基于旋转变压器的离散旋变软解码的硬件方案

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基于旋转变压器的离散旋变软解码的硬件方案

与非网 发表于 2020-08-13 15:42:45
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在工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035 年)》(征求意见稿)中提出,到 2025 年,新能源汽车新车销量占比达到 25%左右,智能网联汽车新车销量占比达到 30%,高度自动驾驶智能网联汽车实现限定区域和特定场景商业化应用。新能源汽车主要以电能为动力源,通过电动机驱动行驶。为了获得更好的驾驶体验,工程师往往需要知道电机当前的角度位置以及速度信息,在算法上提供相应扭矩和功率。汽车应用驾驶环境复杂,旋转变压器(Resolver)是常被选择使用在这个应用场景的传感器。

旋转变压器(Resolver)工作原理简介

旋转变压器是一种电磁式传感器,又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机,用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度,由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边,接受励磁电压。转子绕组作为变压器的副边,通过电磁耦合得到感应电压。通常副边会使用两个绕组线圈,互成 90°放置在转子上,如图 1 所示,

基于旋转变压器的离散旋变软解码的硬件方案

图 1

在实际的使用中,转子会随同电机做同轴旋转,即转子的角度速度以及位置就表征了电机的相应状态。若我们在定子上施加正弦励磁信号 VR,则该交流能量通过原边线圈会产生磁通量Φ,则在理想状况下,该磁通量会在副边产生感应电压,VS 和 VC。则通过法拉第电磁感应定律可得到 VS 和 VC 以及角度Θ的关系如下:

基于旋转变压器的离散旋变软解码的硬件方案

由此我们可知,若可知道施加激励 VR 以及得到的响应 VS 与 VC 的实时信息,则可根据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,为了得到角度、速度信息,并提供给 DSP 进行算法参考, 我们需要以下功能电路资源辅助 Resolver 工作,以实现期待的功能:

DAC(Digital to Analog Converter)电路:提供励磁正弦信号 VR。励磁频率通常在 10kHz 到 20kHz。

Boost 升压电路:将励磁信号电压幅度提高。通常 Resolver 接收的励磁信号通常有 4Vrms,7Vrms 等。同时在应用过程中还需要给系统提供一个共模电压,因此这就需要对 DAC 的输出信号进行一定的放大。

励磁放大前级电路:在对 DAC 输出的励磁信号进行功率放大前,往往需要利用运放搭建电路对 DAC 的输出进行滤波以及施加共模电压。

励磁功率放大电路:将励磁信号驱动能力放大,具体驱动能力需要看 Resolver 的规格。通常需要 100mA~300mA。

副边信号调理电路:将转子感应到的信号 VS/VC 进行滤波以及调理到 ADC 可以接受的信号范围。

ADC(Analog-to-digital converter):如基本原理所介绍,我们需要将 VS/VC/VR 的模拟信号转换成数字信号,供 RDC 进行角度和速度的计算。

RDC(Resolver-to-digital converter):执行算法,将转子和定子的输出和感应的数字信号执行算法,计算出速度和角度信息,并输出给 DSP 的 CPU 进行电机算法参考。

可以看出,要实现旋变解码,并不是一件容易的事情。TI 在汽车和工业电机方案上拥有十分丰富的经验,并提供多种解决方案。本博文将主要向大家介绍两种应用较广的方案。第一个是基于 C2000 系列 DSP 的旋变软件解码方案,第二个是基于 TI PGA411-Q1 的高度集成的旋变接口芯片方案。

基于 C2000 的旋变软件解码方案

图 2 展示了基于 C2000 架构的离散旋变软解码的硬件方案框图。

基于旋转变压器的离散旋变软解码的硬件方案

图 2

Boost 升压电路:如前文所说,为达到 Resolver 的驱动电压,通常需要将励磁信号进行放大。在电动车应用开发中,通常采用 2 级架构得到。首先使用一颗 12V(低压铅蓄电池)转换成 5V 的一级电源。然后再利用一颗 BOOST 升压电源芯片将 5V 转换成 15V(7-VRMS Mode)的电源。这里的选择也较多,针对本应用并没有太多的限制。优秀的工程师往往会结合电路中的其他运用与需求,在 ti.com 中寻找合适的电源芯片。这里推荐可以使用的一级降压电源 LM63635-Q1 ,二级升压 BOOST 电源 TPS61175-Q1 。

励磁放大前级电路:汽车应用 EMI 环境复杂,为了保证励磁功率放大电路不被干扰,保持信号完整性不失真,并增加一定的共模,工程师往往需要利用运放搭建励磁放大前级电路。这里对运放的选择主要要求较宽的 Bandwidth 以及较高的开环增益,以确保信号不失真。这里可推荐使用 OPA197 系列运放。其具有 10-MHz GBW,且 OPEN-LOOP GAIN 可达 143dB,可确保旋变解码系统的精度要求。

励磁功率放大电路:Resolver 的励磁原边线圈通常是有很低的 DCR(DC resistance 通常小于 100Ω),因此需要有一定的电流输出能力才可以驱动 Resolver,通常是 100-300mA。同时,为了使 Resolver 得到更好的精度以及线性度,在这里的应用中还需要具备较高的 SR(压摆率 Slew Rate)。传统的解决方案是利用 Transistors 搭建 CLASS AB 功放电路,其电路复杂,可靠性低,且成本以及性能均差强人意。TI 针对工程师在此处的设计痛点,研发出 ALM2402F-Q1 ,这是一颗针对旋变励磁应用设计的双路运放。ALM2402F-Q1 芯片具有以下特点:

非常高的电流输出能力,最大可支持 400mA 的持续电流输出。完全满足各类 resolver 的需求。

3.4V/us 的 SR。可以确保励磁信号不失真。

内置 RF/EMI 滤波器。在逆变器这样的复杂噪声环境中可以更好的工作。

利用 ALM2402F-Q1 可以大大减少工程师的系统 BOM,提高系统的可靠性。并且 ALM2402F-Q1 所提供的电流能力以及 SR 可以满足绝大部分的 Resolver。ALM2402F-Q1 后续还会推出同系列针对 Resolver 应用的产品。

Resolver 原边绕组输入信号、副边绕组输出信号调理方案:如图 3 所示,在典型应用中,Resolver 的原边励磁输入信号,副边 Sin/Cos 绕组的输出信号,我们都需要采集,并由差分信号转换成单端信号提供给 ADC 以做后续算法的处理。因此这一部分需要所使用的运放具有差分信号输入能力且为了获得更精确的模拟信号,这里系统要求运放需要较低的增益误差(Gain error)以及偏置(offset)。另外需要注意的是,由于汽车电机电磁环境复杂,为了获得更佳准确的采样信息,这里所使用的运放必须具有较高的 CMRR(Common-mode rejection ratio)。工程师可前往 ti.com 根据自己的应用需求挑选合适的运放。这里我们推荐使用 TLVx197-Q1, TLC2272-Q1 。

基于旋转变压器的离散旋变软解码的硬件方案

图 3

ADC, DAC&RDC: TI C2000 集成了十分丰富的资源供开发者使用。上述所提到的需要使用的资源包括,3 路 ADC 一路 DAC,以及 RDC。本例中使用 TI C2000 TMS320F28069 。TI C2000 微控制器片内集成多达 4 个 12 位 /16 位 ADC 单元,3 路 12 位 DAC,其中 12 位 ADC 最高采样率达到 12.5Msps,32 位 C28x DSP 核和协处理器 CLA 都可以用来实现旋变解码算法。TI C2000 集成了十分丰富的资源供开发者使用。任何一个 C2000 产品都可以实现旋变解码功能,具体还可以结合所开发电路的其他需求进行选择。

TI 离散软解码方案具有体积小,成本低,精度高,设计灵活等优势。TI DSP C2000 处理器的强大性能可直接用于电机控制做算法和驱动的实现。针对离散方案的旋变解码前端设计,TI 提供了系统参考设计,TIDA-01527 。机智的工程师可前往 ti.com 搜索 TIDA-01527 下载该设计的相关资料。

PGA411-Q1 旋变接口芯片解码方案

相比于上述的软解码离散方案,TI 还提供集成度更高的旋变解码方案,可以极大简化系统方案设计。这就是使用 TI 旋变接口芯片 PGA411-Q1 。如下框图展示了使用 TI PGA411-Q1 的旋变解码方案。

基于旋转变压器的离散旋变软解码的硬件方案

图 4

可以看到在 MCU 和 Resolver 之间,仅用了一颗 PGA411-Q1 就完成旋变励磁与解码的工作,上述离散方案的电源芯片,运放芯片均不需要。这很大程度上是因为 PGA411-Q1 针对旋变应用的需求做了高度的集成。让我们一起来看一下 PGA411-Q1 所集成拥有的内部资源,如图 5 所示:

基于旋转变压器的离散旋变软解码的硬件方案

图 5

DAC 电路:从框图中我们可以看出 PGA411-Q1 拥有两个 DAC。其中一个就是产生励磁正弦信号的 DAC。该 DAC 通过寄存器配置,可设置生成 10kHz 到 20kHz 的正弦励磁信号。另外一颗 DAC 还可将运算出来的角度信息进行模拟输出,供工程师调试使用。

Boost 升压电路:PGA411-Q1 内部集成了一颗 Boost Regulator。最大可提供 150mA 的输出电流。Boost 的输入可与 PGA411-Q1 的 5-V 电源轨 VCC 共享,不需要额外的一级电源。Boost 的输出可以通过 SPI 设置调节。4-VRMS 的电压范围在 9.5V-13.5V,7-VRMS 的电压在 13.5V-17.5V。

励磁放大前级电路与励磁功率放大电路: PGA411-Q1 内部集成了 Exciter Preamplifier and Power Amplifier。具体可参考图 6。利用 TI 内部集成的 Exciter Preamplifier,工程师可以根据实际应用设置励磁信号的共模电压,然后提供给 PGA411-Q1 内部集成的功放模块进行功率放大。PGA411-Q1 内部的 Power Amplifier 输出电流的能力最大可达 145mA,可以满足大部分的 Resolver。若工程师发现你们所使用的 Resolver 需要更大的驱动电流,则建议更换 Resolver。不过 PGA411-Q1 针对无法更换 Resolver 的应用场景也有解决方案,工程师可以 disable Power amplifier, Preamplifier 的输出可以直接从 ORS Pin 得到,只需要将上述 C2000 方案中的励磁功率放大电路的 ALM2402F-Q1 移植到这里与 ORS 连接即可。这样的组合就将驱动能力提升至 400mA。

基于旋转变压器的离散旋变软解码的硬件方案

图 6

副边信号调理电路:如图 7 所展示,PGA411-Q1 内部集成了 AFE(Analog Front-End)。Resolver 的励磁信号以及输出的 SIN/COS 信号均可通过 PGA411-Q1 内部集成的 AFE 进行信号调理。通过 SPI 可以配置 AFE 的 Gain 从 0.75-3.5。AFE 内部 ADC 分辨率为 10bit 和 12bit, 可通过寄存器进行设置。

基于旋转变压器的离散旋变软解码的硬件方案

图 7

RDC(resolver-to-digital converter):PGA411-Q1 内置 RDC,可对 AFE 的输入进行 TYPE II PI 数字回路补偿,并且具有自动偏移校正等功能。并可将运算的结果通过三种格式进行输出:Parallel, Encoder, SPI。可以满足市面上大部分的 DSP 或者其他处理模块的接口要求。

除此之外,得益于 PGA411-Q1 的高度集成化,PGA411-Q1 还可对各个功能模块进行诊断和报错功能。从图 5 中我们可以看出,PGA411-Q1 对 AFE,励磁功放,内部 LDO 以及 BOOST 等模块,都添加了诊断模块,每个模块的状态都可通过内部寄存器读取。这大大简化了工程师的外部硬件开发设计。并且 PGA411-Q1 是按照 ISO26262 流程开发的器件,专为功能安全项目定制,可提供完善的功能安全文档。TI 基于 PGA411-Q1 也有一些系统方案设计可供研发工程师进行参考,TIDA-07507, TIDA-00796 。请点击 ti.com 搜索相应的设计代码下载相关资料。

C2000 的离散旋变解码方案,系统成本更有优势,方案更加灵活,可拓展性强。而基于 PGA411-Q1 的旋变解码方案,集成度更高,有丰富的诊断检测和保护功能。不少优秀的工程师在功能安全项目的设计中,将两种方案同时使用,进行冗余设计。
       责任编辑:pj

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