基于Infineon Aurix系列單片機(jī)的永磁同步電機(jī)位置兩種檢測方案的設(shè)計

閆永亮，范陽波， 吳小萍， 譚艷軍， 林霄喆

（1.寧波上中下自動變速器有限公司，浙江 寧波 315800；2.寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波315800）

1 引言

隨著新能源汽車的普及和推廣，車用永磁同步電機(jī)由于其優(yōu)良的性能，應(yīng)用越來越廣泛。為了保證電動汽車具有良好駕駛的舒適性和操控性，需要能夠準(zhǔn)確地控制永磁同步電機(jī)的狀態(tài)，實時檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。檢測電子轉(zhuǎn)子位置信息的傳感器有電渦流傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器以及光電編碼器。旋轉(zhuǎn)變壓器很多優(yōu)點，比如較強(qiáng)的抗干擾能力、較優(yōu)的耐振動性能和很高的采樣精度。

目前絕大多數(shù)的電機(jī)生產(chǎn)廠商都是采用旋轉(zhuǎn)變壓器方案進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測。本文在詳細(xì)介紹旋轉(zhuǎn)變壓器原理的基礎(chǔ)上，針對旋轉(zhuǎn)變壓器激勵信號要求和輸出信號調(diào)制要求分別設(shè)計了電路方案，提出了硬件解碼和軟件解碼兩種設(shè)計方案的思路。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子由疊層磁性鋼片組成，而定子則由兩部分組成，分別是勵磁線圈和輸出線圈。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其中R是勵磁線圈，S和S是輸出線圈繞組。當(dāng)原邊勵磁線圈施加正弦激勵交流電壓信號時，由于電磁感應(yīng)的原理，兩相副邊輸出線圈感應(yīng)出隨電機(jī)軸角變化的交流電壓，由于兩相輸出線圈結(jié)構(gòu)上的特性，兩相輸出電壓信號在相位上相差90°。因此，通過專用電機(jī)位置解碼芯片，將輸出線圈中感應(yīng)到的兩相正弦和余弦電壓信號，利用專用旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片（Resolver-to-Digital Converter，簡稱RDC）或者特殊的軟件解碼算法將輸出線圈上的模擬信號轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)子實際的位置信息和速度信息，最后通過CPU芯片進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

旋轉(zhuǎn)變壓器說到底是變壓器的一種，其中原邊勵磁線圈和副邊感應(yīng)線圈均在定子上，在旋變轉(zhuǎn)子跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸轉(zhuǎn)動的同時，旋變定子側(cè)的感應(yīng)信號不僅和原邊線圈上的激勵信號有關(guān)，還和電子轉(zhuǎn)子的角度有關(guān)。通常情況下，在旋變原邊線圈上通過施加滿足變壓器激勵要求的正弦信號，由于電磁感應(yīng)的原理，旋變副邊線圈上輸出和激勵信號以及電機(jī)位置相關(guān)的信號，其一般表達(dá)式為：

上述表達(dá)式各項代表的含義如表1所示。

表1 旋變一般表達(dá)式參數(shù)含義

以1對極旋轉(zhuǎn)變壓器為例，其激勵信號和次級感應(yīng)信號波形的一般示意圖如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器波形示意圖

3 旋變激勵信號電路設(shè)計

不同旋轉(zhuǎn)變壓器要求的勵磁信號略有不同，本方案以日本多摩川公司TAMAGAWA生產(chǎn)的3對極TS2223N1113E102旋變?yōu)槔?，該旋變參?shù)如表2所示，該旋變的輸入勵磁電壓信號是有效值為7V的交流信號，變壓器傳輸變比是0.286，輸入阻抗為120Ω±20%，輸出阻抗為440Ω。

表2 多摩川公司旋轉(zhuǎn)變壓器TS2223N1113E102參數(shù)

通過旋變的原理和其參數(shù)得知，該型號的旋變激勵信號至少需要有效值為7V、頻率為10kHz的正弦交流信號，而一般單片機(jī)的輸出電平只有3.3V或者5V，不滿足直接驅(qū)動旋變激勵信號的要求，所以通常采用專用的旋變激勵信號發(fā)生芯片，同時將激勵信號進(jìn)行功率放大。另外，旋轉(zhuǎn)變壓器次級線圈輸出的信號是模擬信號，通常需要專門的旋變解碼芯片才能將電機(jī)位置信號解析成真實的電機(jī)轉(zhuǎn)速和角度信號。滿足生產(chǎn)車規(guī)級專用RDC解碼芯片的廠商都被國外半導(dǎo)體公司壟斷，如日本多摩川公司TAMAGAWA生產(chǎn)的AU680X系列（如AU6802、AU6803和AU6805），還有美國ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的ADS12XX和AD2S12XX系列。

本方案的旋變解碼芯片以AD2S1210為例，通過查詢該芯片的Datasheet如圖3可知，其輸入信號是SINE、COSINE INPUT，即接受旋變副邊線圈輸出信號電壓的典型值，其峰峰值為3.15V的正余弦信號，常用的電動汽車用車規(guī)級旋轉(zhuǎn)變壓器的變比系數(shù)是0.286，本方案也以該類型旋轉(zhuǎn)變壓器舉例說明。所以根據(jù)變壓器的變比原理可以計算，該類型的旋變勵磁電壓的峰峰值至少需要滿足如下計算方式：

圖3 AD2S1210 Datasheet

通過查詢AD2S1210的Datasheet，其輸出勵磁信號典型值只有3.6×2=7.2，不滿足旋變勵磁電壓的峰峰值，根據(jù)簡單的數(shù)學(xué)計算11.01/7.2≌1.53可知。將RDC芯片輸出的激勵信號放大約1.53倍，即可滿足驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器的要求。常用的放大電路方案如圖4所示，該電路的放大系數(shù)通過選擇合適的反饋電阻Rf和輸入電阻Ri即可滿足不同需求。以本方案舉例，可以分別選取Rf的阻值為15.3kΩ，Ri的阻值為10kΩ即可滿足放大倍數(shù)的要求，但是電路其余部分均是采用分立元件如二極管、三極管等被動器件搭建，相對于數(shù)字電路來說，模擬電路調(diào)試起來相對難度較大。

圖4 旋變激勵信號電路示例

本方案通過改進(jìn)設(shè)計思路，使用美國TI公司生產(chǎn)的集成芯片，旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動信號功率放大專用器件ALM2402FQ1替代分立方案，其內(nèi)部原理框圖如圖5所示，該芯片內(nèi)部集成了MOS管的推挽放大電路，通過內(nèi)部原理框圖可知，該器件將二極管、三極管以及電路接口保護(hù)等分立器件，全部采用集成電路的技術(shù)封裝在器件內(nèi)部，簡化了電路設(shè)計難度和調(diào)試難度，非常適合用于旋變激勵信號的調(diào)制。

圖5 ALM2402F-Q1內(nèi)部原理框圖

按照旋變對勵磁信號的要求，根據(jù)上述數(shù)學(xué)計算結(jié)果，將勵磁電壓信號放大約1.53倍即可，所以參照ALM2402FQ1的應(yīng)用電路如圖6所示，僅需要通過簡單配置放大電路外圍電阻Rf和Ri的兩個電阻阻值，即可實現(xiàn)對激勵信號的放大倍數(shù)調(diào)整的需求，具體倍數(shù)可依據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

圖6 ALM2402F-Q1應(yīng)用參考電路

4 旋變反饋信號調(diào)理電路設(shè)計

由于電磁感應(yīng)，旋變在勵磁信號的作用下，其副邊線圈輸出的信號S1、S3和S2、S4，由于電機(jī)內(nèi)部強(qiáng)磁場存在的原因，可能攜帶大量雜波干擾信號，為了準(zhǔn)確解析出電機(jī)的位置和速度信息，該輸出信號通常需要進(jìn)行信號調(diào)制，才能滿足RDC芯片解碼的要求，或者可以直接輸入Aurix單片機(jī)滿足軟件算法進(jìn)行解碼。常用的旋變輸出信號調(diào)制基礎(chǔ)電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。增加該電路雖然在成本上稍微有所增加，但是起到電路阻抗匹配、消除系統(tǒng)雜波信號的目的，整體來說對整個系統(tǒng)設(shè)計是有利的。

圖7 旋變次級線圈信號調(diào)制電路

5 解碼方案

5.1 專用集成電路硬件解碼方案

通過上述介紹，采用專用集成芯片解碼系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖8所示，主要包括旋變解碼芯片RDC、信號放大電路、旋轉(zhuǎn)變壓器、信號調(diào)制電路和主控芯片CPU。

圖8 專用集成芯片解碼系統(tǒng)硬件架構(gòu)

5.2 Aurix單片機(jī)軟件解碼方案

通過上述介紹，采用Aurix單片機(jī)解碼系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖9所示，主要包括信號放大電路、旋轉(zhuǎn)變壓器、信號調(diào)制電路和主控芯片CPU。

圖9 Aurix單片機(jī)解碼系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本方案軟件解碼芯片采用以Infineon公司Aurix系列的TC275為例，其芯片內(nèi)部的EDSADC模塊可以實現(xiàn)對旋變輸出信號的解碼功能。其基礎(chǔ)原理如圖10所示，其中Carrier Generator模塊通過軟件配置，可以實現(xiàn)產(chǎn)生不同頻率的正弦信號或者方波信號，可用來產(chǎn)生旋變激勵信號，通過外部電路Power Stage實現(xiàn)功率放大，從而正常驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器，旋變次級線圈感應(yīng)出的兩組信號，通過簡單的信號調(diào)制電路后，進(jìn)入TC275芯片EDSADC模塊，EDSADC模塊可實現(xiàn)對旋變次級線圈信號進(jìn)行高速采樣，通過內(nèi)置調(diào)制、濾波、積分等功能小模塊，最后輸出電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和角度信號。

圖10 EDSADC模塊軟解碼示意圖

6 結(jié)語

通過上述兩種電機(jī)位置解碼方案的對比，可以發(fā)現(xiàn)：①通過專用解碼芯片進(jìn)行解碼，其優(yōu)點是軟件編程簡單，只需要通過專用解碼芯片的串行總線或者并行總線的方式讀取解碼芯片的寄存器，就可以準(zhǔn)確讀取電機(jī)的位置信息，解碼算法由解碼芯片自行完成，并且精度較高，同時硬件診斷功能較為全面；其缺點是由于增加了被動元件，電路影響參數(shù)較多，調(diào)試復(fù)雜度增大，并且造成硬件成本上升，給后期批量生產(chǎn)及原材料采購都增大壓力。②通過使用英飛凌公司的Aurix系列芯片，其芯片內(nèi)部由于集成了EDSADC專用模塊，可以賦予該模塊復(fù)雜的軟件算法進(jìn)行軟解碼，其突出優(yōu)點是不僅能夠使硬件成本大幅下降，同時簡化了方案設(shè)計，而且由于軟件解碼更加靈活，可以在不更改硬件的情況下，根據(jù)系統(tǒng)需求實時進(jìn)行軟件算法的優(yōu)化，設(shè)計變更更加快捷高效；其缺點是由于電機(jī)位置信息需要軟件算法進(jìn)行解析，其軟件開發(fā)較為復(fù)雜，同時抗干擾和測量精度不易控制，并且診斷功能較少。

綜上所述，可見兩種解碼方案各有優(yōu)缺點，很難確定哪一種方案較優(yōu)，讀者可以根據(jù)具體需求，綜合考慮成本和性能的基礎(chǔ)上合理選擇其中之一。