从了解到判断，从判断到快速处理，实用性和操作性相结合，易学易懂。本文为使用ZD（J）9转辙机的信号人员在培训、学习上提供教材资料参考；在故障的判断上提供有效、科学的参考依据，为故障的快速恢复提供准确的操作指引。
参考文献
[1] 郭永生.ZD6型电动转辙机故障应急处理浅析[J].
内蒙古煤炭经济，2007，（6）.
[2] 邵光东.浅谈S700K2电动转辙机的故障现象及处
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