基于AD2S1210的电机解码系统设计

基于AD2S1210的电机解码系统设计王玉珏张海勇宋雪静雷占秀（河北省汽车工程技术研究中心长城汽车股份有限公司技术中心，保定071000）[摘要]：本文介绍了一种适用于现代新能源汽车用高性能电机转子位置解码系统的设计方案，在阐明旋变基本工作原理的基础上，给出了该系统的详细设计思路及参数选择。该方案基于ADI公司最新旋转变压器/数字转换器芯片AD2S1210设计，重点介绍了围绕AD2S1210芯片的外围电路、激励驱动电路、与TC1782的接口电路。该系统已在长城C20EV纯电动汽车上投入使用，取得了非常好的实际应用效果。关键词:旋转变压器;AD2S1210;转子位置;旋转变压器/数字转换器;ThedesignofmotordecodesystemonthebasisofAD2S1210Wangyu-jue,Zhanghai-yong,Songxue-jing,Leizhan-xiu（R&DCenterofGreatWallMotorCo.,Ltd.,AutomotiveEngineeringTechnicalCenterofHebeiProvince,HebeiBaoDing,071000）[Abstract]:Onthebasisofexplainingtheworkingprincipleofthetransformer,anewsolutionfortheE-motorlocationdecodingsystemisintroduced,withthedetaileddesignprocessandpreferences.ThissolutionisbasedonADS2S1210(revolvingtransformer/digitalconvertingICproducedbyADI),andlaysgreatemphasisontheinterfacecircuitofADS2S1210,inspiringamplifiercircuitandtheinterfacetotheuC.IthassuccessfullyappliedontheElectricVehicleC20EVofGreatWallMotor.Keywords:revolvingtransformer;AD2S1210;rotorposition;RDC;中图分类号：文献标识码：文章编号：0引言:混合动力汽车、电动汽车、增程式电动汽车等新能源汽车是未来汽车的主要发展方向，而新能源汽车的发展直接导致效率高、节能效果明显的永磁交流电动机的应用越来越广泛。永磁交流电机作为无刷电动机没有换向机构，故需要位置传感器来确定转子位置、旋转速度等参数。永磁交流无刷电动机位置传感器原以霍尔传感器、光学编码器居多；但是由于霍尔传感器精度低、光学编码器抗震动性差、抗腐蚀性弱，都不能胜任现代电动汽车恶劣的工作环境；故近年来迅速地被抗冲击震动和温湿度变化的能力很强、适用于恶劣工作环境的旋转变压器所代替[1]。旋转变压器作为输入/输出模拟量的时变强耦合器件，对其输入信号有较高的要求；且其输出模拟信号因相位移向、电机引入干扰而不能直接被上位控制机所直接采纳使用，必须采用设计良好、经过标定验证的信号接口电路处理以实现其模拟信号与控制系统数字信号之间的互相转化，这类接口电路是专用于旋转变压器的模/数转换器，也就是旋转变压器/数字转换器(RDC)[5]。早期的RDC电路方案采用分离式设计，使用者需根据各自系统的特点利用各种滤波、放大、AD/DA等芯片搭建一个完整的RDC电路，这种方案需要设计者拥有非常丰富的设计经验和大量的系统测试/验证时间，在一定程度上为旋转变压器的普及造成了障碍；近年来旋转变压器技术的高速发展促使国内外各大公司纷纷推出高集成度可编程高信噪比的信号检测芯片，ADI公司的AD2S1210是ADI公司最新推出的旋转变压器信号输出/检测芯片，该芯片分辨率10到16位数字可调、最大精度可达±2.5弧分，带有参考振荡器的数字可变R/D变换器并经过汽车应用认证。本文给出基于该芯片的电机解码系统设计，该设计成果已经应用于长城汽车腾翼C20EV纯电动汽车上，使用效果良好。1旋变原理及主要参数指标基本的旋转变压器分经典旋变和可变磁阻式旋变等，它们在结构和绕组分配方式上略有不同，但是无论何种形式的旋变，旋变输出电压(S3−S1,S2−S4)的计算公式均相同，如公式1所示[3]：(1)其中：为转子转角。为转子激励频率。为转子激励幅度。图1旋转变压器的工作原理图旋转变压器的两个定子绕组机械错位90°（见图1）。初级绕组采用交流基准源激励。随后在定子次级绕组上的耦合的幅度是转子（轴）相对于定子的位置的函数。因此，旋变产生由轴角的正弦和余弦调制的两个输出电压(S3−S1,S2−S4)。旋变格式信号输出格式见图2。是指从旋变输出获得的信号（公式1）。图2显示了输出格式。图2输出格式表示图本设计中旋转变压器采用日本多摩川公司生产的经典旋变，变比0.286，激励频率范围10-20KHz，激励电压峰-峰（P-P）值最大17V，激励电流典型值200mA50mA。2AD2S1210工作理论及外围搭建AD2S1210是一款10位至16位分辨率旋变数字转换器，集成片上可编程正弦波振荡器，为旋转变压器提供正弦波激励，转换器的正弦和预先输入端准许输入3.15VP-P±27%、频率为2kHz至20kHz范围内信号。使用TypeⅡ伺服环路策略跟踪输入信号，并将正弦和余弦输入端的信息转换为输入角度和速度所对应的数字量。最大跟踪速度为3125rps。2.1工作理论[3]AD2S1210按照TypeⅡ跟踪闭环原理工作。TypeⅡ跟踪环路的优点是它能跟踪恒定速度输入，而输出的连续跟踪旋变的位置，不存在固有误差，无需要外部转换和等待状态，抑制噪声效果好，并可以最大程度的抑制谐波失真，从而提高精度。当旋变的位置经过了最低有效位的角度时，AD2S1210输出1LSB。其中：为分辨率取转换器跟踪轴角的原理为：转换器将产生反馈角，反馈角与输入角相比较；当转换器正确跟踪输入角度时，二者之间的误差将为0。为了测量误差，将S3−S1乘以，将S2−S4乘以，从而得到下式：（S1−S3）（S2−S4）二者的差值为：(2)简化后得到下式：=(3)当角度误差值很小时，有：则值表示转子的角度误差与转换器的数字角度输出二者的差值。2.2外围电路AD2S1210外围电路如图3所示，本设计采用模拟、数字双路隔离供电，晶振频率8.192MHz，在此时钟频率工作时，AD2S1210的默认激励频率为10kHz。图3AD2S1210外围电路ADS1210有两种工作模式：配置模式和普通模式。配置模式用于对寄存器进行编程，以设置AD21210的激励频率、分辨率和故障检测阀值。配置模式也可用于回读故障寄存器中的信息。，位置和速度寄存器中得的数据也可以在配置模式下进行回读。AD2S1210可以完全工作在配置模式下，或者初始配置完成后可让器件离开配置模式，工作在普通模式下。在普通模式下工作时，数据输出可提供角位置或角速度数据[3]。A0和A1输入用来确定AD2S1210是否处于配置模式，以及是否将位置或速度数据提供给输出引脚，见表1。A0A1模式00普通模式-位置输出01普通模式-速度输出10保留模式11配置模式表1模式配置在普通模式下，数字输出的分辨率利用RES0和RES1输入引脚进行选择。配置模式下，分辨率的选择是通过设置控制寄存器中的RES0和RES1位。切换普通模式与配置模式时，输入端必须确保控制寄存器中设置的分辨率与RES0和RSE1输入引脚所设置的分辨率一致。如果两种分辨率设置不同，输出数据可能不正确[3]。在8.192MHz时钟下，其关系见表2。RES0RES1分辨率（位）位置LSB（弧分）速度LSB（rps）001021.14.8801125.30.48810141.30.0611160.30.004表2分辨率设置由于旋变有着不同的励磁电压要求和一定的变比，而AD2S1210的励磁信号输出典型值为差分7.2Vp-p，输入信号范围为差分3.15Vp-p，所以要故应结合旋变的参数调整驱动器的增益。需要注意的是输入至AD2S1210的差分信号不能低于地电位，所以在此处本方案选择正电源激励。一般情况增益都在励磁一侧的增益缓冲器处设定(即利用图3中的R1,R2)，根据旋变励磁电压，再根据旋变的变比，得到符合AD2S1210输入电平要求的正余弦调制信号（如图4）。在本例设计中已知旋变的变比为0.286，为实现3.15Vpp的正余弦输入信号幅度，励磁一侧的电压应为：3.15Vpp/0.286=11Vpp所以增益设定为R142/R146：11Vpp/7.2Vpp=1.53运放同相输入端的电阻用于调整励磁信号的直流共模电平，C163、C173电容并联在反馈端做滤波使用[4]。图4励磁驱动电路AD2S1210的输入信号SIN(COS)与SINLO(COSLO)两者的典型压差是3.15Vp-p，输入的差分信号不能低于零电位，设计使用REFOUT来偏置输入差分信号（如图5）。为了改善系统的噪声性能，必须对输入模拟信号进行RC滤波（截止频率低于500kHz），并使用较短的双绞屏蔽线对模拟信号进行保护，屏蔽应端接至[6]。图5差分输入信号接收电路2.3通讯模式角位置和角速度用二进制数据表示，可以通过一个16位并行接口或者一个时钟速率最高为25Mhz的四线串行接口提取。AD2S1210利用一族片内寄存器控制其可编程功能。数据通过串行或并行接口写入这些寄存器。串行输出使能引脚处于高电平时，并行接口使能；。引脚处于低电平时，串行接口使能，引脚DB0至DB12进入高阻态。引脚DB13为串行时钟输入（），一引脚DB14为串行数据输入（），引脚DB15为串行数据输出（），/为帧同步输入。由于串行通讯方式带宽有限、占用指令周期长、实时性差、不符合高速电机系统要求，故本例设计采用并行通讯方式[2]。3系统中的应用本系统采用英飞凌最新的TriCore1782做为控制核心，TC1782集成具有4级流水线的高性能32位TriCoreV1.3.1CPU、完全集成的DSP功能、多种总线、总线仲裁、中断控制器、外设控制处理器、DMA控制器和单精度浮点单元(FPU)并集成32路模拟输入信号、全温度工作频率高达180MHz。图6并行端口写入时序AD2S1210并行端口写入时序图见图6，当引脚处于高电平时，选择并行接口。片选引脚必须处于低电平才能使能该接口。要从AD2S1210回读位置或速度数据，首先应当利用输入更新位置和速度寄存器中存储的信息。当输入发生高电平至低电平转换时，数据将从和速度积分器传输到位置和速度寄存器。故障寄存器也会在此时进行更新。A0和A1输入的状态决定是将位置数据还是速度数据传输寄存器。引脚必须保持低电平才能将所选数据传输至输出寄存器。最后，利用输入读取输出寄存器中得数据，并使能输出缓冲器。和保持低电平时，输出缓冲器使能。当RD返回高电平时，数据引脚也返回高阻态。如果用户要联系读取数据，可以在释放开始的至少t20ns后重新使能。读取周期的时序如图所示。注意当RD为低电平时，/输入应为高电平。4结语ADI公司的RDC芯片AD2S1210分辨率可变、10位至16位RD转换内置参考振荡器，功能强大，体积小适用范围广，适用范围广体积小；本设计方案基于AD2S1210开发的电机解码系统已在长城C20EV纯电动汽车上投入适用。该方案电路简单可靠，与英飞凌TC1782核心控制器、多摩川旋转变压器匹配良好，取得了非常好的实际应用效果。[参考文献][1]曲家骐，王季秩．伺服控制系统中的传感器[M]．北京:机械工业出版社,1999.[2]崔军，温旭辉，张立伟，新型永磁同步电机控制用旋转变压器／数字转换器及其应用[J].电机与控制应用，2005,32（8）：51-54[3]AnalogDevicesIns.AD2S1210Datasheet.2008[4]李川,谭娃,金如麟.电机控制专用DSP[J].