摘 要 介绍了一种适用于新能源汽车交流异步电机转子位置解码系统的设计方案，应用旋转变压器/数字转换器AD2S1205，将旋转变压器输出的模拟信号转化为数字信号，以便于DSP进行处理。介绍了旋转变压器的基本原理，设计了AD2S1205与旋转变压器及TMS320F28335数字信号处理器的接口电路，并在安凯HFF6140K07CHEV插电式混合动力客车上投入使用，取得了非常好的实际应用效果。实验证明，该设计方法精度高，可靠性好，抗干扰能力强，完全能够满足高速电机控制系统及车辆环境的应用要求。
【关键词】旋转变压器 AD2S1205 信号转换 数字解码器
旋转变压器是一种能输出与转子转角或位置成某种函数关系电信号的交流微特电机，主要应用于角度位置伺服控制系统或运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用，其可以用来精确测量转子位置信号，从而提高运动伺服控制系统的控制性能，在电机控制领域得到了广泛应用。旋转变压器与数字解码芯片相结合实现角度位置和速度信号解码。目前常用到的旋变数字解码芯片主要是美国ADI公司的AD2S90、AD2S12xx或日本多摩川公司的AU6802N1系列等。其中AD2S1205是ADI公司推出的旋转变压器信号输出/检测芯片，该芯片分辨率12位、最大精度可达±11弧分，带有参考振荡器的数字可变R/D变换器并经过汽车应用认证。本文介绍了一种多极旋转变压器与AD2S1205相配合的接口电路设计。针对旋转变压器解码芯片的解码原理及解码电路滤波电容对位置角测量误差的影响进行深入的分析，同时根据分析的结果调整解码电路最优的滤电容，并经过仿真和试验验证了本文分析的准确性，应用到实际工程应用中。
1 旋变解码芯片
基本的旋转变压器分经典旋变和可变磁阻式旋变等，它们在结构和绕组的要配方式上各不相同，但无论何种形式的旋变，其旋变输出电压（S3-S1，S2-S4）的计算公式均相同，即
式中，θ为转子转角，sinωt为转子激励频率，E0激励幅度。旋转变压器的两个转子绕组机械错位90°，如图1所示。其中Vp为励磁电压峰值，Vr为励磁电压，Vs为变比后的电压，Va、Vb分别为S2-S4，S3-S1感应电压，初级绕组采用交流基准源激励，随后在定子次级绕组上耦合的幅度是转子轴相对于定子的函数。因此，旋变产生由轴角的正弦和余弦调制的两个输出电压S3-S1，S2-S4，旋变输出信号格式如图2所示。
本设计的旋转变压器采用日本多摩川或上海赢双电机公司的三对极旋转变压器，旋变的转子转动一周，其电角度变化为1080度，其变压比为0.286±10%，激励频率范围为10KHz～20KHz，激励电压峰-峰值为20V，输入阻抗180Ω，激励电流典型值为50mA。
2 AD2S1205的工作原理
AD2S1205是一款12位分辨率旋变数字转换器，集成片上可编程正弦波振荡器，可以将激励频率设置为10 kHz、12 kHz、15 kHz或20 kHz。为旋变器提供正弦波激励。转换器的正弦和余弦输入端允许3.15 V p-p ± 27%输入信号。采用Type II跟踪环路跟踪输入信号，并将正弦和余弦输入端的信息转换为输入角度和速度所对应的数字量。最大跟踪速率取
决于外部时钟频率。AD2S1205的工作频率为8.192 MHz ± 25%，最大跟踪速率为1250 rps。支持增量式编码仿真输出，输出脉冲数1204脉冲/转。增量式编码器仿真采用标准A-quad-B格式，并提供方向输出。
2.1 工作理论
AD2S1210按照跟踪闭环原理，能跟踪恒定速度输入，输出连续跟踪变变位置不存在固有误差。无需外部转换和等待状态，且没有转换延迟。它还可以抑制噪声，并提供参考和输入信号的谐波失真容限。从而提高精度，当旋变的位置经过最低有效位的角度时，AD2S1205输出1 LSB的分辩率。
转换器跟踪轴角的原理为：由EXC、 激励源向旋转变压器提供励磁信号，承载着位置信息的两路旋转变压器模拟信号送入到解码电路的SIN、SINL、COS、COSL输入端。分别经过AD采样后送入乘法器，分别经过乘法运算，转换器将产生反馈角φ与输入角θ、反馈角θ与输入角φ相比较，当转换器正确跟踪输入角度时，二者之间的误差将为0，为了测量误一个闭环系统由一个相位敏感的解调器、一些积分器和一个补偿滤波器形成，它可以将误差信号归零。当该目标得以实现时，在转换器的额定精度范围内，φ等于旋转角θ。之所以使用Type II跟踪环路，是因为它能跟踪恒定速度输入，而不存在固有误差。
2.2 AD2S1205接口电路设计
AD2S1205外围电路如图3所示。采用模拟、数字电路隔离，旋变解码电路控制与数据读取通过磁隔离电路ADuM1400和ADuM1401与数字信号处理器TMS320F28335进行通讯，实现信号隔离。输入电路激励频率为10KHz。
AD2S1205片上振荡器向旋变器提供正弦波激励信（ EXC）及其互补信号（ ）。该基准信号的频率可通过FS1和FS2引脚设置为四个标准频率（10kHz、12kHz、15kHz或20kHz）（见表1）。FS1 和FS2 具备内部上拉电阻，因此默认频率为10KHz。这一信号的幅度围绕2.5V变化，峰值幅度为3.6Vp-p。，模式配置如表1所示。基准信号的频率是CLKIN频率的函数。通过降低CLKIN频率可以降低激励频率的最小值。因此，当CLKIN 频率为6.144 MHz时，激励频率为7.5 kHz，同时将最大跟踪速率降至750 rps ，如表1所示。
AD2S1205的基准输出需要一个外部缓冲放大器来提供增益和额外电流，以驱动旋变。设计的缓冲电路见图4。
此外，AD2S1205还提供一个相位锁定至其正弦和余弦输入的内部合成基准信号。旋变初级绕组与次级绕组之间的相位误差会降低RDC的精度，而该同步基准信号可以补偿这一相位误差。此外，它还能补偿温度变化和传输线缆所引起的相移，从而不需要在外部预设相位补偿电路。AD2S1205的输入信号SIN（COS）与SINL（COSL）两者典型的压差是3.15VP-p，输入差分信号不能低于零电位，使用一个上接和下拉电阻，来改善系统的噪声性能。如图5所示。
2.3 外部接口
AD2S1205提供了两个12位寄存器，用来保存角位置信息和角速度信息；寄存器的数据通过一个SPI接口（SO、CS/ 和SCLK）进行存取，其最高时钟速率达25MHz。本方案中将 引脚接地，维持在低电平状态，可选中此串行接口。引脚通过处理器进行控制，当该引脚发生高电平至低电平的状态转换后，位置积分器和速度积分器的数据首先通过 引脚分别传输到位置寄存器和速度寄存器内。 引脚选择将位置寄存器内的数据传输至输出寄存器；当 引脚保持低电平时，芯片才能将所选寄存器内的数据传输至输出寄存器。当 输入出现下降沿时，角位置信息被传送至输出缓冲器。数据通过串行输出引脚SO，在每个时钟SCLK的上升沿被读出，选中这个串行接口后，DB11可被用作串行输出引脚（SO）；DB10可被用作串行时钟输入引脚（SCLK）；引脚DB0至DB9进入高阻态。
输出移位寄存器为16位宽。数据以16位字格式，通过串行时钟输入（SCLK）从器件输出。图6为这一操作的时序图。
3 系统测试及应用
系统采用TI公司的TMS320F28335做为控制处理器，TMS320F28335型数字信号处理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出（HRPWM），其浮点运算单元，性能较前代DSP相比提高50%，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发， 缩短开发周期，降低开发成本。
根据前述AD2S1205外围电路，激励调理电路及旋变返回信号调理电路搭建硬件平台，根据表1，通过软件设置激励频率为10kHz，进行系统试验，实测激励波形如图7所示，该激励信号的频率为10kHz，峰值为11V，得出此时激励的有效值为11/=7.8V，满足旋变对激励信号的要求。通过调整激励输出反馈电容的值，可以优化激励波形。
电机以980rpm的固定速度旋转时， 其激励波形如图7所示，测得的AD1205输出的相位相差90°的旋变的输出波形如图8所示。
4 总结
本系统采用了TMS320F28335控制器为核心，以AD2S1205输出信号为旋变激励信号，将旋变输出信号引入到AD2S1205内部进行解码，使用磁隔离芯片ADuM14xx，通过SPI接口方式，读出12位的数字信号量，得到当前的电机角度和速度信号，并成功应用于安凯公司的 HFF6140K07CHEV插电式混合动力客车中，该方案设计简单实用，省去了大量复杂的数据通讯接口。经实际测试，与旋转变压器配合良好，取得了良好的应用效果。
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作者简介
吴成加（1971-），男， 安徽省安庆市人。大学本科学历。现为安徽安凯汽车股份有限公司技术中心新能源汽车研究所研发主管、工程师。研究方向为新能源汽车电控系统及核心零部件研究。
作者单位
安徽安凯汽车股份有限公司技术中心 国家电动客车整车系统集成工程技术研究中心 安徽省合肥市 230051