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1.引言 隨著(zhù)永磁同步電機在工業(yè)、農業(yè)、航天等各領(lǐng)域的廣泛應用，永磁同步電機在電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統領(lǐng)域也得到同步發(fā)展。眾所周知，永磁同步電機的穩定可靠運行，需要安裝位置傳感器來(lái)檢測位置信號。因旋轉變壓器(簡(jiǎn)稱(chēng)旋變)通過(guò)與相應的解碼芯片配合即可對電機轉子位置進(jìn)行檢測，所以旋變作為較為可靠的絕對位置傳感器被廣泛采用。目前很多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始研究旋變位置解碼系統[1-4]，隨著(zhù)旋變及其解碼芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，旋變的可靠性更高，解碼電路也更加緊湊。本文采用當前最新一代可變磁阻旋變和與之配合的解碼芯片AD2S1205，設計了相應的旋變位置解碼系統，并通過(guò)測試系統驗證了系統的可靠性。 2.旋變工作原理 旋變的通常配置是初級繞組位于轉子上，兩個(gè)二次繞組位于定子上。本系統采用的可變磁阻旋變的轉子上則不存在繞組，如圖1所示，初級繞組和二次繞組均位于定子上，轉子的這種特殊設計可使得次級耦合隨著(zhù)角位置變化而發(fā)生正弦變化。 無(wú)論何種配置，旋變正弦繞組的輸出電壓是S1-S3，余弦繞組的輸出電壓是S2-S4，如(1)式和(2)式所示。其中：θ為軸角，ω為轉子激勵角頻率，E0為轉子激勵幅度。 可變磁阻旋變初級繞組采用交流基準源激勵，兩個(gè)次級繞組機械上交叉90°。定子二次繞組上耦合出的電壓幅度是轉子相對于定子角位置θ的函數，旋變輸出信號如圖2所示。 轉換器跟蹤軸角θ的原理為，轉換器產(chǎn)生輸出角φ，然后反饋φ以與輸入角θ相比較。當轉換器正確跟蹤輸入角度時(shí)，二者之間的誤差將被驅動(dòng)至0。為了測量誤差，將(1)式乘以cosφ，(2)式乘以sinφ，其差值為： 當角度誤差(θ-φ)的值很小時(shí)，(4)式即近似等于0E(θ-φ)。AD2S1205具備一個(gè)由相位敏感解調器、積分器和補償濾波器形成的閉環(huán)系統，可力求使誤差信號歸零。當該目標實(shí)現時(shí)，在轉換器的額定精度范圍內，輸出角φ即等于旋變角度θ。 3.硬件電路設計 硬件電路的設計是圍繞AD公司的解碼芯片AD2S1205展開(kāi)的。首先，該芯片是一款完整的12位分辨率跟蹤分解器數字轉換器，內置可編程正弦波振蕩器，為旋變提供正弦波激勵，工作頻率范圍為8.192MHz±25%。該芯片采用Type II跟蹤環(huán)路，可用于跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉換為角度和速率所對應的數字量，其最大跟蹤速率是外部時(shí)鐘頻率的函數。Type II跟蹤環(huán)路能夠連續輸出位置數據，且沒(méi)有轉換延遲，它還能提供噪聲抑制，以及參考和輸入信號的諧波失真容限。 圖3為旋變解碼電路原理圖。首先由AD2S1205解碼芯片產(chǎn)生差分正弦勵磁信號，經(jīng)過(guò)運放放大、跟隨后，通過(guò)推挽的方式輸出到電機旋變。電機旋變返回的差分信號S1-S3、S2-S4，經(jīng)IC26運算后送AD2S1205進(jìn)行處理。SINLO和COSLO同時(shí)接入到REFOUT的目的是增強信號的穩定性，信號放大倍數為1.5。 針對故障檢測，芯片內部有相關(guān)的故障檢測功能，其相關(guān)故障的優(yōu)先等級和故障碼如表1所示。 電平轉換芯片采用74ALVCH164245，此芯片把旋變信號轉為3.3V后送單片機，其電路如圖4所示。 4.軟件設計 4.1 復位時(shí)序 圖5為AD2S1205復位驅動(dòng)時(shí)序。 當AD2S1205的電源電壓小于4.5V時(shí)，AD2S1205處于低電壓復位狀態(tài)，LOT/DOS同時(shí)為低電平指示，系統復位無(wú)信號。當電源電壓超過(guò)4.5V以后，RESET管腳需保持有效電平至少10μs以上，使得AD2S1205芯片復位。在復位無(wú)效后，AD2S1205需要至少20ms時(shí)間，使得內部電路能夠穩定工作，并且追蹤電路能夠穩定追蹤輸入角度。經(jīng)過(guò)20ms的穩定工作時(shí)間后，SAMPLE有效并且保持一段時(shí)間，復位軟件流程如圖6所示。 4.2 并口數據讀取時(shí)序 圖7為通過(guò)并行接口讀取AD2S1205數據的驅動(dòng)時(shí)序。并口數據讀取時(shí)序從SAMPLE有效開(kāi)始，SAMPLE必須保持264ns有效時(shí)間，鎖存內部角度/速度數據至角度/速度寄存器中，然后在SAMPLE有效后750ns，MCU才能控制CS管腳有效，使鎖存允許，并采用RD的下降沿鎖存角度/速度寄存器中的一項數值內容至數據管腳(并口模式)。RDVEL決定鎖存角度寄存器還是速度寄存器，所以在RD下降沿的前5ns和后7ns，RDVEL必須保持穩定不變。在RD下降沿，延時(shí)12ns后，即可從并口讀取角度數據或者速度數據。 5.實(shí)驗結果 實(shí)驗測試系統由測試驅動(dòng)板，旋變和拖動(dòng)電機組成，如圖8所示。拖動(dòng)電機旋轉帶動(dòng)旋變運行于不同的轉動(dòng)角度和轉動(dòng)速度上，由解碼電路輸出勵磁信號，驅動(dòng)旋變，同時(shí)接收反饋的正、余弦信號，解析旋變的轉動(dòng)角度和轉動(dòng)速度。通過(guò)使用仿真器，在初始化函數的前后設置斷點(diǎn)控制函數調試過(guò)程，并觀(guān)察函數運行結果是否正確。通過(guò)示波器，觀(guān)察函數運行后相關(guān)管腳上的驅動(dòng)時(shí)序是否正確，并觀(guān)測RESET/SAMPLE/LOT/DOS管腳。在初始化執行過(guò)程中，需參照復位時(shí)序觀(guān)察MCU控制的RESET和SAMPLE管腳是否在對應時(shí)間送出對應電平或者脈沖，需觀(guān)察如果系統硬件連接正常，DOS/LOT管腳是否在初始化后輸出高電平指示，或者如果系統硬件連接不正常(比如旋變接線(xiàn)斷路)，DOS/LOT管腳是否在初始化后輸出對應故障信號。 圖9為AD2S1205的初始化函數調用時(shí)的總圖。 框a為開(kāi)始調用初始化函數的時(shí)間點(diǎn)位置，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，RESET管腳送出15μs的復位有效低電平脈沖，同時(shí)置高SAMPLE/CS_RD兩路管腳為無(wú)效高電平�？騜為結束初始化函數的時(shí)間點(diǎn)位置，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，SAMPLE送出400ns采樣有效低電平脈沖，然后讀取DOS/LOT狀態(tài)供應用層使用。初始化函數整體時(shí)間為30ms，即RESET復位結束到SAMPLE有效讀取DOS/LOT狀態(tài)的延時(shí)時(shí)間為30ms。讀取位置測試程序每100μs調用一次角度函數和速度函數，測試結果如圖10所示。 圖10中SAMPLE有效時(shí)間為427ns；SAMPLE無(wú)效時(shí)間至讀取角度/速度延時(shí)為750ns；RDVEL管腳選擇讀取角度/速度的延時(shí)為90ns；CS_RD有效時(shí)間為480ns，基本反映出從CS_RD下降沿至讀取角度/速度的延時(shí)時(shí)間，CS_RD無(wú)效至下一次讀取時(shí)間為200ns。 因此，測試所得AD2S1205的讀取角度函數，與其驅動(dòng)時(shí)序符合。測試所得AD2S1205的讀取速度函數，與其驅動(dòng)時(shí)序符合。通過(guò)仿真器驗證，測試程序讀取得到的角度值和速度值，也均符合預期。 6.結論 本文基于旋變及其解碼芯片的原理和特點(diǎn)，提出了一種旋變位置解碼系統的設計方案。試驗結果表明，本方案的硬件和軟件設計均滿(mǎn)足電機位置解碼要求，并且時(shí)序正確。 |
