基于AD2S1210的EPS電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測研究

王 安，趙林峰，陳奇志，熊松林

（1．合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2．株洲易力達(dá)機(jī)電有限公司，湖南 株洲 412002）

0 引 言1

電動機(jī)作為汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的關(guān)鍵部件，其轉(zhuǎn)子的位置檢測在電動機(jī)的控制中十分重要，目前常用的電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測方法主要有光電編碼器法，旋轉(zhuǎn)變壓器法，霍爾傳感器法[1]。其中旋轉(zhuǎn)變壓器法具有良好的輸出特性與抗干擾能力，并且在惡劣的工作環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)秀的可靠性，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器簡介

1.1 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)與信號

采用日本NIDEC公司生產(chǎn)的某型永磁同步無刷電動機(jī)，該電動機(jī)內(nèi)置了旋轉(zhuǎn)變壓器，其電氣原理如圖 1所示，旋轉(zhuǎn)變壓器的初級勵磁繞組（R1-R2）和次級感應(yīng)繞組（S2-S4，S3-S1）均位于定子上。

激勵信號（R1-R2）輸入到初級繞組上，2個次級繞組機(jī)械錯位90°，由于轉(zhuǎn)子的特殊設(shè)計，次級耦合隨著角位置變化而發(fā)生正弦變化，產(chǎn)生由軸角的正余弦調(diào)制出的 2個輸出電壓（S2-S4，S3-S1），如圖2所示。計算公式為

R1-R2=Usinωt

S2-S4=Usinωt×sinθ

S3-S1=Usinωt×cosθ

其中，θ為軸角；sinωt為轉(zhuǎn)子激勵頻率；U為轉(zhuǎn)子激勵幅度。該旋轉(zhuǎn)變壓器額定的激勵信號為AC7Vrms，其頻率為10 kHz。

1.2 旋轉(zhuǎn)變壓器信號解碼

旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號是模擬量，需要轉(zhuǎn)換成符合EPS控制器芯片要求的數(shù)字量才能使用。常見的轉(zhuǎn)換方法有兩種：一種是采用專門的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字變換器（RDC）芯片，如美國ADI公司的AD2S1200系列芯片[2]和日本多摩川AU6802系列芯片[3]；另一種是采用 A/D轉(zhuǎn)換芯片先將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬量進(jìn)行初步的處理，再根據(jù)解碼算法利用DSP或FPGA芯片實(shí)現(xiàn)解碼[4]。這兩種方法中，RDC轉(zhuǎn)換器芯片不僅能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)時性，而且可以簡化硬件電路，所以應(yīng)用更加廣泛。文中采用 AD2S1210芯片作為旋轉(zhuǎn)變壓器信號的解碼方案。

2 轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 AD2S1210的原理

AD2S1210是美國ADI公司最新推出的一款10～16位分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)集成可編程正弦波振蕩器，可以為旋轉(zhuǎn)變壓器提供2kHz～20kHz的正弦波激勵，其跟蹤速率最大可達(dá)到3125 rps，精度可達(dá)到±2.5弧分[5]，提供電動機(jī)轉(zhuǎn)子的角度和轉(zhuǎn)速信息，完全可以滿足 EPS電動機(jī)的控制要求。

AD2S1210能連續(xù)跟蹤轉(zhuǎn)子角位置θ，其原理為：轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出角Φ，然后反饋Φ并與θ相比較，當(dāng)轉(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角時，二者的誤差將被驅(qū)動至0。

該誤差的求取過程為：將旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號 Usinωt×sinθ、Usinωt×cosθ分別乘以 cosΦ 和sinΦ，作差后得到信號 Usinωt×（sinθcosΦ?cosθsinΦ）。AD2S1210利用內(nèi)部的合成參考來解調(diào)該信號，得到 U（sinθcosΦ?cosθsinΦ），即誤差信號U sin（θ?Φ）。當(dāng)輸出角Φ與軸角θ相差很小時，該誤差信號近似等于U（θ?Φ）。AD2S1210內(nèi)部集成的一個相敏解調(diào)器、一些積分器和一個補(bǔ)償濾波器共同組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，以保證該誤差信號歸零，從而達(dá)到旋轉(zhuǎn)變壓器信號解碼的目的。

通過對寄存器寫操作可以用來配置AD2S1210的工作參數(shù)，如工作模式、激勵頻率、分辨率和閾值。

2.2 硬件電路設(shè)計

硬件電路主要有兩部分：一是 AD2S1210的外圍電路，如圖 3所示，用來保證芯片的正常工作；二是電流增益驅(qū)動電路，如圖 4所示，用來給旋轉(zhuǎn)變壓器提供合適的激勵信號。

在外圍電路中，數(shù)字與模擬供電采用+5V的電源，并且都加上10 nF和4.7 μF的去耦電容。VDRIVE設(shè)定為+5V，去耦電容和前者一致。晶振頻率為 8.192 MHz，此時系統(tǒng)默認(rèn)激勵頻率為 10 kHz，振蕩器去耦電容為20 pF，參考信號去耦電容為10 nF和10 pF。

文中使用的旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比為0.286，輸入電阻為120?。AD2S1210的EXC和/EXC引腳輸出3.6 Vp-p正弦信號，即可以為旋轉(zhuǎn)變壓器提供 7.2 Vp-p差分激勵信號。而理想狀態(tài)下AD2S1210正余弦輸入要求具有差分3.15 Vp-p的幅度，相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)變壓器輸入信號應(yīng)該為3.15 Vp-p/0.28=11.01 Vp-p。為滿足AD2S1210的正余弦輸入要求，需要構(gòu)建一個增益約為1.53的高電流緩沖電路，將7.2 Vp-p激勵信號放大至 11.01 Vp-p，并提供足夠大的驅(qū)動電流。電流增益驅(qū)動電路如圖4所示。

該電路由雙通道運(yùn)算放大器 AD8662和分立互補(bǔ)級跟隨器組成，采用12V電源供電，放大比例通過精密電阻R1與R15調(diào)節(jié)。文中R1=R2=15.4 k?，R15=R16=10 k?，該電路提供的增益為R1/R15=1.54。

放大器的共模電壓為+3.75 V，由電阻 R17和R18設(shè)置。激勵輸出的共模電壓為+2.5 V（中間電源電壓）。緩沖器輸出共模電壓大約為電源+12V的1/2。2.2 k?電阻R3、R13、R4、R14為推挽電路輸入端的二極管D1、D2、D3、D4提供偏置電流，并確立該側(cè)的靜態(tài)電流。該電路的一個優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)無信號輸入時，輸出晶體管只需要消耗少量靜態(tài)電流[6]。試驗中測得旋轉(zhuǎn)變壓器激勵輸入信號R1、R2、R1-R2如圖5所示，R1-R2為11.7 Vp-p，滿足輸入要求。

2.3 轉(zhuǎn)子位置信號讀取

AD2S1210有4種信息可供讀取，分別是角位置、角速度、故障寄存器數(shù)據(jù)和片內(nèi)寄存器數(shù)據(jù)。在 AD2S1210的配置模式或普通模式下都可以對角位置信息進(jìn)行讀取，讀取的方式主要有 3種：并行讀取（采用8位并行通信）、串行讀取（采用3線SPI通信）和增量式編碼器仿真輸出讀取（輸出A、B、NM、DIR信號）。

并行通信用于對實(shí)時性要求非常高的場合，同時占據(jù)了非常多的引腳資源。串行通信使用引腳相對較少，對于時序的要求非常嚴(yán)格。相對而言，增量式編碼器仿真輸出信號與普通的編碼器信號并無差別，其占用EPS控制器芯片引腳最少，信號明確，可在原有技術(shù)方案上方便的升級，文中采用增量式編碼器仿真輸出信號。

當(dāng)輸入到 AD2S1210的旋轉(zhuǎn)變壓器格式信號有效時，編碼器仿真輸出信號就有效，文中選取的分辨率為12位，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動360°時，編碼器仿真輸出N×1024個脈沖，N為旋轉(zhuǎn)變壓器的極數(shù)，文中N為4。實(shí)際測得A、B、DIR 、NM信號如圖6、圖7所示，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子順時針方向旋轉(zhuǎn)時，脈沖A超前于脈沖B 90°，DIR輸出高電平，當(dāng)絕對角位置經(jīng)過零點(diǎn)時，NM輸出一個寬度為90°的路標(biāo)脈沖。

EPS控制器采用基于 Cortex-M3內(nèi)核的STM32F100VBT作為主控芯片，該芯片具有較高的性價比，針對于電動機(jī)控制專門設(shè)計了一些功能，例如可實(shí)現(xiàn)帶死區(qū)控制的6路互補(bǔ)PWM輸出高級定時器，Cortex-M3的計算能力可保證 FOC算法快速實(shí)現(xiàn)。STM32F103VBT與AD2S1210的引腳連接如圖 8所示，讀取角位置數(shù)據(jù)的軟件流程圖如圖9所示。

3 結(jié)束語

文中對旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)與信號進(jìn)行了介紹，以旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S1210為核心分析了旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號的解碼原理，并設(shè)計相應(yīng)的外圍電路與電流增益驅(qū)動電路，采用文中設(shè)計的轉(zhuǎn)子檢測方案，EPS控制器能夠有效地檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，并對助力電動機(jī)進(jìn)行控制。該方案達(dá)到EPS系統(tǒng)對電動機(jī)位置檢測的精確性與穩(wěn)定性要求，具有較高的實(shí)用價值。

[1]曲家騏. 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理[EB/OL]. http：//www.Windouble.com.cn/OtherView．a(chǎn)sp?ID=17，2011-05-18/2011-12-16．

[2]崔軍，溫旭輝，張立偉．新型永磁同步電機(jī)控制用旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用[J]. 電氣傳動，2005，35（11）： 11-14．

[3]M．拉赫曼，夏超英，鄭水妹．基于AU6802的旋轉(zhuǎn)變壓器接口電路應(yīng)用設(shè)計[J]．電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33（5）：16-19．

[4]劉柏林，廖勇，何志明．基于FPGA的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼算法研究與系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微電機(jī)，2007，40（12）：48-51．

[5]Analog Device Inc．AD2S1210 DATA Sheet[M]．ADI公司，2010．

[6]Analog Device Inc．High Current Driver for the AD2S1210 Resolver-to-Digital Reference Signal Output[M]. ADI公司，2011．