基于AD2S1210的電機解碼系統設計*

王玉玨，翁浩宇，張海勇，宋雪靜，雷占秀

（長城汽車股份有限公司 技術中心 河北省汽車安全一體化與智能控制重點實驗室，河北 保定 071000）

無刷電動機沒有換向機構，需要位置傳感器來確定轉子位置、旋轉速度等參數。其位置傳感器原以霍爾傳感器、光學編碼器居多。但是由于霍爾傳感器精度低，而光學編碼器抗震動性差、抗腐蝕性弱，都不能勝任現代電動汽車惡劣的工作環境，故近年來迅速被適用于惡劣工作環境的旋轉變壓器所代替[1]。

旋轉變壓器作為時變強耦合器件，對其輸入信號有較高的要求，且其輸出模擬信號因相位移向、電機引入干擾而不能直接被上位控制機所采納使用，必須采用設計良好、經過標定驗證的信號接口電路處理，以實現其模擬信號與控制系統數字信號之間的互相轉化。這類接口電路是專用于旋轉變壓器的模/數轉換器，即旋轉變壓器/數字轉換器(RDC)[2]。

早期的RDC電路方案采用分離式設計，使用者需根據各自系統的特點利用各種濾波、放大、AD/DA等芯片搭建一個完整的RDC電路，這種方案需要設計者擁有非常豐富的設計經驗和大量的系統測試/驗證時間，在一定程度上為旋轉變壓器的普及造成了障礙。AD2S1210是ADI公司最新推出的旋轉變壓器信號輸出/檢測芯片， 該芯片分辨率為 10 bit、12 bit、14 bit、16 bit可調，最大精度可達±2.5弧分，且帶有參考振蕩器的數字可變R/D變換器并經過了汽車應用認證。本文給出了基于該芯片的電機解碼系統設計。

1 旋變原理及主要參數指標

基本的旋轉變壓器分經典旋變和可變磁阻式旋變等，它們在結構和繞組分配方式上略有不同，但是無論何種形式的旋變，其旋變輸出電壓(S3-S1,S2-S4)的計算公式[3]均相同，即：

式中，θ為轉子轉角，sinωt為轉子激勵頻率，E0為轉子激勵幅度。

旋轉變壓器的兩個定子繞組機械錯位90°，如圖1所示。其中，Vp為勵磁電壓峰值，Vr為勵磁電壓有效值，Vs為變比后的電壓，Va、Vb分別為 S2-S4、S3-S1感應電壓。初級繞組采用交流基準源激勵，隨后在定子次級繞組上耦合的幅度是轉子（軸）相對于定子位置的函數。因此，旋變產生由軸角的正弦和余弦調制的兩個輸出電壓(S3-S1，S2-S4)。旋變信號輸出格式如圖2所示。

本設計的旋轉變壓器采用日本多摩川公司的經典旋變，其變比為 0.286，激勵頻率范圍為 10 kHz～20 kHz，激勵電壓峰-峰值最大為17 V，激勵電流典型值為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，為旋轉變壓器提供正弦波激勵，轉換器的正弦和余弦輸入端準許輸入峰-峰值為 3.15 V±27%、頻率為 2 kHz～20 kHz范圍內的信號。將正弦和余弦輸入端的信號轉換為輸入角度和速度所對應的數字量信號，則最大跟蹤速度為3 125 r/s。

2.1 工作理論[3]

AD2S1210按照TypeⅡ跟蹤閉環原理工作，能跟蹤恒定速度輸入，而輸出連續跟蹤旋變的位置不存在固有誤差，無需外部轉換和等待狀態，抑制噪聲效果好，并可以最大限度地抑制諧波失真，從而提高精度。當旋變的位置經過最低有效位的角度時，AD2S1210輸出1 LSB(1 LSB=60′×360/2N，N 為 RDC 分辨率)。

轉換器跟蹤軸角θ的原理為：轉換器將產生反饋角φ，反饋角φ與輸入角θ相比較，當轉換器正確跟蹤輸入角度時，二者之間的誤差將為0。為了測量誤差，將S3-S1乘以 cosφ，將 S2-S4乘以 sinφ，可得到：

將式(2)、式(3)差值化簡后得到：

當角度誤差θ-φ值很小時，有：

則E0(θ-φ)值表示轉子的角度誤差與轉換器的數字角度輸出二者的差值。

2.2 外圍電路

AD2S1210外圍電路如圖3所示，采用模擬、數字雙路隔離供電，激勵頻率為10 kHz。

ADS1210有兩種工作模式：配置模式和普通模式。配置模式用于對寄存器進行編程，以設置AD21210的激勵頻率、分辨率和故障檢測閾值。配置模式也可用于回讀故障寄存器中的信息以及位置和速度寄存器中的數據。AD2S1210可以完全工作在配置模式下，或者初始配置完成后離開配置模式工作在普通模式下。在普通模式下工作時，數據輸出可提供角位置或角速度數據[3]。A0和A1輸入用來確定AD2S1210是否處于配置模式以及是否將位置或速度數據提供給輸出引腳。模式配置如表1所示。

在普通模式下，數字輸出的分辨率利用RES0和RES1輸入引腳進行選擇。配置模式下，分辨率通過設置控制寄存器中的RES0和RES1位選擇。切換普通模式與配置模式時，輸入端必須確?？刂萍拇嫫髦性O置的分辨率與RES0和RSE1輸入引腳所設置的分辨率一致。如果兩種分辨率設置不同，則輸出數據可能不正確[3]。在8.192 MHz時鐘下，其關系如表2所示。

表1 模式配置

表2 分辨率設置

由于旋變有著不同的勵磁電壓要求和一定的變比，而AD2S1210的勵磁信號輸出典型值為差分7.2 Vp-p，輸入信號范圍為差分3.15 Vp-p，故應結合旋變的參數調整驅動器的增益。需要注意的是輸入至AD2S1210的差分信號不能低于地電位，所以在此處選擇正電源激勵。

一般情況增益都在勵磁一側的增益緩沖器處設定，根據旋變勵磁電壓和旋變的變比，可得到符合AD2S1210輸入電平要求的正、余弦調制信號。勵磁驅動電路如圖4所示。

在本設計中，已知旋變的變比為0.286，為實現3.15 Vp-p的正、余弦輸入信號幅度，勵磁一側的電壓應為：3.15 Vp-p/0.286=11 Vp-p，所以增益設定為：R142/R146=11 Vp-p/7.2 Vp-p=1.53。

運放同相輸入端的電阻用于調整勵磁信號的直流共模電平，C163、C173電容并聯在反饋端用于濾波[4]。

AD2S1210的輸入信號SIN(COS)與SINLO(COSLO)兩者的典型壓差是3.15 Vp-p，輸入的差分信號不能低于零電位，設計使用REFOUT來偏置輸入差分信號，如圖5所示。為了改善系統的噪聲性能，必須對輸入模擬信號進行RC濾波(其截止頻率低于500 kHz)，并使用較短的雙絞屏蔽線對模擬信號進行保護，屏蔽線端接至。

2.3 通信模式

角位置和角速度用二進制數據表示，可以通過一個16 bit并行接口或者一個時鐘速率最高為25 MHz的四線串行接口提取。AD2S1210利用片內寄存器控制其可編程功能。數據通過串行或并行接口寫入這些寄存器。

由于串行通信方式帶寬有限，占用指令周期長，實時性差，不符合高速電機系統要求，故采用并行通信方式[6]。

3 系統中的應用

系統采用英飛凌最新的TriCore1782做為控制核心，TC1782集成具有4級流水線的高性能32 bit CPU、完全集成的DSP功能、多種總線、總線仲裁、中斷控制器、外設控制處理器、DMA控制器和單精度浮點單元(FPU)，并集成32路模擬輸入信號，其全溫度工作頻率高達180 MHz。

ADI公司的RDC芯片AD2S1210分辨率可變，支持10 bit、12 bit、14 bit、16 bit RD 轉換，內置參考振蕩器，功能強大，體積小，適用范圍廣。

本設計方案基于AD2S1210開發的電機解碼系統已在長城C20EV純電動汽車上投入適用。該方案電路簡單可靠，與英飛凌TC1782核心控制器、多摩川旋轉變壓器匹配良好，取得了非常好的實際應用效果。

[1]曲家騏，王季秩．伺服控制系統中的傳感器[M]．北京：機械工業出版社，1999.

[2]李耀海，胡廣艷，郝瑞祥，等.基于 AU6802n1的旋轉變壓器信號接口電路的設計和應用[J].電子設計應用，2006(2)：110-114.

[3]Analog Devices Ins.AD2S1210 data sheet[Z].2008.

[4]李川，譚茀娃，金如麟.電機控制專用 DSP講座[J].微特電機，2001，29(4)：43-45，47.

[5]熊光亮.AD2S82A在交流伺服控制中的應用[J].電光系統，2004(2)：61-64.

[6]崔軍，溫旭輝，張立偉.新型永磁同步電機控制用旋轉變壓器/數字轉換器及其應用[J].電機與控制應用，2005,32（8）：51-54.