一種旋變位置解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1.引言

隨著永磁同步電機(jī)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天等各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，永磁同步電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域也得到同步發(fā)展。眾所周知，永磁同步電機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，需要安裝位置傳感器來(lái)檢測(cè)位置信號(hào)。因旋轉(zhuǎn)變壓器(簡(jiǎn)稱(chēng)旋變)通過(guò)與相應(yīng)的解碼芯片配合即可對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，所以旋變作為較為可靠的絕對(duì)位置傳感器被廣泛采用。目前很多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始研究旋變位置解碼系統(tǒng)[1-4],隨著旋變及其解碼芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，旋變的可靠性更高，解碼電路也更加緊湊。本文采用當(dāng)前最新一代可變磁阻旋變和與之配合的解碼芯片AD2S1205,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的旋變位置解碼系統(tǒng)，并通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

2.旋變工作原理

旋變的通常配置是初級(jí)繞組位于轉(zhuǎn)子上，兩個(gè)二次繞組位于定子上。本系統(tǒng)采用的可變磁阻旋變的轉(zhuǎn)子上則不存在繞組，如圖1所示，初級(jí)繞組和二次繞組均位于定子上，轉(zhuǎn)子的這種特殊設(shè)計(jì)可使得次級(jí)耦合隨著角位置變化而發(fā)生正弦變化。

無(wú)論何種配置，旋變正弦繞組的輸出電壓是S1? S3,余弦繞組的輸出電壓是S2 ? S4,如(1)式和(2)式所示。其中：θ 為軸角，ω 為轉(zhuǎn)子激勵(lì)角頻率，E0為轉(zhuǎn)子激勵(lì)幅度。

可變磁阻旋變初級(jí)繞組采用交流基準(zhǔn)源激勵(lì)，兩個(gè)次級(jí)繞組機(jī)械上交叉90°。定子二次繞組上耦合出的電壓幅度是轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子角位置θ 的函數(shù)，旋變輸出信號(hào)如圖2所示。

轉(zhuǎn)換器跟蹤軸角θ 的原理為，轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出角φ ,然后反饋φ 以與輸入角θ 相比較。當(dāng)轉(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角度時(shí)，二者之間的誤差將被驅(qū)動(dòng)至0.為了測(cè)量誤差，將(1)式乘以cosφ ,(2)式乘以sinφ ,其差值為：

當(dāng)角度誤差(θ ?φ )的值很小時(shí)，(4)式即近似等于0 E (θ ?φ )。AD2S1205具備一個(gè)由相位敏感解調(diào)器、積分器和補(bǔ)償濾波器形成的閉環(huán)系統(tǒng)，可力求使誤差信號(hào)歸零。當(dāng)該目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)，在轉(zhuǎn)換器的額定精度范圍內(nèi)，輸出角φ 即等于旋變角度θ .

3.硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)是圍繞AD公司的解碼芯片AD2S1205展開(kāi)的。首先，該芯片是一款完整的12位分辨率跟蹤分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置可編程正弦波振蕩器，為旋變提供正弦波激勵(lì)，工作頻率范圍為8.192MHz±25%.該芯片采用Type II跟蹤環(huán)路，可用于跟蹤輸入信號(hào)，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為角度和速率所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，其最大跟蹤速率是外部時(shí)鐘頻率的函數(shù)。Type II跟蹤環(huán)路能夠連續(xù)輸出位置數(shù)據(jù)，且沒(méi)有轉(zhuǎn)換延遲，它還能提供噪聲抑制，以及參考和輸入信號(hào)的諧波失真容限。

圖3為旋變解碼電路原理圖。首先由AD2S1205解碼芯片產(chǎn)生差分正弦勵(lì)磁信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大、跟隨后，通過(guò)推挽的方式輸出到電機(jī)旋變。電機(jī)旋變返回的差分信號(hào)S1? S3、S2 ? S4,經(jīng)IC26運(yùn)算后送AD2S1205進(jìn)行處理。SINLO和COSLO同時(shí)接入到REFOUT的目的是增強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性，信號(hào)放大倍數(shù)為1.5.

針對(duì)故障檢測(cè)，芯片內(nèi)部有相關(guān)的故障檢測(cè)功能，其相關(guān)故障的優(yōu)先等級(jí)和故障碼如表1所示。

電平轉(zhuǎn)換芯片采用74ALVCH164245,此芯片把旋變信號(hào)轉(zhuǎn)為3.3V后送單片機(jī)，其電路如圖4所示。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1 復(fù)位時(shí)序

圖5為AD2S1205復(fù)位驅(qū)動(dòng)時(shí)序。

當(dāng)AD2S1205的電源電壓小于4.5V時(shí)，AD2S1205處于低電壓復(fù)位狀態(tài)，LOT/DOS同時(shí)為低電平指示，系統(tǒng)復(fù)位無(wú)信號(hào)。當(dāng)電源電壓超過(guò)4.5V以后，RESET管腳需保持有效電平至少10μs以上，使得AD2S1205芯片復(fù)位。在復(fù)位無(wú)效后，AD2S1205需要至少20ms時(shí)間，使得內(nèi)部電路能夠穩(wěn)定工作，并且追蹤電路能夠穩(wěn)定追蹤輸入角度。經(jīng)過(guò)20ms的穩(wěn)定工作時(shí)間后，SAMPLE有效并且保持一段時(shí)間，復(fù)位軟件流程如圖6所示。

4.2 并口數(shù)據(jù)讀取時(shí)序

圖7為通過(guò)并行接口讀取AD2S1205數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。并口數(shù)據(jù)讀取時(shí)序從SAMPLE有效開(kāi)始，SAMPLE必須保持264ns有效時(shí)間，鎖存內(nèi)部角度/速度數(shù)據(jù)至角度/速度寄存器中，然后在SAMPLE有效后750ns,MCU才能控制CS管腳有效，使鎖存允許，并采用RD的下降沿鎖存角度/速度寄存器中的一項(xiàng)數(shù)值內(nèi)容至數(shù)據(jù)管腳(并口模式)。RDVEL決定鎖存角度寄存器還是速度寄存器，所以在RD下降沿的前5ns和后7ns,RDVEL必須保持穩(wěn)定不變。在RD下降沿，延時(shí)12ns后，即可從并口讀取角度數(shù)據(jù)或者速度數(shù)據(jù)。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試驅(qū)動(dòng)板，旋變和拖動(dòng)電機(jī)組成，如圖8所示。拖動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋變運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度上，由解碼電路輸出勵(lì)磁信號(hào)，驅(qū)動(dòng)旋變，同時(shí)接收反饋的正、余弦信號(hào)，解析旋變的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度。通過(guò)使用仿真器，在初始化函數(shù)的前后設(shè)置斷點(diǎn)控制函數(shù)調(diào)試過(guò)程，并觀(guān)察函數(shù)運(yùn)行結(jié)果是否正確。通過(guò)示波器，觀(guān)察函數(shù)運(yùn)行后相關(guān)管腳上的驅(qū)動(dòng)時(shí)序是否正確，并觀(guān)測(cè)RESET/SAMPLE/LOT/DOS管腳。在初始化執(zhí)行過(guò)程中，需參照復(fù)位時(shí)序觀(guān)察MCU控制的RESET和SAMPLE管腳是否在對(duì)應(yīng)時(shí)間送出對(duì)應(yīng)電平或者脈沖，需觀(guān)察如果系統(tǒng)硬件連接正常，DOS/LOT管腳是否在初始化后輸出高電平指示，或者如果系統(tǒng)硬件連接不正常(比如旋變接線(xiàn)斷路)，DOS/L O T管腳是否在初始化后輸出對(duì)應(yīng)故障信號(hào)。

圖9為AD2S1205的初始化函數(shù)調(diào)用時(shí)的總圖。

框a為開(kāi)始調(diào)用初始化函數(shù)的時(shí)間點(diǎn)位置，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，RESET管腳送出15μs的復(fù)位有效低電平脈沖，同時(shí)置高SAMPLE/CS_RD兩路管腳為無(wú)效高電平?？騜為結(jié)束初始化函數(shù)的時(shí)間點(diǎn)位置，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，SAMPLE送出400ns采樣有效低電平脈沖，然后讀取DOS/LOT狀態(tài)供應(yīng)用層使用。初始化函數(shù)整體時(shí)間為30ms,即RESET復(fù)位結(jié)束到SAMPLE有效讀取DOS/LOT狀態(tài)的延時(shí)時(shí)間為30ms.讀取位置測(cè)試程序每100μs調(diào)用一次角度函數(shù)和速度函數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10中SAMPLE有效時(shí)間為427ns;SAMPLE無(wú)效時(shí)間至讀取角度/速度延時(shí)為750ns;R D V E L管腳選擇讀取角度/速度的延時(shí)為90ns;CS_RD有效時(shí)間為480ns,基本反映出從CS_RD下降沿至讀取角度/速度的延時(shí)時(shí)間，CS_RD無(wú)效至下一次讀取時(shí)間為200ns.

因此，測(cè)試所得AD2S1205的讀取角度函數(shù)，與其驅(qū)動(dòng)時(shí)序符合。測(cè)試所得AD2S1205的讀取速度函數(shù)，與其驅(qū)動(dòng)時(shí)序符合。通過(guò)仿真器驗(yàn)證，測(cè)試程序讀取得到的角度值和速度值，也均符合預(yù)期。

6.結(jié)論

本文基于旋變及其解碼芯片的原理和特點(diǎn)，提出了一種旋變位置解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，本方案的硬件和軟件設(shè)計(jì)均滿(mǎn)足電機(jī)位置解碼要求，并且時(shí)序正確。