一種基于TYPE-Ⅱ跟蹤型RDC算法的電路設(shè)計(jì)

劉太廣，包生輝，苗 韻，強(qiáng)小燕

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

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一種基于TYPE-Ⅱ跟蹤型RDC算法的電路設(shè)計(jì)

劉太廣，包生輝，苗 韻，強(qiáng)小燕

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

摘 要：為提高電機(jī)控制DSP電路集成規(guī)模，將旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行IP化，提供電機(jī)軸位置反饋信息，對(duì)電機(jī)控制算法中Type-Ⅱ型跟蹤環(huán)路的算法進(jìn)行深入分析，并論證Type-Ⅱ型跟蹤環(huán)路計(jì)算位置和速度的原理、實(shí)現(xiàn)旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換（RDC）工作的過(guò)程。針對(duì)分析的算法提出可IP化的RDC模塊結(jié)構(gòu)，使用精確查表結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)正余弦信號(hào)轉(zhuǎn)換、利用乘法器與濾波器組合達(dá)到解調(diào)效果。在實(shí)驗(yàn)室使用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)電路并驗(yàn)證電路功能，使此算法更加具體清晰，在DSP電路集成中具有一定優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：Type-Ⅱ；RDC；跟蹤環(huán)路

1　引言

旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）廣泛用于汽車和工業(yè)應(yīng)用中，用來(lái)提供電機(jī)軸位置/速度反饋信息。在全數(shù)字永磁同步電動(dòng)機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)中，當(dāng)使用自整角機(jī)或者旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置及速度檢測(cè)單元時(shí)，由于所得到的輸出信號(hào)是三相或者兩相的含位置信息的模擬正弦角度信號(hào)，又需要外加勵(lì)磁信號(hào)（稱為參考信號(hào)），故必須進(jìn)行處理將其輸出的模擬位置信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，才可輸入到DSP中來(lái)完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、速度及位置的高精度控制。這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器RDC電路。本文對(duì)Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路實(shí)現(xiàn)的RDC算法進(jìn)行解析，并使用仿真工具完成RDC算法的ASIC驗(yàn)證，透視速度與位置的跟蹤過(guò)程，將ASIC驗(yàn)證成果集成在SoC系統(tǒng)中，在旋變器和系統(tǒng)微處理器之間實(shí)現(xiàn)接口，當(dāng)正弦信號(hào)激勵(lì)旋變器的初級(jí)繞組時(shí)，會(huì)在次級(jí)繞組上產(chǎn)生兩路電磁感應(yīng)差分輸出信號(hào)（正弦信號(hào)和余弦信號(hào)），旋變器采用這兩路感應(yīng)差分信號(hào)解碼電機(jī)軸的角位置和旋轉(zhuǎn)速度，提供給處理器進(jìn)行下一步工作。

2　Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路原理

目前大部分單芯片RDC使用Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路計(jì)算位置和速度。Type-Ⅱ型跟蹤環(huán)路采用二階濾波器，確保靜止或恒定速度輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差為零。RDC對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行同步采樣，為跟蹤環(huán)路提供數(shù)字化數(shù)據(jù)。跟蹤型RDC轉(zhuǎn)換器由正余弦乘法器、誤差放大器、相敏解調(diào)器、積分器等組成，具有抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。圖1顯示了Type-Ⅱ型跟蹤環(huán)路的主要原理。

圖1　Type-Ⅱ型跟蹤環(huán)路

RDC與旋轉(zhuǎn)傳感器配合使用，以便檢測(cè)電機(jī)軸的位置和轉(zhuǎn)速。在這種應(yīng)用中，旋變器利用正弦波參考信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)。初級(jí)繞組上的旋變器激勵(lì)參考信號(hào)被轉(zhuǎn)換為兩個(gè)正弦差分輸出信號(hào)：正弦和余弦。正弦和余弦信號(hào)的幅度取決于實(shí)際的旋變器位置、旋變器轉(zhuǎn)換比和激勵(lì)信號(hào)幅度。

RDC同步采樣兩個(gè)輸入信號(hào)，以便向數(shù)字引擎（即所謂Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路）提供數(shù)字化數(shù)據(jù)，Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路負(fù)責(zé)計(jì)算位置和速度?；镜男D(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)算公式均相同，即：

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

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(3) 、式(4) 差值化簡(jiǎn)后得到：

當(dāng)角度誤差θ-φ值很小時(shí)，有：

E×(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。Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路消除了誤差信號(hào)。完成該操作后，φ等于旋轉(zhuǎn)角θ。

3　電路設(shè)計(jì)

在該算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路算法的具體分析，將算法實(shí)現(xiàn)的過(guò)程按照其功能使用Verilog硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行RTL描述，具體功能單元有查找表模塊、乘法器、解調(diào)器、積分器等，搭建ASIC環(huán)境。利用查找表模塊完成三角函數(shù)變換，將位置值轉(zhuǎn)換為正弦與余弦；在乘法器模塊將帶有位置信息的正余弦與輸入調(diào)幅波相乘，得到上面公式（3）與公式（4）所需信號(hào)；利用乘法器與濾波器組合的相敏檢測(cè)解調(diào)器完成公式（5）、公式（6）的計(jì)算過(guò)程。

圖2　ASIC驗(yàn)證結(jié)構(gòu)框圖

主要功能結(jié)構(gòu)模塊描述：

（1）查找表結(jié)構(gòu)

ROM中包含正弦信號(hào)[0,π/2]的數(shù)據(jù)，所以ROM中的數(shù)據(jù)值可由式（7）及（8）表示。

式（7）與（8）意味著在[0,π/2]內(nèi)的正弦值，可由[0,π/4]的正弦值與余弦值共同構(gòu)成，同理，在[0,π/2]內(nèi)的余弦值可由[0,π/4]的余弦值與正弦值共同構(gòu)成。根據(jù)這一特性，可將原ROM拆分成兩個(gè)深度相同的小ROM，分別存放[0,π/4]內(nèi)的正弦值與余弦值，從而能夠同時(shí)產(chǎn)生精確的互補(bǔ)信號(hào)。

圖3給出了精確互補(bǔ)信號(hào)產(chǎn)生原理，將原有ROM按照正余弦信號(hào)的互補(bǔ)特性拆分成ROM1與ROM2，使得在同時(shí)產(chǎn)生正余弦信號(hào)時(shí)，兩路通道交替使用ROM1、ROM2的數(shù)據(jù)，從而精確產(chǎn)生相差為π/2的正余弦信號(hào)。由于ROM1與ROM2各為原ROM的一半，因此總的ROM大小并未改變，只需增加較少的邏輯電路，便可產(chǎn)生精確的互補(bǔ)正余弦信號(hào)，大大節(jié)約了硬件資源。

圖3　精確互補(bǔ)信號(hào)產(chǎn)生原理

（2）解調(diào)器結(jié)構(gòu)

解調(diào)器由乘法器與濾波器組成。乘法器使用傳統(tǒng)的booth乘法器，使用固定IP，不做詳細(xì)描述。濾波器使用MATLAB固定生成。MATLAB提供了一種簡(jiǎn)便的圖形工具——FDATool濾波器設(shè)計(jì)分析工具箱和SPTool信號(hào)處理工具箱。利用這兩個(gè)工具可以使復(fù)雜的濾波器設(shè)計(jì)方法變得簡(jiǎn)單。只需要在圖形工具中選擇相應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)方法并填入濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，即可生成相應(yīng)的頻率響應(yīng)特性。

（3）積分器原理

數(shù)字積分器原理就是采樣值求和的累加。使用固定模型，不做詳細(xì)描述。

4　仿真驗(yàn)證

仿真驗(yàn)證過(guò)程中使用變壓器模型模擬旋變電機(jī)的輸出波形，在固定的轉(zhuǎn)速情況下旋變電機(jī)的輸出是轉(zhuǎn)速與激勵(lì)頻率混頻的調(diào)幅波，利用變壓器模型輸出得到此調(diào)幅波的模擬量。利用ADC的采樣原理對(duì)模擬調(diào)幅波進(jìn)行采樣計(jì)算，得到數(shù)字化的調(diào)幅波。如圖4所示。將調(diào)制后的調(diào)幅波進(jìn)行數(shù)字化作為輸入信號(hào)。此輸入信號(hào)按照ΣΔ過(guò)采樣原理進(jìn)行調(diào)制，得到驗(yàn)證RDC算法的輸入信號(hào)。

將數(shù)字化的電機(jī)信號(hào)輸入RDC IP環(huán)境，通過(guò)圖2所示的架構(gòu)模型進(jìn)行仿真，Type-Ⅱ型RDC算法的整體仿真波形如圖5所示，模擬固定速度的電機(jī)輸入，通過(guò)跟蹤算法計(jì)算速度與位置信息，得到正確的速度位置值，此時(shí)得到的信息為數(shù)字化信息。圖5所示速度輸出值為H3ffe，位置輸出以固定周期循環(huán)變化。

圖4　旋變輸入輸出波形

圖5　仿真結(jié)果

更改電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、方向，對(duì)此IP進(jìn)行全方位測(cè)試驗(yàn)證，如圖6所示，不同轉(zhuǎn)速與不同方向得到的仿真結(jié)果。不同轉(zhuǎn)速仿真得到的速度輸出值不同，位置輸出變化周期不同；速度輸出首位代表方向，正方向旋轉(zhuǎn)得到速度輸出值首位為0，負(fù)方向旋轉(zhuǎn)得到速度輸出值首位為1。

圖6　變換轉(zhuǎn)速、方向后的仿真波形

5　結(jié)論

本文對(duì)Type-Ⅱ型RDC算法進(jìn)行了詳細(xì)論述，并使用ASIC實(shí)現(xiàn)，取得的研究成果在實(shí)際應(yīng)用中用于某款SoC的設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示，得到的結(jié)果是令人滿意的。

圖7　RDC應(yīng)用實(shí)測(cè)波形

參考文獻(xiàn)：

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劉太廣（1984—），男，內(nèi)蒙古人，畢業(yè)于電子科技大學(xué)，研究方向?yàn)閿?shù)字集成電路設(shè)計(jì)。

產(chǎn)品、應(yīng)用于市場(chǎng)

微電子制造與可靠性

A Design of Circuit of RDC on the Basic of the Type Ⅱ Tracking Loop Algorithm

LIU Taiguang, BAO Shenghui, MIAO Yun, QIANG Xiaoyan
（China Electronic Technlogy Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China）

Abstract:For improve integration circuit of electromotor control DSP, setup the new IP with RDC circuit, exactitude running after the relative position, this paper is focus on achieving a successful procedure of RDC on the basic of the type Ⅱtracking loop algorithm. In order to process the RDC, the relative position and speed will be calculated by a set of functions which will extract the key information from the input signals. A new IP with improved RDC algorithm based on typeⅡtracking loop algorithm is proposed, use the look-up-table to complete SIN/COS conversion and use Multiplication and Filter combination to demodulation. The language for describing the logic system is Verilog, which is a explicit way to explain the algorithm, which shows its advantage in integrate circuit.

Keywords:Type-Ⅱ; RDC; Tracking loop

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-10-14

中圖分類號(hào)：TN 402

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1681-1070（2016）01-0031-03