現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)旋變傳感器原理及檢測(cè)

華奇

現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)旋變傳感器原理及檢測(cè)

華奇

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

現(xiàn)代純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)普遍采用永磁同步電機(jī)，基于定向矢量控制技術(shù)，電機(jī)位置、轉(zhuǎn)速傳感器普遍采用磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器，旋變傳感器信號(hào)需要通過(guò)R/D轉(zhuǎn)換器處理，才能給DSP或MCU進(jìn)行讀取，旋變的信號(hào)對(duì)電機(jī)的控制精度非常重要。因此文章通過(guò)分析現(xiàn)代純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方案，針對(duì)AD公司的解碼芯片AD2S1205進(jìn)行研究，該芯片采用Type II跟蹤環(huán)路，環(huán)路連續(xù)跟蹤旋變的位置和速度，而不需要外部轉(zhuǎn)換和等待狀態(tài)，具有系統(tǒng)故障檢測(cè)，可以檢測(cè)旋變信號(hào)的丟失，輸入信號(hào)超范圍或位置信號(hào)跟蹤丟失。對(duì)采用該控制方案的現(xiàn)代純電動(dòng)汽車(chē)報(bào)旋變傳感器故障，以吉利帝豪EV450純電動(dòng)汽車(chē)為例，對(duì)旋變系統(tǒng)的故障現(xiàn)象、故障產(chǎn)生機(jī)理、故障檢測(cè)提供了完整的檢修方案。

旋變傳感器；R/D轉(zhuǎn)換器；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；檢修

引言

國(guó)內(nèi)主流的純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制系統(tǒng)都是采用基于DSP芯片的控制系統(tǒng)，DSP芯片大都采用TI公司的TMS320系列，比亞迪E5純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制系統(tǒng)采用了基于TMS320 F28335芯片，基本控制原理見(jiàn)圖1。DSP的高速計(jì)算能力，可以完成復(fù)雜的信號(hào)處理和控制算法，提高采樣頻率，控制電力電子外圍設(shè)備[1]，在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能控制。電機(jī)控制專(zhuān)用DSP豐富的外圍功能模塊，為電機(jī)控制帶來(lái)了許多的便利。如PWM模塊，可產(chǎn)生高分辨率的PWM波形，并多達(dá)6路輸出。針對(duì)永磁同步電機(jī)的矢量控制技術(shù)，電機(jī)位置傳感器提供的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息至關(guān)重要，直接影響了電機(jī)是否正常工作。旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)位置信息傳感器，可以適應(yīng)車(chē)輛在惡劣環(huán)境下工作的穩(wěn)定性和可靠性。

1 磁阻式旋變傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

旋變傳感器本質(zhì)上是一個(gè)變壓器，由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。在定子上裝有勵(lì)磁繞組和正弦、余弦繞組，在空間布局上，正弦和余弦繞組互差90度，轉(zhuǎn)子和電機(jī)軸安裝在一起，和電機(jī)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子磁極形狀做特殊設(shè)計(jì)，使得氣隙磁場(chǎng)近似與正弦形。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氣隙中的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，這個(gè)變化是周期性的，與轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)是一致的。勵(lì)磁線(xiàn)圈中輸入恒定頻率的正弦交流電，根據(jù)互感定律，在正弦和余弦線(xiàn)圈中會(huì)輸出同頻的正弦波，如圖2所示。

圖1 DSP實(shí)現(xiàn)的PMSM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

勵(lì)磁輸入電壓公式：

=sin() （1）

正弦輸出電壓公式：

=sin()sin（2）

余弦輸出電壓公式：

=sin()cos（3）

其中，為旋變轉(zhuǎn)子角度；為勵(lì)磁載波頻率；為勵(lì)磁輸入峰值電壓；為旋變的變壓比。

一般車(chē)用勵(lì)磁線(xiàn)圈的信號(hào)頻率在10 kHz左右，正弦和余弦和勵(lì)磁信號(hào)同頻，和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致正弦和余弦信號(hào)的幅值大小發(fā)生變化，正比于幅值大小變化的快慢。由于余弦線(xiàn)圈在空間上和正弦差了90度，兩個(gè)信號(hào)的幅值大小相反，正弦幅值為零時(shí)，余弦幅值最大；余弦幅值為零時(shí)，正弦幅值最大，見(jiàn)圖2線(xiàn)圈S和線(xiàn)圈C的波形。

圖2 旋變傳感器構(gòu)造與輸出波形

在吉利EV450上實(shí)車(chē)檢測(cè)的波形如圖3所示。采用雙通道示波器顯示，綠色A通道是正弦繞組輸出信號(hào)，黃色B通道是余弦繞組輸出信號(hào)，信號(hào)頻率10 kHz，最大值2.32 V，峰值相連的波形在相位上差了90度。

圖3 吉利EV450磁阻式旋變正弦、余弦輸出信號(hào)

2 旋變RDC轉(zhuǎn)換器工作機(jī)理

2.1 旋變硬件解碼轉(zhuǎn)換器

現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)常用旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片RDC與旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器直接相連，主要圍繞AD公司的解碼芯片AD2S1200系列展開(kāi)，以常用的AD2S1205為例，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8.192 MHz ±25%，該芯片采用Type II跟蹤環(huán)路，可用于跟蹤輸入信號(hào)，最大跟蹤速率為1 250 rps[2]。具有系統(tǒng)故障檢測(cè)，可以檢測(cè)旋變信號(hào)的丟失，輸入信號(hào)超范圍或位置信號(hào)跟蹤丟失。正弦和余弦輸人端支持3.15 Vp-p±27%的差分輸入電壓，可編程激勵(lì)頻率，利用頻率選擇引腳（FS1和FS2腳），可以輕松地將激勵(lì)頻率設(shè)置為10 kHz、12 kHz、15 kHz或20 kHz[3]，引腳功能管腳圖如圖4所示。

圖4 AD2S1205引腳圖

2.2 AD2S1205轉(zhuǎn)換器工作原理

AD2S1205采用Type II跟蹤閉環(huán)原理工作。環(huán)路連續(xù)跟蹤旋變的位置和速度，而不需要外部轉(zhuǎn)換和等待狀態(tài)。當(dāng)旋變的位置旋轉(zhuǎn)了相當(dāng)于最低有效位的角度時(shí)，跟蹤閉環(huán)輸出更新1 LSB。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸出角（）反饋并與輸入角（）進(jìn)行比較，借此來(lái)跟蹤軸角（），兩個(gè)角度之間的差異即誤差，如果轉(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角則該值趨于0[4]。為了測(cè)量誤差，將S3?S1乘以cos，并將S2?S4與sin相乘。

in()×sincos(對(duì)于S3?S1) （4）

in()×cossin(對(duì)于S2?S4) （5）

二者的差值為：

in()×(sincos?cossin) （6）

利用內(nèi)部產(chǎn)生的合成基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)解調(diào)該信號(hào)，得到下式：

(sincos?cossin) （7）

公式（4）等效于sin（?）；當(dāng)?的值（角誤差）較小時(shí)，sin（?）約等于（?），其中?為角度誤差，（?）是轉(zhuǎn)子的角誤差與轉(zhuǎn)換器的數(shù)字角輸出之間的差值[5]。

一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)由一個(gè)相位敏感的解調(diào)器、一些積分器和一個(gè)補(bǔ)償濾波器形成，它可以將誤差信號(hào)歸零。當(dāng)該目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)時(shí)，在轉(zhuǎn)換器的額定精度范圍內(nèi)，等于旋轉(zhuǎn)角。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。

AD2S1205將位置寄存器中的角度與來(lái)自旋變器的正余弦輸入信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)監(jiān)控信號(hào)。該監(jiān)控信號(hào)的產(chǎn)生方式與“工作原理”部分所述的誤差信號(hào)相似。輸入的sin信號(hào)和cos信號(hào)分別與正弦輸出角和余弦輸出角相乘，再將乘積相加：

監(jiān)控信號(hào)=(1×sin×sin)+ (2×cos×cos) （8）

其中：

1為正弦輸入信號(hào)的幅度（1×sin）。

2為余弦輸入信號(hào)的幅度（2×cos）。

表示旋變角度。表示存儲(chǔ)在位置寄存器中的角度。公式（8）顯示的是解調(diào)之后的情形，且載波信號(hào)sin（）已被移除。此外，對(duì)于匹配的輸入信號(hào)（即沒(méi)有發(fā)生故障時(shí)），1=2。當(dāng)1=2且轉(zhuǎn)換器正確跟蹤（因此，=）時(shí)，輸出的監(jiān)視信號(hào)的幅度為1（監(jiān)控信號(hào)=（1×（sin2+cos2）=1）。當(dāng)1≠2時(shí)，監(jiān)控信號(hào)的幅度以?xún)杀兜妮S旋轉(zhuǎn)速率在1與2之間變化。監(jiān)視信號(hào)用于檢測(cè)輸入信號(hào)是否降級(jí)或丟失。故障檢測(cè)電路引腳說(shuō)明見(jiàn)表1：

表1 故障檢測(cè)電路引腳說(shuō)明表

引腳編號(hào)引腳名稱(chēng)說(shuō)明 29DOS信號(hào)降級(jí)。邏輯輸出。當(dāng)旋變輸入超過(guò)規(guī)定的 DOS 正弦、余弦閾值時(shí)，或者當(dāng)正弦輸入電壓與余弦輸入電壓之間出現(xiàn)幅度失配時(shí)，就會(huì)檢測(cè)到信號(hào)降級(jí)。DOS 由 DOS 引腳為邏輯低電平來(lái)表示。 30LOT跟蹤丟失。邏輯輸出。LOT 由 LOT 引腳為邏輯低電平來(lái)表示

3 純電動(dòng)汽車(chē)旋變傳感器的檢修方法

現(xiàn)代純電動(dòng)汽車(chē)旋變傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部，旋變轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，旋變硬件解碼RDC轉(zhuǎn)換器集成在電機(jī)控制器內(nèi)部，并和電機(jī)控制專(zhuān)用DSP芯片數(shù)據(jù)通訊。以吉利EV450純電動(dòng)汽車(chē)為例：

3.1 故障現(xiàn)象

一輛2019款吉利帝豪EV450啟動(dòng)，上電指示READY燈不亮，車(chē)輛上不了高壓電，動(dòng)力系統(tǒng)故障警告燈點(diǎn)亮，車(chē)輛無(wú)法掛擋。連接道通908解碼儀，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，讀取故障碼如圖5所示。

圖5 吉利帝豪EV450旋變故障碼

3.2 故障檢測(cè)

旋變傳感器的故障檢測(cè)可以分為靜態(tài)檢測(cè)與動(dòng)態(tài)檢測(cè)。靜態(tài)檢測(cè)測(cè)量旋變內(nèi)部勵(lì)磁、正弦、余弦繞組的阻值是否符合廠(chǎng)家的標(biāo)準(zhǔn)值，三個(gè)繞組到電機(jī)控制器的線(xiàn)路連接是否正常。動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要測(cè)量車(chē)輛旋變?nèi)齻€(gè)繞組輸出的正弦波形是否正常，波形是否發(fā)生畸變，輻值變化是否在正常的范圍內(nèi)，頻率是否符合標(biāo)準(zhǔn)。以吉利帝豪EV450為例，旋變傳感器正常數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。

表2 吉利帝豪EV450旋變傳感器正常數(shù)據(jù)

車(chē)型2019款吉利帝豪EV450VIN碼略 靜態(tài)測(cè)量測(cè)量位置及參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值測(cè)量值結(jié)論 正弦繞組14.5±1.5 Ω14.2 Ω正常 余弦繞組13.5±1.5 Ω13.3 Ω正常 勵(lì)磁繞組9.5±1.5 Ω8.9 Ω正常 動(dòng)態(tài)測(cè)量測(cè)量位置及參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值測(cè)量值結(jié)論 EP11-15，22腳勵(lì)磁波形正弦波，頻率10 kHz，幅值10 V正弦波，無(wú)明顯畸變，頻率10 kHz，幅值10 V正常 EP11-17，24腳正弦波形正弦波，頻率10 kHz，幅值0～2.5 V變化正弦波，頻率10kHz，幅值?2.5 V～+2.5 V之間變化正常 EP11-16，23腳余弦波形正弦波，頻率10 kHz，幅值0～2.5 V變化正弦波，頻率10KHz，幅值?2.5 V～+2.5 V之間變化正常 測(cè)量位置波形測(cè)試結(jié)論 電機(jī)控制器端口EP11，使用三通道示波器，分別檢測(cè)勵(lì)磁、正弦、余弦波形下圖中三條線(xiàn)，上方：勵(lì)磁線(xiàn)圈；中間：正弦線(xiàn)圈；下方：余弦線(xiàn)圈正弦波形無(wú)畸變，頻率、輻值正常正常

旋變傳感器的6根信號(hào)線(xiàn)，任意一根出現(xiàn)斷路或?qū)Φ囟搪?，或者出現(xiàn)互短，都會(huì)產(chǎn)生如圖5所示的對(duì)應(yīng)故障碼。依據(jù)上表，完成靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量后，故障現(xiàn)象和故障碼沒(méi)有消除，可以確定電機(jī)控制器內(nèi)部電路出現(xiàn)故障，需更換電機(jī)控制器總成。

3.3 故障排除與總結(jié)

找到故障點(diǎn)恢復(fù)后，需進(jìn)行復(fù)檢。車(chē)輛恢復(fù)，打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，車(chē)輛正常上電，可掛擋行駛，故障排除。連接診斷儀，再次讀取故障碼，清除歷史故障碼。最后要根據(jù)前面所講的理論，總結(jié)故障原因，故障機(jī)理，診斷與排故流程，完成記錄。

[1] 杜書(shū)杰.基于Popov超穩(wěn)定性的礦用局部通風(fēng)機(jī)矢量控制系統(tǒng) 的研究[D].西安:西安科技大學(xué),2009.

[2] 曹艷玲.旋變位置解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子世界,2013(19):132- 133.

[3] 王辰欣,洪俊杰,林萬(wàn)芳.AD2S1205在永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電腦與電信,2012(09):26-28.

[4] 王玉玨,翁浩宇,張海勇,等.基于A(yíng)D2S1210的電機(jī)解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(02):48-51.

[5] 吳成加,趙圣寶.旋變解碼芯片AD2S1205應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014(20):258-261.

Principle and Detection of Resolver for Modern Electric Vehicle

HUA Qi

( Jiangsu Vocational College of Information Technology, Jiangsu Wuxi 214153 )

Modern all-electric drive motor widely used permanent magnet synchronous motor, based on the directional vector control technology, the motor position and speed sensor widely used magnetic resistance type rotating transformer, spin variable sensor signals need to deal with, through the R/D converter to DSP and MCU read, spin variable signal for motor control precision is very important. Therefore, by analyzing the control scheme of the drive motor of modern pure electric vehicle, this paper aims at the decoding chip AD2S1205 of AD company. The chip adopts Type II tracking loop, which continuously tracks the position and speed of rotation without external conversion and waiting state. It has system fault detection and can detect the loss of rotation signal. Input signal is out of range or position signal tracking is lost. Taking Geely Emgrand EV450 pure electric vehicle as an example, a complete overhaul scheme is provided for the fault phenomenon, fault generation mechanism and fault detection of the rotating system.

Resolver; R/D converter; Drive motor; Overhaul

U467; U463.6

A

1671-7988(2021)24-10-05

U467；U463.6

A

1671-7988(2021)24-10-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.003

華奇（1976—），男，高校講師，就職于江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)技術(shù)。