基于AD2S1210的電機(jī)解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王玉玨，翁浩宇，張海勇，宋雪靜，雷占秀

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司 技術(shù)中心 河北省汽車安全一體化與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000）

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)沒(méi)有換向機(jī)構(gòu)，需要位置傳感器來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置、旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)。其位置傳感器原以霍爾傳感器、光學(xué)編碼器居多。但是由于霍爾傳感器精度低，而光學(xué)編碼器抗震動(dòng)性差、抗腐蝕性弱，都不能勝任現(xiàn)代電動(dòng)汽車惡劣的工作環(huán)境，故近年來(lái)迅速被適用于惡劣工作環(huán)境的旋轉(zhuǎn)變壓器所代替[1]。

旋轉(zhuǎn)變壓器作為時(shí)變強(qiáng)耦合器件，對(duì)其輸入信號(hào)有較高的要求，且其輸出模擬信號(hào)因相位移向、電機(jī)引入干擾而不能直接被上位控制機(jī)所采納使用，必須采用設(shè)計(jì)良好、經(jīng)過(guò)標(biāo)定驗(yàn)證的信號(hào)接口電路處理，以實(shí)現(xiàn)其模擬信號(hào)與控制系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)之間的互相轉(zhuǎn)化。這類接口電路是專用于旋轉(zhuǎn)變壓器的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，即旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)[2]。

早期的RDC電路方案采用分離式設(shè)計(jì)，使用者需根據(jù)各自系統(tǒng)的特點(diǎn)利用各種濾波、放大、AD/DA等芯片搭建一個(gè)完整的RDC電路，這種方案需要設(shè)計(jì)者擁有非常豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和大量的系統(tǒng)測(cè)試/驗(yàn)證時(shí)間，在一定程度上為旋轉(zhuǎn)變壓器的普及造成了障礙。AD2S1210是ADI公司最新推出的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)輸出/檢測(cè)芯片， 該芯片分辨率為 10 bit、12 bit、14 bit、16 bit可調(diào)，最大精度可達(dá)±2.5弧分，且?guī)в袇⒖颊袷幤鞯臄?shù)字可變R/D變換器并經(jīng)過(guò)了汽車應(yīng)用認(rèn)證。本文給出了基于該芯片的電機(jī)解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 旋變?cè)砑爸饕獏?shù)指標(biāo)

基本的旋轉(zhuǎn)變壓器分經(jīng)典旋變和可變磁阻式旋變等，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和繞組分配方式上略有不同，但是無(wú)論何種形式的旋變，其旋變輸出電壓(S3-S1,S2-S4)的計(jì)算公式[3]均相同，即：

式中，θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，sinωt為轉(zhuǎn)子激勵(lì)頻率，E0為轉(zhuǎn)子激勵(lì)幅度。

旋轉(zhuǎn)變壓器的兩個(gè)定子繞組機(jī)械錯(cuò)位90°，如圖1所示。其中，Vp為勵(lì)磁電壓峰值，Vr為勵(lì)磁電壓有效值，Vs為變比后的電壓，Va、Vb分別為 S2-S4、S3-S1感應(yīng)電壓。初級(jí)繞組采用交流基準(zhǔn)源激勵(lì)，隨后在定子次級(jí)繞組上耦合的幅度是轉(zhuǎn)子（軸）相對(duì)于定子位置的函數(shù)。因此，旋變產(chǎn)生由軸角的正弦和余弦調(diào)制的兩個(gè)輸出電壓(S3-S1，S2-S4)。旋變信號(hào)輸出格式如圖2所示。

本設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)變壓器采用日本多摩川公司的經(jīng)典旋變，其變比為 0.286，激勵(lì)頻率范圍為 10 kHz～20 kHz，激勵(lì)電壓峰-峰值最大為17 V，激勵(lì)電流典型值為50 mA。

2 AD2S1210工作理論及外圍搭建

AD2S1210集成片上可編程正弦波振蕩器，為旋轉(zhuǎn)變壓器提供正弦波激勵(lì)，轉(zhuǎn)換器的正弦和余弦輸入端準(zhǔn)許輸入峰-峰值為 3.15 V±27%、頻率為 2 kHz～20 kHz范圍內(nèi)的信號(hào)。將正弦和余弦輸入端的信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)，則最大跟蹤速度為3 125 r/s。

2.1 工作理論[3]

AD2S1210按照TypeⅡ跟蹤閉環(huán)原理工作，能跟蹤恒定速度輸入，而輸出連續(xù)跟蹤旋變的位置不存在固有誤差，無(wú)需外部轉(zhuǎn)換和等待狀態(tài)，抑制噪聲效果好，并可以最大限度地抑制諧波失真，從而提高精度。當(dāng)旋變的位置經(jīng)過(guò)最低有效位的角度時(shí)，AD2S1210輸出1 LSB(1 LSB=60′×360/2N，N 為 RDC 分辨率)。

轉(zhuǎn)換器跟蹤軸角θ的原理為：轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生反饋角φ，反饋角φ與輸入角θ相比較，當(dāng)轉(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角度時(shí)，二者之間的誤差將為0。為了測(cè)量誤差，將S3-S1乘以 cosφ，將 S2-S4乘以 sinφ，可得到：

將式(2)、式(3)差值化簡(jiǎn)后得到：

當(dāng)角度誤差θ-φ值很小時(shí)，有：

則E0(θ-φ)值表示轉(zhuǎn)子的角度誤差與轉(zhuǎn)換器的數(shù)字角度輸出二者的差值。

2.2 外圍電路

AD2S1210外圍電路如圖3所示，采用模擬、數(shù)字雙路隔離供電，激勵(lì)頻率為10 kHz。

ADS1210有兩種工作模式：配置模式和普通模式。配置模式用于對(duì)寄存器進(jìn)行編程，以設(shè)置AD21210的激勵(lì)頻率、分辨率和故障檢測(cè)閾值。配置模式也可用于回讀故障寄存器中的信息以及位置和速度寄存器中的數(shù)據(jù)。AD2S1210可以完全工作在配置模式下，或者初始配置完成后離開(kāi)配置模式工作在普通模式下。在普通模式下工作時(shí)，數(shù)據(jù)輸出可提供角位置或角速度數(shù)據(jù)[3]。A0和A1輸入用來(lái)確定AD2S1210是否處于配置模式以及是否將位置或速度數(shù)據(jù)提供給輸出引腳。模式配置如表1所示。

在普通模式下，數(shù)字輸出的分辨率利用RES0和RES1輸入引腳進(jìn)行選擇。配置模式下，分辨率通過(guò)設(shè)置控制寄存器中的RES0和RES1位選擇。切換普通模式與配置模式時(shí)，輸入端必須確保控制寄存器中設(shè)置的分辨率與RES0和RSE1輸入引腳所設(shè)置的分辨率一致。如果兩種分辨率設(shè)置不同，則輸出數(shù)據(jù)可能不正確[3]。在8.192 MHz時(shí)鐘下，其關(guān)系如表2所示。

表1 模式配置

表2 分辨率設(shè)置

由于旋變有著不同的勵(lì)磁電壓要求和一定的變比，而AD2S1210的勵(lì)磁信號(hào)輸出典型值為差分7.2 Vp-p，輸入信號(hào)范圍為差分3.15 Vp-p，故應(yīng)結(jié)合旋變的參數(shù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的增益。需要注意的是輸入至AD2S1210的差分信號(hào)不能低于地電位，所以在此處選擇正電源激勵(lì)。

一般情況增益都在勵(lì)磁一側(cè)的增益緩沖器處設(shè)定，根據(jù)旋變勵(lì)磁電壓和旋變的變比，可得到符合AD2S1210輸入電平要求的正、余弦調(diào)制信號(hào)。勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

在本設(shè)計(jì)中，已知旋變的變比為0.286，為實(shí)現(xiàn)3.15 Vp-p的正、余弦輸入信號(hào)幅度，勵(lì)磁一側(cè)的電壓應(yīng)為：3.15 Vp-p/0.286=11 Vp-p，所以增益設(shè)定為：R142/R146=11 Vp-p/7.2 Vp-p=1.53。

運(yùn)放同相輸入端的電阻用于調(diào)整勵(lì)磁信號(hào)的直流共模電平，C163、C173電容并聯(lián)在反饋端用于濾波[4]。

AD2S1210的輸入信號(hào)SIN(COS)與SINLO(COSLO)兩者的典型壓差是3.15 Vp-p，輸入的差分信號(hào)不能低于零電位，設(shè)計(jì)使用REFOUT來(lái)偏置輸入差分信號(hào)，如圖5所示。為了改善系統(tǒng)的噪聲性能，必須對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行RC濾波(其截止頻率低于500 kHz)，并使用較短的雙絞屏蔽線對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，屏蔽線端接至。

2.3 通信模式

角位置和角速度用二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示，可以通過(guò)一個(gè)16 bit并行接口或者一個(gè)時(shí)鐘速率最高為25 MHz的四線串行接口提取。AD2S1210利用片內(nèi)寄存器控制其可編程功能。數(shù)據(jù)通過(guò)串行或并行接口寫入這些寄存器。

由于串行通信方式帶寬有限，占用指令周期長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差，不符合高速電機(jī)系統(tǒng)要求，故采用并行通信方式[6]。

3 系統(tǒng)中的應(yīng)用

系統(tǒng)采用英飛凌最新的TriCore1782做為控制核心，TC1782集成具有4級(jí)流水線的高性能32 bit CPU、完全集成的DSP功能、多種總線、總線仲裁、中斷控制器、外設(shè)控制處理器、DMA控制器和單精度浮點(diǎn)單元(FPU)，并集成32路模擬輸入信號(hào)，其全溫度工作頻率高達(dá)180 MHz。

ADI公司的RDC芯片AD2S1210分辨率可變，支持10 bit、12 bit、14 bit、16 bit RD 轉(zhuǎn)換，內(nèi)置參考振蕩器，功能強(qiáng)大，體積小，適用范圍廣。

本設(shè)計(jì)方案基于AD2S1210開(kāi)發(fā)的電機(jī)解碼系統(tǒng)已在長(zhǎng)城C20EV純電動(dòng)汽車上投入適用。該方案電路簡(jiǎn)單可靠，與英飛凌TC1782核心控制器、多摩川旋轉(zhuǎn)變壓器匹配良好，取得了非常好的實(shí)際應(yīng)用效果。

[1]曲家騏，王季秩．伺服控制系統(tǒng)中的傳感器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]李耀海，胡廣艷，郝瑞祥，等.基于 AU6802n1的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)接口電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2006(2)：110-114.

[3]Analog Devices Ins.AD2S1210 data sheet[Z].2008.

[4]李川，譚茀娃，金如麟.電機(jī)控制專用 DSP講座[J].微特電機(jī)，2001，29(4)：43-45，47.

[5]熊光亮.AD2S82A在交流伺服控制中的應(yīng)用[J].電光系統(tǒng)，2004(2)：61-64.

[6]崔軍，溫旭輝，張立偉.新型永磁同步電機(jī)控制用旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2005,32（8）：51-54.