基于旋轉(zhuǎn)變壓器的離散旋變軟解碼的硬件方案

在工信部發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》（征求意見稿）中提出，到 2025 年，新能源汽車新車銷量占比達(dá)到 25%左右，智能網(wǎng)聯(lián)汽車新車銷量占比達(dá)到 30%，高度自動(dòng)駕駛智能網(wǎng)聯(lián)汽車實(shí)現(xiàn)限定區(qū)域和特定場景商業(yè)化應(yīng)用。新能源汽車主要以電能為動(dòng)力源，通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛。為了獲得更好的駕駛體驗(yàn)，工程師往往需要知道電機(jī)當(dāng)前的角度位置以及速度信息，在算法上提供相應(yīng)扭矩和功率。汽車應(yīng)用駕駛環(huán)境復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）是常被選擇使用在這個(gè)應(yīng)用場景的傳感器。

旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）工作原理簡介

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種測量角度用的小型交流電動(dòng)機(jī)，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵(lì)磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。通常副邊會(huì)使用兩個(gè)繞組線圈，互成 90°放置在轉(zhuǎn)子上，如圖 1 所示，

圖 1

在實(shí)際的使用中，轉(zhuǎn)子會(huì)隨同電機(jī)做同軸旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子的角度速度以及位置就表征了電機(jī)的相應(yīng)狀態(tài)。若我們在定子上施加正弦勵(lì)磁信號 VR，則該交流能量通過原邊線圈會(huì)產(chǎn)生磁通量Φ，則在理想狀況下，該磁通量會(huì)在副邊產(chǎn)生感應(yīng)電壓，VS 和 VC。則通過法拉第電磁感應(yīng)定律可得到 VS 和 VC 以及角度Θ的關(guān)系如下：

由此我們可知，若可知道施加激勵(lì) VR 以及得到的響應(yīng) VS 與 VC 的實(shí)時(shí)信息，則可根據(jù)上述公式得到角度和速度的信息。在知道 Resolver 的基本工作原理后，為了得到角度、速度信息，并提供給 DSP 進(jìn)行算法參考， 我們需要以下功能電路資源輔助 Resolver 工作，以實(shí)現(xiàn)期待的功能：

DAC（Digital to Analog Converter）電路：提供勵(lì)磁正弦信號 VR。勵(lì)磁頻率通常在 10kHz 到 20kHz。

Boost 升壓電路：將勵(lì)磁信號電壓幅度提高。通常 Resolver 接收的勵(lì)磁信號通常有 4Vrms，7Vrms 等。同時(shí)在應(yīng)用過程中還需要給系統(tǒng)提供一個(gè)共模電壓，因此這就需要對 DAC 的輸出信號進(jìn)行一定的放大。

勵(lì)磁放大前級電路：在對 DAC 輸出的勵(lì)磁信號進(jìn)行功率放大前，往往需要利用運(yùn)放搭建電路對 DAC 的輸出進(jìn)行濾波以及施加共模電壓。

勵(lì)磁功率放大電路：將勵(lì)磁信號驅(qū)動(dòng)能力放大，具體驅(qū)動(dòng)能力需要看 Resolver 的規(guī)格。通常需要 100mA~300mA。

副邊信號調(diào)理電路：將轉(zhuǎn)子感應(yīng)到的信號 VS/VC 進(jìn)行濾波以及調(diào)理到 ADC 可以接受的信號范圍。

ADC（Analog-to-digital converter）：如基本原理所介紹，我們需要將 VS/VC/VR 的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，供 RDC 進(jìn)行角度和速度的計(jì)算。

RDC（Resolver-to-digital converter）：執(zhí)行算法，將轉(zhuǎn)子和定子的輸出和感應(yīng)的數(shù)字信號執(zhí)行算法，計(jì)算出速度和角度信息，并輸出給 DSP 的 CPU 進(jìn)行電機(jī)算法參考。

可以看出，要實(shí)現(xiàn)旋變解碼，并不是一件容易的事情。TI 在汽車和工業(yè)電機(jī)方案上擁有十分豐富的經(jīng)驗(yàn)，并提供多種解決方案。本博文將主要向大家介紹兩種應(yīng)用較廣的方案。第一個(gè)是基于 C2000 系列 DSP 的旋變軟件解碼方案，第二個(gè)是基于 TI PGA411-Q1 的高度集成的旋變接口芯片方案。

基于 C2000 的旋變軟件解碼方案

圖 2 展示了基于 C2000 架構(gòu)的離散旋變軟解碼的硬件方案框圖。

圖 2

Boost 升壓電路：如前文所說，為達(dá)到 Resolver 的驅(qū)動(dòng)電壓，通常需要將勵(lì)磁信號進(jìn)行放大。在電動(dòng)車應(yīng)用開發(fā)中，通常采用 2 級架構(gòu)得到。首先使用一顆 12V（低壓鉛蓄電池）轉(zhuǎn)換成 5V 的一級電源。然后再利用一顆 BOOST 升壓電源芯片將 5V 轉(zhuǎn)換成 15V（7-VRMS Mode）的電源。這里的選擇也較多，針對本應(yīng)用并沒有太多的限制。優(yōu)秀的工程師往往會(huì)結(jié)合電路中的其他運(yùn)用與需求，在 ti.com 中尋找合適的電源芯片。這里推薦可以使用的一級降壓電源 LM63635-Q1 ，二級升壓 BOOST 電源 TPS61175-Q1 。

勵(lì)磁放大前級電路：汽車應(yīng)用 EMI 環(huán)境復(fù)雜，為了保證勵(lì)磁功率放大電路不被干擾，保持信號完整性不失真，并增加一定的共模，工程師往往需要利用運(yùn)放搭建勵(lì)磁放大前級電路。這里對運(yùn)放的選擇主要要求較寬的 Bandwidth 以及較高的開環(huán)增益，以確保信號不失真。這里可推薦使用 OPA197 系列運(yùn)放。其具有 10-MHz GBW，且 OPEN-LOOP GAIN 可達(dá) 143dB，可確保旋變解碼系統(tǒng)的精度要求。

勵(lì)磁功率放大電路：Resolver 的勵(lì)磁原邊線圈通常是有很低的 DCR（DC resistance 通常小于 100Ω），因此需要有一定的電流輸出能力才可以驅(qū)動(dòng) Resolver，通常是 100-300mA。同時(shí)，為了使 Resolver 得到更好的精度以及線性度，在這里的應(yīng)用中還需要具備較高的 SR（壓擺率 Slew Rate）。傳統(tǒng)的解決方案是利用 Transistors 搭建 CLASS AB 功放電路，其電路復(fù)雜，可靠性低，且成本以及性能均差強(qiáng)人意。TI 針對工程師在此處的設(shè)計(jì)痛點(diǎn)，研發(fā)出 ALM2402F-Q1 ，這是一顆針對旋變勵(lì)磁應(yīng)用設(shè)計(jì)的雙路運(yùn)放。ALM2402F-Q1 芯片具有以下特點(diǎn)：

非常高的電流輸出能力，最大可支持 400mA 的持續(xù)電流輸出。完全滿足各類 resolver 的需求。

3.4V/us 的 SR?？梢源_保勵(lì)磁信號不失真。

內(nèi)置 RF/EMI 濾波器。在逆變器這樣的復(fù)雜噪聲環(huán)境中可以更好的工作。

利用 ALM2402F-Q1 可以大大減少工程師的系統(tǒng) BOM，提高系統(tǒng)的可靠性。并且 ALM2402F-Q1 所提供的電流能力以及 SR 可以滿足絕大部分的 Resolver。ALM2402F-Q1 后續(xù)還會(huì)推出同系列針對 Resolver 應(yīng)用的產(chǎn)品。

Resolver 原邊繞組輸入信號、副邊繞組輸出信號調(diào)理方案：如圖 3 所示，在典型應(yīng)用中，Resolver 的原邊勵(lì)磁輸入信號，副邊 Sin/Cos 繞組的輸出信號，我們都需要采集，并由差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號提供給 ADC 以做后續(xù)算法的處理。因此這一部分需要所使用的運(yùn)放具有差分信號輸入能力且為了獲得更精確的模擬信號，這里系統(tǒng)要求運(yùn)放需要較低的增益誤差（Gain error）以及偏置（offset）。另外需要注意的是，由于汽車電機(jī)電磁環(huán)境復(fù)雜，為了獲得更佳準(zhǔn)確的采樣信息，這里所使用的運(yùn)放必須具有較高的 CMRR（Common-mode rejection ratio）。工程師可前往 ti.com 根據(jù)自己的應(yīng)用需求挑選合適的運(yùn)放。這里我們推薦使用 TLVx197-Q1， TLC2272-Q1 。

圖 3

ADC， DAC&RDC： TI C2000 集成了十分豐富的資源供開發(fā)者使用。上述所提到的需要使用的資源包括，3 路 ADC 一路 DAC，以及 RDC。本例中使用 TI C2000 TMS320F28069 。TI C2000 微控制器片內(nèi)集成多達(dá) 4 個(gè) 12 位 /16 位 ADC 單元，3 路 12 位 DAC，其中 12 位 ADC 最高采樣率達(dá)到 12.5Msps，32 位 C28x DSP 核和協(xié)處理器 CLA 都可以用來實(shí)現(xiàn)旋變解碼算法。TI C2000 集成了十分豐富的資源供開發(fā)者使用。任何一個(gè) C2000 產(chǎn)品都可以實(shí)現(xiàn)旋變解碼功能，具體還可以結(jié)合所開發(fā)電路的其他需求進(jìn)行選擇。

TI 離散軟解碼方案具有體積小，成本低，精度高，設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢。TI DSP C2000 處理器的強(qiáng)大性能可直接用于電機(jī)控制做算法和驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。針對離散方案的旋變解碼前端設(shè)計(jì)，TI 提供了系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)，TIDA-01527 。機(jī)智的工程師可前往 ti.com 搜索 TIDA-01527 下載該設(shè)計(jì)的相關(guān)資料。

PGA411-Q1 旋變接口芯片解碼方案

相比于上述的軟解碼離散方案，TI 還提供集成度更高的旋變解碼方案，可以極大簡化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。這就是使用 TI 旋變接口芯片 PGA411-Q1 。如下框圖展示了使用 TI PGA411-Q1 的旋變解碼方案。

圖 4

可以看到在 MCU 和 Resolver 之間，僅用了一顆 PGA411-Q1 就完成旋變勵(lì)磁與解碼的工作，上述離散方案的電源芯片，運(yùn)放芯片均不需要。這很大程度上是因?yàn)?PGA411-Q1 針對旋變應(yīng)用的需求做了高度的集成。讓我們一起來看一下 PGA411-Q1 所集成擁有的內(nèi)部資源，如圖 5 所示：

圖 5

DAC 電路：從框圖中我們可以看出 PGA411-Q1 擁有兩個(gè) DAC。其中一個(gè)就是產(chǎn)生勵(lì)磁正弦信號的 DAC。該 DAC 通過寄存器配置，可設(shè)置生成 10kHz 到 20kHz 的正弦勵(lì)磁信號。另外一顆 DAC 還可將運(yùn)算出來的角度信息進(jìn)行模擬輸出，供工程師調(diào)試使用。

Boost 升壓電路：PGA411-Q1 內(nèi)部集成了一顆 Boost Regulator。最大可提供 150mA 的輸出電流。Boost 的輸入可與 PGA411-Q1 的 5-V 電源軌 VCC 共享，不需要額外的一級電源。Boost 的輸出可以通過 SPI 設(shè)置調(diào)節(jié)。4-VRMS 的電壓范圍在 9.5V-13.5V，7-VRMS 的電壓在 13.5V-17.5V。

勵(lì)磁放大前級電路與勵(lì)磁功率放大電路： PGA411-Q1 內(nèi)部集成了 Exciter Preamplifier and Power Amplifier。具體可參考圖 6。利用 TI 內(nèi)部集成的 Exciter Preamplifier，工程師可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)置勵(lì)磁信號的共模電壓，然后提供給 PGA411-Q1 內(nèi)部集成的功放模塊進(jìn)行功率放大。PGA411-Q1 內(nèi)部的 Power Amplifier 輸出電流的能力最大可達(dá) 145mA，可以滿足大部分的 Resolver。若工程師發(fā)現(xiàn)你們所使用的 Resolver 需要更大的驅(qū)動(dòng)電流，則建議更換 Resolver。不過 PGA411-Q1 針對無法更換 Resolver 的應(yīng)用場景也有解決方案，工程師可以 disable Power amplifier， Preamplifier 的輸出可以直接從 ORS Pin 得到，只需要將上述 C2000 方案中的勵(lì)磁功率放大電路的 ALM2402F-Q1 移植到這里與 ORS 連接即可。這樣的組合就將驅(qū)動(dòng)能力提升至 400mA。

圖 6

副邊信號調(diào)理電路：如圖 7 所展示，PGA411-Q1 內(nèi)部集成了 AFE（Analog Front-End）。Resolver 的勵(lì)磁信號以及輸出的 SIN/COS 信號均可通過 PGA411-Q1 內(nèi)部集成的 AFE 進(jìn)行信號調(diào)理。通過 SPI 可以配置 AFE 的 Gain 從 0.75-3.5。AFE 內(nèi)部 ADC 分辨率為 10bit 和 12bit， 可通過寄存器進(jìn)行設(shè)置。

圖 7

RDC（resolver-to-digital converter）：PGA411-Q1 內(nèi)置 RDC，可對 AFE 的輸入進(jìn)行 TYPE II PI 數(shù)字回路補(bǔ)償，并且具有自動(dòng)偏移校正等功能。并可將運(yùn)算的結(jié)果通過三種格式進(jìn)行輸出：Parallel， Encoder， SPI?？梢詽M足市面上大部分的 DSP 或者其他處理模塊的接口要求。

除此之外，得益于 PGA411-Q1 的高度集成化，PGA411-Q1 還可對各個(gè)功能模塊進(jìn)行診斷和報(bào)錯(cuò)功能。從圖 5 中我們可以看出，PGA411-Q1 對 AFE，勵(lì)磁功放，內(nèi)部 LDO 以及 BOOST 等模塊，都添加了診斷模塊，每個(gè)模塊的狀態(tài)都可通過內(nèi)部寄存器讀取。這大大簡化了工程師的外部硬件開發(fā)設(shè)計(jì)。并且 PGA411-Q1 是按照 ISO26262 流程開發(fā)的器件，專為功能安全項(xiàng)目定制，可提供完善的功能安全文檔。TI 基于 PGA411-Q1 也有一些系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)可供研發(fā)工程師進(jìn)行參考，TIDA-07507， TIDA-00796 。請點(diǎn)擊 ti.com 搜索相應(yīng)的設(shè)計(jì)代碼下載相關(guān)資料。

C2000 的離散旋變解碼方案，系統(tǒng)成本更有優(yōu)勢，方案更加靈活，可拓展性強(qiáng)。而基于 PGA411-Q1 的旋變解碼方案，集成度更高，有豐富的診斷檢測和保護(hù)功能。不少優(yōu)秀的工程師在功能安全項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，將兩種方案同時(shí)使用，進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。
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