旋變解碼芯片AD2S1205應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳成加　趙圣寶

摘 要 介紹了一種適用于新能源汽車交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S1205，將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便于DSP進(jìn)行處理。介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器的基本原理，設(shè)計(jì)了AD2S1205與旋轉(zhuǎn)變壓器及TMS320F28335數(shù)字信號處理器的接口電路，并在安凱HFF6140K07CHEV插電式混合動力客車上投入使用，取得了非常好的實(shí)際應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)方法精度高，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，完全能夠滿足高速電機(jī)控制系統(tǒng)及車輛環(huán)境的應(yīng)用要求。

【關(guān)鍵詞】旋轉(zhuǎn)變壓器 AD2S1205 信號轉(zhuǎn)換 數(shù)字解碼器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種能輸出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角或位置成某種函數(shù)關(guān)系電信號的交流微特電機(jī)，主要應(yīng)用于角度位置伺服控制系統(tǒng)或運(yùn)動伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的傳感和測量用，其可以用來精確測量轉(zhuǎn)子位置信號，從而提高運(yùn)動伺服控制系統(tǒng)的控制性能，在電機(jī)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)變壓器與數(shù)字解碼芯片相結(jié)合實(shí)現(xiàn)角度位置和速度信號解碼。目前常用到的旋變數(shù)字解碼芯片主要是美國ADI公司的AD2S90、AD2S12xx或日本多摩川公司的AU6802N1系列等。其中AD2S1205是ADI公司推出的旋轉(zhuǎn)變壓器信號輸出/檢測芯片，該芯片分辨率12位、最大精度可達(dá)±11弧分，帶有參考振蕩器的數(shù)字可變R/D變換器并經(jīng)過汽車應(yīng)用認(rèn)證。本文介紹了一種多極旋轉(zhuǎn)變壓器與AD2S1205相配合的接口電路設(shè)計(jì)。針對旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片的解碼原理及解碼電路濾波電容對位置角測量誤差的影響進(jìn)行深入的分析，同時根據(jù)分析的結(jié)果調(diào)整解碼電路最優(yōu)的濾電容，并經(jīng)過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了本文分析的準(zhǔn)確性，應(yīng)用到實(shí)際工程應(yīng)用中。

1 旋變解碼芯片

基本的旋轉(zhuǎn)變壓器分經(jīng)典旋變和可變磁阻式旋變等，它們在結(jié)構(gòu)和繞組的要配方式上各不相同，但無論何種形式的旋變，其旋變輸出電壓（S3-S1，S2-S4）的計(jì)算公式均相同，即

式中，θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，sinωt為轉(zhuǎn)子激勵頻率，E0激勵幅度。旋轉(zhuǎn)變壓器的兩個轉(zhuǎn)子繞組機(jī)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，Vs為變比后的電壓，Va、Vb分別為S2-S4，S3-S1感應(yīng)電壓，初級繞組采用交流基準(zhǔn)源激勵，隨后在定子次級繞組上耦合的幅度是轉(zhuǎn)子軸相對于定子的函數(shù)。因此，旋變產(chǎn)生由軸角的正弦和余弦調(diào)制的兩個輸出電壓S3-S1，S2-S4，旋變輸出信號格式如圖2所示。

本設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)變壓器采用日本多摩川或上海贏雙電機(jī)公司的三對極旋轉(zhuǎn)變壓器，旋變的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周，其電角度變化為1080度，其變壓比為0.286±10%，激勵頻率范圍為10KHz～20KHz，激勵電壓峰-峰值為20V，輸入阻抗180Ω，激勵電流典型值為50mA。

2 AD2S1205的工作原理

AD2S1205是一款12位分辨率旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器，集成片上可編程正弦波振蕩器，可以將激勵頻率設(shè)置為10 kHz、12 kHz、15 kHz或20 kHz。為旋變器提供正弦波激勵。轉(zhuǎn)換器的正弦和余弦輸入端允許3.15 V p-p ± 27%輸入信號。采用Type II跟蹤環(huán)路跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對應(yīng)的數(shù)字量。最大跟蹤速率取

決于外部時鐘頻率。AD2S1205的工作頻率為8.192 MHz ± 25%，最大跟蹤速率為1250 rps。支持增量式編碼仿真輸出，輸出脈沖數(shù)1204脈沖/轉(zhuǎn)。增量式編碼器仿真采用標(biāo)準(zhǔn)A-quad-B格式，并提供方向輸出。

2.1 工作理論

AD2S1210按照跟蹤閉環(huán)原理，能跟蹤恒定速度輸入，輸出連續(xù)跟蹤變變位置不存在固有誤差。無需外部轉(zhuǎn)換和等待狀態(tài)，且沒有轉(zhuǎn)換延遲。它還可以抑制噪聲，并提供參考和輸入信號的諧波失真容限。從而提高精度，當(dāng)旋變的位置經(jīng)過最低有效位的角度時，AD2S1205輸出1 LSB的分辯率。

轉(zhuǎn)換器跟蹤軸角的原理為：由EXC、 激勵源向旋轉(zhuǎn)變壓器提供勵磁信號，承載著位置信息的兩路旋轉(zhuǎn)變壓器模擬信號送入到解碼電路的SIN、SINL、COS、COSL輸入端。分別經(jīng)過AD采樣后送入乘法器，分別經(jīng)過乘法運(yùn)算，轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生反饋角φ與輸入角θ、反饋角θ與輸入角φ相比較，當(dāng)轉(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角度時，二者之間的誤差將為0，為了測量誤一個閉環(huán)系統(tǒng)由一個相位敏感的解調(diào)器、一些積分器和一個補(bǔ)償濾波器形成，它可以將誤差信號歸零。當(dāng)該目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)時，在轉(zhuǎn)換器的額定精度范圍內(nèi)，φ等于旋轉(zhuǎn)角θ。之所以使用Type II跟蹤環(huán)路，是因?yàn)樗芨櫤愣ㄋ俣容斎?，而不存在固有誤差。

2.2 AD2S1205接口電路設(shè)計(jì)

AD2S1205外圍電路如圖3所示。采用模擬、數(shù)字電路隔離，旋變解碼電路控制與數(shù)據(jù)讀取通過磁隔離電路ADuM1400和ADuM1401與數(shù)字信號處理器TMS320F28335進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)信號隔離。輸入電路激勵頻率為10KHz。

AD2S1205片上振蕩器向旋變器提供正弦波激勵信（ EXC）及其互補(bǔ)信號（ ）。該基準(zhǔn)信號的頻率可通過FS1和FS2引腳設(shè)置為四個標(biāo)準(zhǔn)頻率（10kHz、12kHz、15kHz或20kHz）（見表1）。FS1 和FS2 具備內(nèi)部上拉電阻，因此默認(rèn)頻率為10KHz。這一信號的幅度圍繞2.5V變化，峰值幅度為3.6Vp-p。，模式配置如表1所示?；鶞?zhǔn)信號的頻率是CLKIN頻率的函數(shù)。通過降低CLKIN頻率可以降低激勵頻率的最小值。因此，當(dāng)CLKIN 頻率為6.144 MHz時，激勵頻率為7.5 kHz，同時將最大跟蹤速率降至750 rps ，如表1所示。

AD2S1205的基準(zhǔn)輸出需要一個外部緩沖放大器來提供增益和額外電流，以驅(qū)動旋變。設(shè)計(jì)的緩沖電路見圖4。

此外，AD2S1205還提供一個相位鎖定至其正弦和余弦輸入的內(nèi)部合成基準(zhǔn)信號。旋變初級繞組與次級繞組之間的相位誤差會降低RDC的精度，而該同步基準(zhǔn)信號可以補(bǔ)償這一相位誤差。此外，它還能補(bǔ)償溫度變化和傳輸線纜所引起的相移，從而不需要在外部預(yù)設(shè)相位補(bǔ)償電路。AD2S1205的輸入信號SIN（COS）與SINL（COSL）兩者典型的壓差是3.15VP-p，輸入差分信號不能低于零電位，使用一個上接和下拉電阻，來改善系統(tǒng)的噪聲性能。如圖5所示。endprint

2.3 外部接口

AD2S1205提供了兩個12位寄存器，用來保存角位置信息和角速度信息；寄存器的數(shù)據(jù)通過一個SPI接口（SO、CS/ 和SCLK）進(jìn)行存取，其最高時鐘速率達(dá)25MHz。本方案中將 引腳接地，維持在低電平狀態(tài)，可選中此串行接口。引腳通過處理器進(jìn)行控制，當(dāng)該引腳發(fā)生高電平至低電平的狀態(tài)轉(zhuǎn)換后，位置積分器和速度積分器的數(shù)據(jù)首先通過 引腳分別傳輸?shù)轿恢眉拇嫫骱退俣燃拇嫫鲀?nèi)。 引腳選擇將位置寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸至輸出寄存器；當(dāng) 引腳保持低電平時，芯片才能將所選寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸至輸出寄存器。當(dāng) 輸入出現(xiàn)下降沿時，角位置信息被傳送至輸出緩沖器。數(shù)據(jù)通過串行輸出引腳SO，在每個時鐘SCLK的上升沿被讀出，選中這個串行接口后，DB11可被用作串行輸出引腳（SO）；DB10可被用作串行時鐘輸入引腳（SCLK）；引腳DB0至DB9進(jìn)入高阻態(tài)。

輸出移位寄存器為16位寬。數(shù)據(jù)以16位字格式，通過串行時鐘輸入（SCLK）從器件輸出。圖6為這一操作的時序圖。

3 系統(tǒng)測試及應(yīng)用

系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F28335做為控制處理器，TMS320F28335型數(shù)字信號處理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個DMA通道支持ADC、有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM），其浮點(diǎn)運(yùn)算單元，性能較前代DSP相比提高50%，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過多的時間和精力，并與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發(fā)， 縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

根據(jù)前述AD2S1205外圍電路，激勵調(diào)理電路及旋變返回信號調(diào)理電路搭建硬件平臺，根據(jù)表1，通過軟件設(shè)置激勵頻率為10kHz，進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，實(shí)測激勵波形如圖7所示，該激勵信號的頻率為10kHz，峰值為11V，得出此時激勵的有效值為11/=7.8V，滿足旋變對激勵信號的要求。通過調(diào)整激勵輸出反饋電容的值，可以優(yōu)化激勵波形。

電機(jī)以980rpm的固定速度旋轉(zhuǎn)時， 其激勵波形如圖7所示，測得的AD1205輸出的相位相差90°的旋變的輸出波形如圖8所示。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用了TMS320F28335控制器為核心，以AD2S1205輸出信號為旋變激勵信號，將旋變輸出信號引入到AD2S1205內(nèi)部進(jìn)行解碼，使用磁隔離芯片ADuM14xx，通過SPI接口方式，讀出12位的數(shù)字信號量，得到當(dāng)前的電機(jī)角度和速度信號，并成功應(yīng)用于安凱公司的 HFF6140K07CHEV插電式混合動力客車中，該方案設(shè)計(jì)簡單實(shí)用，省去了大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)通訊接口。經(jīng)實(shí)際測試，與旋轉(zhuǎn)變壓器配合良好，取得了良好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

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[9]楊波，劉春.高精度旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角測量數(shù)字轉(zhuǎn)換電路[J].電測與儀表，2004，（03）：17-18.

作者簡介

吳成加（1971-），男， 安徽省安慶市人。大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)為安徽安凱汽車股份有限公司技術(shù)中心新能源汽車研究所研發(fā)主管、工程師。研究方向?yàn)樾履茉雌囯娍叵到y(tǒng)及核心零部件研究。

作者單位

安徽安凱汽車股份有限公司技術(shù)中心 國家電動客車整車系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心 安徽省合肥市 230051endprint

2.3 外部接口

AD2S1205提供了兩個12位寄存器，用來保存角位置信息和角速度信息；寄存器的數(shù)據(jù)通過一個SPI接口（SO、CS/ 和SCLK）進(jìn)行存取，其最高時鐘速率達(dá)25MHz。本方案中將 引腳接地，維持在低電平狀態(tài)，可選中此串行接口。引腳通過處理器進(jìn)行控制，當(dāng)該引腳發(fā)生高電平至低電平的狀態(tài)轉(zhuǎn)換后，位置積分器和速度積分器的數(shù)據(jù)首先通過 引腳分別傳輸?shù)轿恢眉拇嫫骱退俣燃拇嫫鲀?nèi)。 引腳選擇將位置寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸至輸出寄存器；當(dāng) 引腳保持低電平時，芯片才能將所選寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸至輸出寄存器。當(dāng) 輸入出現(xiàn)下降沿時，角位置信息被傳送至輸出緩沖器。數(shù)據(jù)通過串行輸出引腳SO，在每個時鐘SCLK的上升沿被讀出，選中這個串行接口后，DB11可被用作串行輸出引腳（SO）；DB10可被用作串行時鐘輸入引腳（SCLK）；引腳DB0至DB9進(jìn)入高阻態(tài)。

輸出移位寄存器為16位寬。數(shù)據(jù)以16位字格式，通過串行時鐘輸入（SCLK）從器件輸出。圖6為這一操作的時序圖。

3 系統(tǒng)測試及應(yīng)用

系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F28335做為控制處理器，TMS320F28335型數(shù)字信號處理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個DMA通道支持ADC、有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM），其浮點(diǎn)運(yùn)算單元，性能較前代DSP相比提高50%，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過多的時間和精力，并與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發(fā)， 縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

根據(jù)前述AD2S1205外圍電路，激勵調(diào)理電路及旋變返回信號調(diào)理電路搭建硬件平臺，根據(jù)表1，通過軟件設(shè)置激勵頻率為10kHz，進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，實(shí)測激勵波形如圖7所示，該激勵信號的頻率為10kHz，峰值為11V，得出此時激勵的有效值為11/=7.8V，滿足旋變對激勵信號的要求。通過調(diào)整激勵輸出反饋電容的值，可以優(yōu)化激勵波形。

電機(jī)以980rpm的固定速度旋轉(zhuǎn)時， 其激勵波形如圖7所示，測得的AD1205輸出的相位相差90°的旋變的輸出波形如圖8所示。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用了TMS320F28335控制器為核心，以AD2S1205輸出信號為旋變激勵信號，將旋變輸出信號引入到AD2S1205內(nèi)部進(jìn)行解碼，使用磁隔離芯片ADuM14xx，通過SPI接口方式，讀出12位的數(shù)字信號量，得到當(dāng)前的電機(jī)角度和速度信號，并成功應(yīng)用于安凱公司的 HFF6140K07CHEV插電式混合動力客車中，該方案設(shè)計(jì)簡單實(shí)用，省去了大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)通訊接口。經(jīng)實(shí)際測試，與旋轉(zhuǎn)變壓器配合良好，取得了良好的應(yīng)用效果。

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[9]楊波，劉春.高精度旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角測量數(shù)字轉(zhuǎn)換電路[J].電測與儀表，2004，（03）：17-18.

作者簡介

吳成加（1971-），男， 安徽省安慶市人。大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)為安徽安凱汽車股份有限公司技術(shù)中心新能源汽車研究所研發(fā)主管、工程師。研究方向?yàn)樾履茉雌囯娍叵到y(tǒng)及核心零部件研究。

作者單位

安徽安凱汽車股份有限公司技術(shù)中心 國家電動客車整車系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心 安徽省合肥市 230051endprint

2.3 外部接口

AD2S1205提供了兩個12位寄存器，用來保存角位置信息和角速度信息；寄存器的數(shù)據(jù)通過一個SPI接口（SO、CS/ 和SCLK）進(jìn)行存取，其最高時鐘速率達(dá)25MHz。本方案中將 引腳接地，維持在低電平狀態(tài)，可選中此串行接口。引腳通過處理器進(jìn)行控制，當(dāng)該引腳發(fā)生高電平至低電平的狀態(tài)轉(zhuǎn)換后，位置積分器和速度積分器的數(shù)據(jù)首先通過 引腳分別傳輸?shù)轿恢眉拇嫫骱退俣燃拇嫫鲀?nèi)。 引腳選擇將位置寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸至輸出寄存器；當(dāng) 引腳保持低電平時，芯片才能將所選寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸至輸出寄存器。當(dāng) 輸入出現(xiàn)下降沿時，角位置信息被傳送至輸出緩沖器。數(shù)據(jù)通過串行輸出引腳SO，在每個時鐘SCLK的上升沿被讀出，選中這個串行接口后，DB11可被用作串行輸出引腳（SO）；DB10可被用作串行時鐘輸入引腳（SCLK）；引腳DB0至DB9進(jìn)入高阻態(tài)。

輸出移位寄存器為16位寬。數(shù)據(jù)以16位字格式，通過串行時鐘輸入（SCLK）從器件輸出。圖6為這一操作的時序圖。

3 系統(tǒng)測試及應(yīng)用

系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F28335做為控制處理器，TMS320F28335型數(shù)字信號處理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個DMA通道支持ADC、有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM），其浮點(diǎn)運(yùn)算單元，性能較前代DSP相比提高50%，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過多的時間和精力，并與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發(fā)， 縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

根據(jù)前述AD2S1205外圍電路，激勵調(diào)理電路及旋變返回信號調(diào)理電路搭建硬件平臺，根據(jù)表1，通過軟件設(shè)置激勵頻率為10kHz，進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，實(shí)測激勵波形如圖7所示，該激勵信號的頻率為10kHz，峰值為11V，得出此時激勵的有效值為11/=7.8V，滿足旋變對激勵信號的要求。通過調(diào)整激勵輸出反饋電容的值，可以優(yōu)化激勵波形。

電機(jī)以980rpm的固定速度旋轉(zhuǎn)時， 其激勵波形如圖7所示，測得的AD1205輸出的相位相差90°的旋變的輸出波形如圖8所示。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用了TMS320F28335控制器為核心，以AD2S1205輸出信號為旋變激勵信號，將旋變輸出信號引入到AD2S1205內(nèi)部進(jìn)行解碼，使用磁隔離芯片ADuM14xx，通過SPI接口方式，讀出12位的數(shù)字信號量，得到當(dāng)前的電機(jī)角度和速度信號，并成功應(yīng)用于安凱公司的 HFF6140K07CHEV插電式混合動力客車中，該方案設(shè)計(jì)簡單實(shí)用，省去了大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)通訊接口。經(jīng)實(shí)際測試，與旋轉(zhuǎn)變壓器配合良好，取得了良好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

吳成加（1971-），男， 安徽省安慶市人。大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)為安徽安凱汽車股份有限公司技術(shù)中心新能源汽車研究所研發(fā)主管、工程師。研究方向?yàn)樾履茉雌囯娍叵到y(tǒng)及核心零部件研究。

作者單位

安徽安凱汽車股份有限公司技術(shù)中心 國家電動客車整車系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心 安徽省合肥市 230051endprint