1、旋变解码芯片 AD2S1205 应用系统设计 *吴成加 赵圣宝 ( 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 合肥 230051 ) 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
2、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Design of Resolver Decoding Based AD2S1205 Application System Wu Chengjia Zhao Shengbao (Anhui Ankai Automobile Limited by Share Ltd Technology Center National Technology and Research Center for Electric Bus System Integration Eng
3、ineering Hefei 230051,China)Abstract: This paper introduces a new design for the new energy automotive AC asynchronous motorrotor position decoding system,Using the resolver to digital converter AD2S1205, The analog signals of resolver to digital signals, For processing DSP. Introduces the basic pri
4、nciple of rotating transformer,The interface circuit of AD2S1205 and rotary transformer and TMS320F28335 digital signal processor design, Put into use and plug-in hybrid electric bus in ANKAI HFF6140K07CHEV,Made a very good effect in practical application.Experiments show that, The design method of
5、high precision, Good reliability, Strong anti-interference ability,Fully able to meet the requirements of high-speed motor control system and vehicle environment.Keywords: Rotary Transformer; AD2S1205; Signal Transduction; Digital Decoder0 引言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
6、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 1 。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2-4。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5 。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
7、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 cosin04213tES式中, 为转子转角, 为转子激励频率, 激励0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,V r 为励磁电压,V s 为变比后的电压,V a、V b 分别
8、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。图 1 可变磁阻旋变*国家国际科技合作项目插电式混合动力大客车关键技术引进与创新(2012DFA80370)图 2 旋变信号示意图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 0.28610%,激励频率范围为 10KHz20KHz ,激励电压峰 -峰值为 20V,输入阻抗 180,激励
9、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/
10、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EXC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
11、换器将产生反馈角与输入角 反馈角 与与输入角 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,为了测量误差,将 S3-S1乘以 , 将 S2-S4 乘以 ,可得到 cossinsincot0isn42c13S二者的差值为:利用内部产生的合成基准信号来解设该信号,得到下式: sin0icossin0EE当角度误差 值很小时,有:则 值表示转子的角度误有效期与转换器的数字角度输出二者的差值。0E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, 等于旋转角 。之所以使用 Type II 跟踪环路,是因
12、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 6,实现信号隔离。输入电路激励频率为 10KHz。DGND23CPO24A25B26N/M27DIR28DOS29LOT30FS131FS232RESET3EXC34 EXC35AGND36 SIN37SINL38 AVD39COSL40 COS41AGND42 REFBYP43REFOUT4DVd1 RD2 CS3
13、SAMPLE4 RDVEL5 SOE6 DB1/SO7 DB10/SCLK8 DB99 DB810DB71DB6 12DB5 13DB4 14DB3 15DGND 16DVD 17DB2 18DB1 19DB0 20XYALOUT 21CLKIN 2U5AD2S12055VGND2 9EN2 10B4 1B3 12B2 13B1 14GND2 15VD2 16VD11 GND12 A13A24 A35A46 EN17GND18U3ADUM140SAMPLESCLKCS/RD 5VGNDDIRVCGPIO15GPIO16GPIO18VC5VU1-7U1-25U1-26U1-3GND5VGND5V
14、GPIO17SOABGND 5V5V5V5V5V5V5VGND5V5V5V5VGNDX18.192D15V5VGNDEXCEXCGNDSINSINLAVDGNDGNDL17FB21T5V COSLCOSGNDGNDGNDGND5VU1-4U1-8U1-2U1-28GND5VGND5VVCGPIO1GPIO12GPIO13GPIO14VCSAMPLESCLKCS/RDDIRSOABRESETRESETGND29 EN210A41 B312B213 B114GND215 VD216 VD1 1GND1 2A1 3A2 4A3 5B4 6EN1 7GND1 8U4ADUM1401R3410KR351
15、0KR3610KR3710KR3810KR3910KR4010KR4110KR425.1KR435.1KR45.1KR455.1KR461MR4710KR4810KR4910KR5010KR5110KR5210KR5310KR5410KR510KR5610KTP7TP8TP9TP10TP1TP12TP13TP14C2010nFC2110nFC210nFC2310nF C2410nFC2510nFC2610nFC2710nFC2810nF C2910nFC304.7uF C3110nFC3210uFC310nFC3410pFC3510pFTP15TP16D2图 3 AD2S1205 外部电路图A
16、D2S1205 片上振荡器向旋变器提供正弦波激励信( )及其互补信号( ) 7。该基准信号的频率可通过 FS1 和 FS2X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频率选择(kHz)
17、 FS1 FS210 1 112 1 015 0 120 0 0表 1 激励频率设置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。-2 +3 1 1U1AAD8692ARZ-6 +5 784U1BAD8692ARZ+15VGNDGNDEXC+15VGND GND+15V+15VGNDGNDEXC+15VGND+15VGND+15VQ1BC846BQ2BC856BQ3BC846BQ4BC856BGNDVREFVREFL12mHEXC_OUTEXC_OTU C4100pFD4BAV99D3BAV99-2 +3 1 1U2AAD8692A
18、RZ-6 +5 784U2BLM358R210KR15.1K R310KR410KR5 10RR610RR73.3KR83.3KR97.5RR107.5RR11 39RR12 39RR1310KR145.1K R1510KR165.1KR175.1KR18 10KR1910RR2010RR213.3KR223.3KR237.5RR247.5RTP5 TP6C11uFC21uFC31nFC51uFC61uFC71nF图 4 激励调理电路此外,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
19、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。SIN-SIN+GNDGNDSINLGNDSINAVD R251ML22mHR26100RR27100R R281MTP1 TP2C8100pF C91nFC101nFCOS-COS+GNDGNDCOSLGNDCOSAVDL32mHR291MR30100RR31100R R321MTP3 TP4C111
20、00pF C121nFC131nF图 5 差分输入信号调理电路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RDSCLK)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SOESAMPLE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,RDVLC芯片才能将所选寄存器内的数据传输至输出
21、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。 图 6 外部 SPI 接口读写时序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
22、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 8-9,根据表 1,通过软件设置激励频率为 10kHz
23、,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,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。V8.721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。图 7 10kHz 激励波形图 8 980rpm 对应的正余弦信号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SP
24、I 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。参考文献:1 旋转变压器原理及其应用J.电气时代,2005,(10):98-992 薛山,温旭辉,徐志捷 基于AD2S90的数字旋转变压器J。电工技术杂志,2003(9):102-1043 储海燕,许刚,基于AD2S1200的旋转变压器解码电路设计J 科学与技术工程,2012 12(20):5044-50474 李耀海,胡文艳等,基于AU6802N1
25、的旋转变压器信号接口电路设计和应用J 电子设计应用,2006(02):11-1145 12-Bit RDC With Reference Oscillator AD2S1205 Z.Analog Devices Company,2007-20106 TMS320F28335, TMS320F28334, TMS320F28332 Digital Signal Controllers Data ManualZ.TI Company,20077 Evaluation Board for the AD2S1200/AD2S1205 Resolver-to-Digital Converters Z.A
26、nalog Devices Company,2007-20108 旭辉,张立伟. 新型永磁同步电机控制用旋转变压器/数字转换器及其应应用J. 中小型电机,2005,(08):51-54.9 杨波,刘春. 高精度旋转变压器转角测量数字转换电路J.电测与仪表,2004,(03):17-18作者简介:吴成加 男 (1971-),安徽安凯汽车股份公司工程师,研究方向,新能源汽车电驱动及控制系统核心零部件关键技术研究赵圣宝 男 (1984-), 安徽安凯汽车股份公司工程师,研究方向,新能源汽车电驱动技术研究联系方式: 18019907636 18255162663联系地址:合肥市包河区葛淝路1号 安徽安凯汽车股份有限公司 新能源汽车研究所