1.引言
隨著永磁同步電機在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天等各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,永磁同步電機在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)領(lǐng)域也得到同步發(fā)展。眾所周知,永磁同步電機的穩(wěn)定可靠運行,需要安裝位置傳感器來檢測位置信號。因旋轉(zhuǎn)變壓器(簡稱旋變)通過與相應(yīng)的解碼芯片配合即可對電機轉(zhuǎn)子位置進行檢測,所以旋變作為較為可靠的絕對位置傳感器被廣泛采用。目前很多專家學(xué)者開始研究旋變位置解碼系統(tǒng),隨著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(shè)計了相應(yīng)的旋變位置解碼系統(tǒng),并通過測試系統(tǒng)驗證了系統(tǒng)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(zhuǎn)子上,兩個二次繞組位于定子上。本系統(tǒng)采用的可變磁阻旋變的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的這種特殊設(shè)計可使得次級耦合隨著角位置變化而發(fā)生正弦變化。
無論何種配置,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(zhuǎn)子激勵角頻率,E0為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子相對于定子角位置θ的函數(shù),旋變輸出信號如圖2所示。
轉(zhuǎn)換器跟蹤軸角θ的原理為,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角度時,二者之間的誤差將被驅(qū)動至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,(4)式即近似等于0E(θ-φ)。AD2S1205具備一個由相位敏感解調(diào)器、積分器和補償濾波器形成的閉環(huán)系統(tǒng),可力求使誤差信號歸零。當該目標實現(xiàn)時,在轉(zhuǎn)換器的額定精度范圍內(nèi),輸出角φ即等于旋變角度θ。
3.硬件電路設(shè)計
硬件電路的設(shè)計是圍繞AD公司的解碼芯片AD2S1205展開的。首先,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,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(zhuǎn)換為角度和速率所對應(yīng)的數(shù)字量,其最大跟蹤速率是外部時鐘頻率的函數(shù)。Type II跟蹤環(huán)路能夠連續(xù)輸出位置數(shù)據(jù),且沒有轉(zhuǎn)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)過運放放大、跟隨后,通過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進行處理。SINLO和COSLO同時接入到REFOUT的目的是增強信號的穩(wěn)定性,信號放大倍數(shù)為1.5。
針對故障檢測,芯片內(nèi)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(zhuǎn)換芯片采用74ALVCH164245,此芯片把旋變信號轉(zhuǎn)為3.3V后送單片機,其電路如圖4所示。
4.軟件設(shè)計
4.1 復(fù)位時序
圖5為AD2S1205復(fù)位驅(qū)動時序。
當AD2S1205的電源電壓小于4.5V時,AD2S1205處于低電壓復(fù)位狀態(tài),LOT/DOS同時為低電平指示,系統(tǒng)復(fù)位無信號。當電源電壓超過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(fù)位。在復(fù)位無效后,AD2S1205需要至少20ms時間,使得內(nèi)部電路能夠穩(wěn)定工作,并且追蹤電路能夠穩(wěn)定追蹤輸入角度。經(jīng)過20ms的穩(wěn)定工作時間后,SAMPLE有效并且保持一段時間,復(fù)位軟件流程如圖6所示。
4.2 并口數(shù)據(jù)讀取時序
圖7為通過并行接口讀取AD2S1205數(shù)據(jù)的驅(qū)動時序。并口數(shù)據(jù)讀取時序從SAMPLE有效開始,SAMPLE必須保持264ns有效時間,鎖存內(nèi)部角度/速度數(shù)據(jù)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(shù)值內(nèi)容至數(shù)據(jù)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(wěn)定不變。在RD下降沿,延時12ns后,即可從并口讀取角度數(shù)據(jù)或者速度數(shù)據(jù)。
5.實驗結(jié)果
實驗測試系統(tǒng)由測試驅(qū)動板,旋變和拖動電機組成,如圖8所示。拖動電機旋轉(zhuǎn)帶動旋變運行于不同的轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動速度上,由解碼電路輸出勵磁信號,驅(qū)動旋變,同時接收反饋的正、余弦信號,解析旋變的轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動速度。通過使用仿真器,在初始化函數(shù)的前后設(shè)置斷點控制函數(shù)調(diào)試過程,并觀察函數(shù)運行結(jié)果是否正確。通過示波器,觀察函數(shù)運行后相關(guān)管腳上的驅(qū)動時序是否正確,并觀測RESET/SAMPLE/LOT/DOS管腳。在初始化執(zhí)行過程中,需參照復(fù)位時序觀察MCU控制的RESET和SAMPLE管腳是否在對應(yīng)時間送出對應(yīng)電平或者脈沖,需觀察如果系統(tǒng)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(tǒng)硬件連接不正常(比如旋變接線斷路),DOS/LOT管腳是否在初始化后輸出對應(yīng)故障信號。
圖9為AD2S1205的初始化函數(shù)調(diào)用時的總圖。
框a為開始調(diào)用初始化函數(shù)的時間點位置,在這個時間點,RESET管腳送出15μs的復(fù)位有效低電平脈沖,同時置高SAMPLE/CS_RD兩路管腳為無效高電平??騜為結(jié)束初始化函數(shù)的時間點位置,在這個時間點,SAMPLE送出400ns采樣有效低電平脈沖,然后讀取DOS/LOT狀態(tài)供應(yīng)用層使用。初始化函數(shù)整體時間為30ms,即RESET復(fù)位結(jié)束到SAMPLE有效讀取DOS/LOT狀態(tài)的延時時間為30ms。讀取位置測試程序每100μs調(diào)用一次角度函數(shù)和速度函數(shù),測試結(jié)果如圖10所示。
圖10中SAMPLE有效時間為427ns;SAMPLE無效時間至讀取角度/速度延時為750ns;RDVEL管腳選擇讀取角度/速度的延時為90ns;CS_RD有效時間為480ns,基本反映出從CS_RD下降沿至讀取角度/速度的延時時間,CS_RD無效至下一次讀取時間為200ns。
因此,測試所得AD2S1205的讀取角度函數(shù),與其驅(qū)動時序符合。測試所得AD2S1205的讀取速度函數(shù),與其驅(qū)動時序符合。通過仿真器驗證,測試程序讀取得到的角度值和速度值,也均符合預(yù)期。
6.結(jié)論
本文基于旋變及其解碼芯片的原理和特點,提出了一種旋變位置解碼系統(tǒng)的設(shè)計方案。試驗結(jié)果表明,本方案的硬件和軟件設(shè)計均滿足電機位置解碼要求,并且時序正確。