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：    

    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。

    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REFOUT[5]。

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。
    串行輸出使能引腳SOE處于高電平時(shí)，并行接口使能；處于低電平時(shí)，串行接口使能，引腳DB0～DB12進(jìn)入高阻態(tài)。引腳DB13為串行時(shí)鐘輸入(SCLK)，引腳DB14為串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)，引腳DB15為串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)，WR/FSYNC為幀同步輸入，具體接口如圖3所示。
    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。
    AD2S1210并行端口寫入時(shí)序圖如圖6所示，當(dāng)SOE引腳處于高電平時(shí)，選擇并行接口。片選引腳CS必須處于低電平才能使能該接口。

    要從AD2S1210回讀位置和速度數(shù)據(jù)，首先應(yīng)當(dāng)利用SAMPLE輸入更新位置和速度寄存器中存儲(chǔ)的信息。當(dāng)SAMPLE輸入發(fā)生高電平至低電平轉(zhuǎn)換時(shí)，數(shù)據(jù)將從位置和速度積分器傳輸?shù)轿恢煤退俣燃拇嫫?，故障寄存器也?huì)在此時(shí)進(jìn)行更新。A0和A1輸入的狀態(tài)決定是將位置數(shù)據(jù)還是速度數(shù)據(jù)傳輸至寄存器。CS引腳必須保持低電平才能將所選數(shù)據(jù)傳輸至輸出寄存器。最后，利用RD輸入讀取輸出寄存器中的數(shù)據(jù)，并使能輸出緩沖器。CS和RD保持低電平時(shí)，輸出緩沖器使能；當(dāng)RD返回高電平時(shí)，數(shù)據(jù)引腳也返回高阻態(tài)。如果用戶要連續(xù)讀取數(shù)據(jù)，可以在釋放RD開(kāi)始的至少t20 ns后重新使能RD。需要注意當(dāng)RD為低電平時(shí)，WR/FSYNC輸入應(yīng)為高電平。
    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。
參考文獻(xiàn)
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[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.
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