旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）工作原理簡介

 

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種測量角度用的小型交流電動機(jī)，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵(lì)磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。通常副邊會使用兩個(gè)繞組線圈，互成90°放置在轉(zhuǎn)子上，如圖1所示，

 

圖1

 

在實(shí)際的使用中，轉(zhuǎn)子會隨同電機(jī)做同軸旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子的角度速度以及位置就表征了電機(jī)的相應(yīng)狀態(tài)。若我們在定子上施加正弦勵(lì)磁信號VR，則該交流能量通過原邊線圈會產(chǎn)生磁通量Φ，則在理想狀況下，該磁通量會在副邊產(chǎn)生感應(yīng)電壓，VS和VC。則通過法拉第電磁感應(yīng)定律可得到VS和VC以及角度Θ的關(guān)系如下：

 

 

由此我們可知，若可知道施加激勵(lì)VR以及得到的響應(yīng)VS與VC的實(shí)時(shí)信息，則可根據(jù)上述公式得到角度和速度的信息。在知道Resolver的基本工作原理后，為了得到角度、速度信息，并提供給DSP進(jìn)行算法參考, 我們需要以下功能電路資源輔助Resolver工作，以實(shí)現(xiàn)期待的功能：

 

DAC（Digital to Analog Converter）電路：提供勵(lì)磁正弦信號VR。勵(lì)磁頻率通常在10kHz到20kHz。

 

Boost升壓電路：將勵(lì)磁信號電壓幅度提高。通常Resolver接收的勵(lì)磁信號通常有4Vrms，7Vrms等。同時(shí)在應(yīng)用過程中還需要給系統(tǒng)提供一個(gè)共模電壓，因此這就需要對DAC的輸出信號進(jìn)行一定的放大。

 

勵(lì)磁放大前級電路：在對DAC輸出的勵(lì)磁信號進(jìn)行功率放大前，往往需要利用運(yùn)放搭建電路對DAC的輸出進(jìn)行濾波以及施加共模電壓。

 

勵(lì)磁功率放大電路：將勵(lì)磁信號驅(qū)動能力放大，具體驅(qū)動能力需要看Resolver的規(guī)格。通常需要100mA~300mA。

 

副邊信號調(diào)理電路：將轉(zhuǎn)子感應(yīng)到的信號VS/VC進(jìn)行濾波以及調(diào)理到ADC可以接受的信號范圍。

 

ADC（Analog-to-digital converter）：如基本原理所介紹，我們需要將VS/VC/VR的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，供RDC進(jìn)行角度和速度的計(jì)算。

 

RDC（Resolver-to-digital converter）：執(zhí)行算法，將轉(zhuǎn)子和定子的輸出和感應(yīng)的數(shù)字信號執(zhí)行算法，計(jì)算出速度和角度信息，并輸出給DSP的CPU進(jìn)行電機(jī)算法參考。

 

可以看出，要實(shí)現(xiàn)旋變解碼，并不是一件容易的事情。TI在汽車和工業(yè)電機(jī)方案上擁有十分豐富的經(jīng)驗(yàn)，并提供多種解決方案。本博文將主要向大家介紹兩種應(yīng)用較廣的方案。第一個(gè)是基于C2000系列DSP的旋變軟件解碼方案，第二個(gè)是基于TI PGA411-Q1的高度集成的旋變接口芯片方案。

 

基于C2000的旋變軟件解碼方案

 

圖2展示了基于C2000架構(gòu)的離散旋變軟解碼的硬件方案框圖。

 

圖2

 

Boost升壓電路：如前文所說，為達(dá)到Resolver的驅(qū)動電壓，通常需要將勵(lì)磁信號進(jìn)行放大。在電動車應(yīng)用開發(fā)中，通常采用2級架構(gòu)得到。首先使用一顆12V（低壓鉛蓄電池）轉(zhuǎn)換成5V的一級電源。然后再利用一顆BOOST升壓電源芯片將5V轉(zhuǎn)換成15V（7-VRMS Mode）的電源。這里的選擇也較多，針對本應(yīng)用并沒有太多的限制。優(yōu)秀的工程師往往會結(jié)合電路中的其他運(yùn)用與需求，在ti.com中尋找合適的電源芯片。這里推薦可以使用的一級降壓電源LM63635-Q1，二級升壓BOOST電源TPS61175-Q1。

 

勵(lì)磁放大前級電路：汽車應(yīng)用EMI環(huán)境復(fù)雜，為了保證勵(lì)磁功率放大電路不被干擾，保持信號完整性不失真，并增加一定的共模，工程師往往需要利用運(yùn)放搭建勵(lì)磁放大前級電路。這里對運(yùn)放的選擇主要要求較寬的Bandwidth以及較高的開環(huán)增益，以確保信號不失真。這里可推薦使用OPA197系列運(yùn)放。其具有10-MHz GBW，且OPEN-LOOP GAIN可達(dá)143dB，可確保旋變解碼系統(tǒng)的精度要求。

 

勵(lì)磁功率放大電路：Resolver的勵(lì)磁原邊線圈通常是有很低的DCR(DC resistance通常小于100Ω)，因此需要有一定的電流輸出能力才可以驅(qū)動Resolver，通常是100-300mA。同時(shí)，為了使Resolver得到更好的精度以及線性度，在這里的應(yīng)用中還需要具備較高的SR（壓擺率Slew Rate）。傳統(tǒng)的解決方案是利用Transistors搭建CLASS AB功放電路，其電路復(fù)雜，可靠性低，且成本以及性能均差強(qiáng)人意。TI針對工程師在此處的設(shè)計(jì)痛點(diǎn)，研發(fā)出ALM2402F-Q1，這是一顆針對旋變勵(lì)磁應(yīng)用設(shè)計(jì)的雙路運(yùn)放。ALM2402F-Q1芯片具有以下特點(diǎn)：

 

1. 非常高的電流輸出能力，最大可支持400mA的持續(xù)電流輸出。完全滿足各類resolver的需求。

2. 3.4V/us的SR。可以確保勵(lì)磁信號不失真。

3. 內(nèi)置RF/EMI濾波器。在逆變器這樣的復(fù)雜噪聲環(huán)境中可以更好的工作。

 

利用ALM2402F-Q1可以大大減少工程師的系統(tǒng)BOM，提高系統(tǒng)的可靠性。并且ALM2402F-Q1所提供的電流能力以及SR可以滿足絕大部分的Resolver。ALM2402F-Q1后續(xù)還會推出同系列針對Resolver應(yīng)用的產(chǎn)品，請持續(xù)關(guān)注ti.com。

 

Resolver 原邊繞組輸入信號、副邊繞組輸出信號調(diào)理方案：如圖3所示，在典型應(yīng)用中，Resolver的原邊勵(lì)磁輸入信號，副邊Sin/Cos繞組的輸出信號，我們都需要采集，并由差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號提供給ADC以做后續(xù)算法的處理。因此這一部分需要所使用的運(yùn)放具有差分信號輸入能力且為了獲得更精確的模擬信號，這里系統(tǒng)要求運(yùn)放需要較低的增益誤差（Gain error）以及偏置（offset）。另外需要注意的是，由于汽車電機(jī)電磁環(huán)境復(fù)雜，為了獲得更佳準(zhǔn)確的采樣信息，這里所使用的運(yùn)放必須具有較高的CMRR（Common-mode rejection ratio）。工程師可前往ti.com根據(jù)自己的應(yīng)用需求挑選合適的運(yùn)放。這里我們推薦使用TLVx197-Q1, TLC2272-Q1。

 

圖3

 

ADC, DAC&RDC: TI C2000集成了十分豐富的資源供開發(fā)者使用。上述所提到的需要使用的資源包括，3路ADC一路DAC，以及RDC。本例中使用TI C2000 TMS320F28069。TI C2000微控制器片內(nèi)集成多達(dá)4個(gè)12位/16位ADC單元，3路12位DAC，其中12位ADC最高采樣率達(dá)到12.5Msps，32位C28x DSP核和協(xié)處理器CLA都可以用來實(shí)現(xiàn)旋變解碼算法。TI C2000集成了十分豐富的資源供開發(fā)者使用。任何一個(gè)C2000產(chǎn)品都可以實(shí)現(xiàn)旋變解碼功能，具體還可以結(jié)合所開發(fā)電路的其他需求進(jìn)行選擇。

 

TI離散軟解碼方案具有體積小，成本低，精度高，設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢。TI DSP C2000處理器的強(qiáng)大性能可直接用于電機(jī)控制做算法和驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)。針對離散方案的旋變解碼前端設(shè)計(jì)，TI提供了系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)，TIDA-01527。機(jī)智的工程師可前往ti.com搜索TIDA-01527下載該設(shè)計(jì)的相關(guān)資料。

 

PGA411-Q1旋變接口芯片解碼方案

 

相比于上述的軟解碼離散方案，TI還提供集成度更高的旋變解碼方案，可以極大簡化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。這就是使用TI旋變接口芯片PGA411-Q1。如下框圖展示了使用TI PGA411-Q1的旋變解碼方案。

 

圖4

 

可以看到在MCU和Resolver之間，僅用了一顆PGA411-Q1就完成旋變勵(lì)磁與解碼的工作，上述離散方案的電源芯片，運(yùn)放芯片均不需要。這很大程度上是因?yàn)镻GA411-Q1針對旋變應(yīng)用的需求做了高度的集成。讓我們一起來看一下PGA411-Q1所集成擁有的內(nèi)部資源，如圖5所示：

 

圖5

 

DAC電路：從框圖中我們可以看出PGA411-Q1擁有兩個(gè)DAC。其中一個(gè)就是產(chǎn)生勵(lì)磁正弦信號的DAC。該DAC通過寄存器配置，可設(shè)置生成10kHz到20kHz的正弦勵(lì)磁信號。另外一顆DAC還可將運(yùn)算出來的角度信息進(jìn)行模擬輸出，供工程師調(diào)試使用。

 

Boost升壓電路：PGA411-Q1內(nèi)部集成了一顆Boost Regulator。最大可提供150mA的輸出電流。Boost的輸入可與PGA411-Q1的5-V電源軌VCC共享，不需要額外的一級電源。Boost的輸出可以通過SPI設(shè)置調(diào)節(jié)。4-VRMS的電壓范圍在9.5V-13.5V，7-VRMS的電壓在13.5V-17.5V。

 

勵(lì)磁放大前級電路與勵(lì)磁功率放大電路: PGA411-Q1內(nèi)部集成了Exciter Preamplifier and Power Amplifier。具體可參考圖6。利用TI內(nèi)部集成的Exciter Preamplifier，工程師可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)置勵(lì)磁信號的共模電壓，然后提供給PGA411-Q1內(nèi)部集成的功放模塊進(jìn)行功率放大。PGA411-Q1內(nèi)部的Power Amplifier輸出電流的能力最大可達(dá)145mA，可以滿足大部分的Resolver。若工程師發(fā)現(xiàn)你們所使用的Resolver需要更大的驅(qū)動電流，則建議更換Resolver。不過PGA411-Q1針對無法更換Resolver的應(yīng)用場景也有解決方案，工程師可以disable Power amplifier， Preamplifier的輸出可以直接從ORS Pin得到，只需要將上述C2000方案中的勵(lì)磁功率放大電路的ALM2402F-Q1移植到這里與ORS連接即可。這樣的組合就將驅(qū)動能力提升至400mA。

 

圖6

 

副邊信號調(diào)理電路：如圖7所展示，PGA411-Q1內(nèi)部集成了AFE(Analog Front-End)。Resolver的勵(lì)磁信號以及輸出的SIN/COS信號均可通過PGA411-Q1內(nèi)部集成的AFE進(jìn)行信號調(diào)理。通過SPI可以配置AFE的Gain從0.75-3.5。AFE內(nèi)部ADC分辨率為10bit和12bit, 可通過寄存器進(jìn)行設(shè)置。

 

圖7

 

RDC（resolver-to-digital converter）：PGA411-Q1內(nèi)置RDC，可對AFE的輸入進(jìn)行TYPE II PI數(shù)字回路補(bǔ)償，并且具有自動偏移校正等功能。并可將運(yùn)算的結(jié)果通過三種格式進(jìn)行輸出：Parallel, Encoder, SPI。可以滿足市面上大部分的DSP或者其他處理模塊的接口要求。

 

除此之外，得益于PGA411-Q1的高度集成化，PGA411-Q1還可對各個(gè)功能模塊進(jìn)行診斷和報(bào)錯(cuò)功能。從圖5中我們可以看出，PGA411-Q1對AFE，勵(lì)磁功放，內(nèi)部LDO以及BOOST等模塊，都添加了診斷模塊，每個(gè)模塊的狀態(tài)都可通過內(nèi)部寄存器讀取。這大大簡化了工程師的外部硬件開發(fā)設(shè)計(jì)。并且PGA411-Q1是按照ISO26262流程開發(fā)的器件，專為功能安全項(xiàng)目定制，可提供完善的功能安全文檔。TI基于PGA411-Q1也有一些系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)可供研發(fā)工程師進(jìn)行參考，TIDA-07507, TIDA-00796。請點(diǎn)擊ti.com搜索相應(yīng)的設(shè)計(jì)代碼下載相關(guān)資料。

 

C2000的離散旋變解碼方案，系統(tǒng)成本更有優(yōu)勢，方案更加靈活，可拓展性強(qiáng)。而基于PGA411-Q1的旋變解碼方案，集成度更高，有豐富的診斷檢測和保護(hù)功能。不少優(yōu)秀的工程師在功能安全項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，將兩種方案同時(shí)使用，進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。無論哪種方案，TI都提供詳盡的參考資料以及強(qiáng)大的技術(shù)支持。請持續(xù)關(guān)注ti.com。

 

參考文獻(xiàn)：

 

[1] 《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》

 

[2] TIDA-01527: http://www.ti.com/lit/ug/tidudp0/tidudp0.pdf

 

[3] ALM2402F-Q1 datasheet: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/alm2402f-q1.pdf

 

[3] PGA411-Q1 datasheet: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/pga411-q1.pdf

 

 

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