【成功案例】国产低功耗高速运算放大器成功应用在风电变桨系统信号采集

时间： 2019-02-20 来源：世强

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运算放大器在高速时变信号的采集中起着非常重要的作用，主要用于搭建前端信号处理及滤波电路，将输入信号调理到AD芯片可以接收的电压范围内。对于时变信号，设计者在对运算放大器进行选型时需要关注相关的动态性能，本文结合一个应用在风机变桨系统旋变电路实例为读者阐述圣邦微（SGMICRO）运放在高速采集中应用需要关心的动态参数，主要介绍压摆率和上升时间参数，并结合应用提供选型案例的参考。

图 1 旋变采集在风力变桨系统的应用场景

风电变桨系统是一个典型的电机拖动系统，通过变桨伺服控制器控制交流电机来控制风机整机桨叶运动。如图1所示，虽然桨叶的旋转角度只有90°，但桨叶却是巨大的，如此大的做功是需要变桨伺服控制器驱动交流电机高速旋转，通过机械传动带动外部机械件运动实现变桨，该系统在风机启停，并网发电的过程中都扮演着重要角色。

从图1可看出，变桨系统采用旋转变压器（简称旋变）采集变桨电机的转速反馈信号，因此有必要介绍一下旋变的结构，如图2所示，旋变由1组转子线圈和2组定子线圈组成，转子线圈随电机旋转运动，其上有恒定的激励信号，通过交流感应在2组定子线圈上感应出相互正交的两组信号，作为转速和位置信息反馈回变桨控制器，形成闭环环路。

图 2 旋转变压器结构和原理

在知道旋变原理后，设计者就需要分析旋变采集电路需要处理的信号。进一步理解图2，将转子线圈电压用正弦函数表示为Vr，设转子线圈与水平基准面呈θ角，那么正交的两组定子感应电压（Vcos和Vsin）表示为如下形式（ρ为比例因子）：

采集时域数字信息后，通过变桨伺服控制器的计算单元便可获知电机的速度和旋转角度信息。其信号的时域表现形式如下：

图 3 旋变激励和感应信号的时域波形

此时，可以从公式和图3中观察到，进入采集电路的信号Vcos和Vsin主要包含两个频率信息。其中，电机的最大转速为3000转/min，转换可知其为50Hz的旋变信号，这是其中一个频率，而另一个频率是旋变激励信号，为20KHz，两者对比，以较高频率信号作为设计标准，因此采集电路采用20KHz。同时通过香农采样定理可知，要保留信号内的时频信息采样率要达到采样信号的两倍，因此对于运放来说，需要达到40KHz的采样频率。这是工作电路所需要运行的极限工况，也是进行运放选型的依据。

接下来，就需要寻找一颗能够完美处理40KHz，峰峰值为10V的正弦信号的运放。到这一步，就涉及到运放的一个重要参数：压摆率(Slew Rate)。它的定义是放大器的输出电压在一秒内能产生的最大变化率。它的存在是因为让真实运放从一个电平在0时间内达到另一个电平是不可能的，其现实变化过程总是呈现一个阶跃的过程，而体现这一性能的参数即是压摆率。我们需要处理的输入信号是两个频率的复合波，必须确保其高频分量20KHz信号的输出不受压摆率的影响。

对于40KHz信号而言，其压摆率的最大点为过零点处。通过利用如上公式在过零点处进行求导，可以得到过零点的压摆率峰值2πf Eo。

代入实际数据可知，当峰峰值为10V，Eo为5V，f为40KHz，其压摆率要求高于1.25V/uS。因此，通过查找对比，找到了圣邦微(SGMICRO)公司生产的SGM8272作为待定选型。该运放是一款低功耗运放，15V工作电压情况下可正常运行，其压摆率为7V/uS，高于我们的需求，可以在动态情况下完美跟踪调理电路信号。

对于旋变信号采集，另一个重要的参数是上升时间(Settling Time)。这个参数的定义是对运放输入阶跃信号，统计输出电压从最终电压值的10%到90%的时间。这个参数可以看作一个综合指标，其反应了运放电路的延迟，压摆率的影响时间和电路稳定调节的时间，上升时间是三者之和，其测试电路如下图所示。

图 4 运放上升时间测试电路

对于旋变信号采集而言，这个参数关系到系统的实时性，因此需要关心其对系统造成的延迟。同样以SGM8272为例，查询手册可知其在15V工作电压，增益为1，200mV阶跃输出（Vo）的情况下时上升时间(Tr)为2uS。此时可以粗略估算一下测试电路的电路延迟时间，SGM8272的压摆率SR为7V/uS，那么压摆率影响时间Ts为Vo/SR=0.029uS，两者相减得出电路延迟造成的时间约1.91uS。从这个数据结果分析可以看出对于200mV阶跃输出而言，延迟造成的时间远大于压摆率对电路造成的影响，电路延迟并非可以忽略不计的。因此在设计时要将其作为一个独立参数考虑，带入系统中进行分析。

但结合项目应用来说，变桨伺服控制系统虽然是一个实时系统，但是其控制周期是mS级的，所以运放2uS的电路延迟可以忽略不计，因此该参数不会对系统造成影响，SGM8272是可以适用这个场景的。

综合上述需求和器件性能的分析，项目选择了SGM8272YS8G/TR作为反馈采集前级调理电路，该运放除了符合项目需求外，还是一款低功耗产品，单运放耗电电流为150uA，SGM8272YS8G/TR内置两个运放，工作在+15V电压时功耗仅为4.5mW，运行温度为-45°到85°，能够满足变桨系统严酷的运行环境，且具备输出短路保护功能，提高了产品的鲁棒性。由于采集电路需要处理旋变正交的两路信号，故需设计两路采集调理电路，其具体电路设计如下，完成采集后即送到AD中转换为数字量供控制器处理。

图 5 正交旋变信号采集调理电路

图 6 电机和控制电路板

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