旋變解碼芯片AD2S1205應用系統設計

吳成加　趙圣寶

摘 要 介紹了一種適用于新能源汽車交流異步電機轉子位置解碼系統的設計方案，應用旋轉變壓器/數字轉換器AD2S1205，將旋轉變壓器輸出的模擬信號轉化為數字信號，以便于DSP進行處理。介紹了旋轉變壓器的基本原理，設計了AD2S1205與旋轉變壓器及TMS320F28335數字信號處理器的接口電路，并在安凱HFF6140K07CHEV插電式混合動力客車上投入使用，取得了非常好的實際應用效果。實驗證明，該設計方法精度高，可靠性好，抗干擾能力強，完全能夠滿足高速電機控制系統及車輛環境的應用要求。

【關鍵詞】旋轉變壓器 AD2S1205 信號轉換 數字解碼器

旋轉變壓器是一種能輸出與轉子轉角或位置成某種函數關系電信號的交流微特電機，主要應用于角度位置伺服控制系統或運動伺服控制系統中，作為角度位置的傳感和測量用，其可以用來精確測量轉子位置信號，從而提高運動伺服控制系統的控制性能，在電機控制領域得到了廣泛應用。旋轉變壓器與數字解碼芯片相結合實現角度位置和速度信號解碼。目前常用到的旋變數字解碼芯片主要是美國ADI公司的AD2S90、AD2S12xx或日本多摩川公司的AU6802N1系列等。其中AD2S1205是ADI公司推出的旋轉變壓器信號輸出/檢測芯片，該芯片分辨率12位、最大精度可達±11弧分，帶有參考振蕩器的數字可變R/D變換器并經過汽車應用認證。本文介紹了一種多極旋轉變壓器與AD2S1205相配合的接口電路設計。針對旋轉變壓器解碼芯片的解碼原理及解碼電路濾波電容對位置角測量誤差的影響進行深入的分析，同時根據分析的結果調整解碼電路最優的濾電容，并經過仿真和試驗驗證了本文分析的準確性，應用到實際工程應用中。

1 旋變解碼芯片

基本的旋轉變壓器分經典旋變和可變磁阻式旋變等，它們在結構和繞組的要配方式上各不相同，但無論何種形式的旋變，其旋變輸出電壓（S3-S1，S2-S4）的計算公式均相同，即

式中，θ為轉子轉角，sinωt為轉子激勵頻率，E0激勵幅度。旋轉變壓器的兩個轉子繞組機械錯位90°，如圖1所示。其中Vp為勵磁電壓峰值，Vr為勵磁電壓，Vs為變比后的電壓，Va、Vb分別為S2-S4，S3-S1感應電壓，初級繞組采用交流基準源激勵，隨后在定子次級繞組上耦合的幅度是轉子軸相對于定子的函數。因此，旋變產生由軸角的正弦和余弦調制的兩個輸出電壓S3-S1，S2-S4，旋變輸出信號格式如圖2所示。

本設計的旋轉變壓器采用日本多摩川或上海贏雙電機公司的三對極旋轉變壓器，旋變的轉子轉動一周，其電角度變化為1080度，其變壓比為0.286±10%，激勵頻率范圍為10KHz～20KHz，激勵電壓峰-峰值為20V，輸入阻抗180Ω，激勵電流典型值為50mA。

2 AD2S1205的工作原理

AD2S1205是一款12位分辨率旋變數字轉換器，集成片上可編程正弦波振蕩器，可以將激勵頻率設置為10 kHz、12 kHz、15 kHz或20 kHz。為旋變器提供正弦波激勵。轉換器的正弦和余弦輸入端允許3.15 V p-p ± 27%輸入信號。采用Type II跟蹤環路跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉換為輸入角度和速度所對應的數字量。最大跟蹤速率取

決于外部時鐘頻率。AD2S1205的工作頻率為8.192 MHz ± 25%，最大跟蹤速率為1250 rps。支持增量式編碼仿真輸出，輸出脈沖數1204脈沖/轉。增量式編碼器仿真采用標準A-quad-B格式，并提供方向輸出。

2.1 工作理論

AD2S1210按照跟蹤閉環原理，能跟蹤恒定速度輸入，輸出連續跟蹤變變位置不存在固有誤差。無需外部轉換和等待狀態，且沒有轉換延遲。它還可以抑制噪聲，并提供參考和輸入信號的諧波失真容限。從而提高精度，當旋變的位置經過最低有效位的角度時，AD2S1205輸出1 LSB的分辯率。

轉換器跟蹤軸角的原理為：由EXC、 激勵源向旋轉變壓器提供勵磁信號，承載著位置信息的兩路旋轉變壓器模擬信號送入到解碼電路的SIN、SINL、COS、COSL輸入端。分別經過AD采樣后送入乘法器，分別經過乘法運算，轉換器將產生反饋角φ與輸入角θ、反饋角θ與輸入角φ相比較，當轉換器正確跟蹤輸入角度時，二者之間的誤差將為0，為了測量誤一個閉環系統由一個相位敏感的解調器、一些積分器和一個補償濾波器形成，它可以將誤差信號歸零。當該目標得以實現時，在轉換器的額定精度范圍內，φ等于旋轉角θ。之所以使用Type II跟蹤環路，是因為它能跟蹤恒定速度輸入，而不存在固有誤差。

2.2 AD2S1205接口電路設計

AD2S1205外圍電路如圖3所示。采用模擬、數字電路隔離，旋變解碼電路控制與數據讀取通過磁隔離電路ADuM1400和ADuM1401與數字信號處理器TMS320F28335進行通訊，實現信號隔離。輸入電路激勵頻率為10KHz。

AD2S1205片上振蕩器向旋變器提供正弦波激勵信（ EXC）及其互補信號（ ）。該基準信號的頻率可通過FS1和FS2引腳設置為四個標準頻率（10kHz、12kHz、15kHz或20kHz）（見表1）。FS1 和FS2 具備內部上拉電阻，因此默認頻率為10KHz。這一信號的幅度圍繞2.5V變化，峰值幅度為3.6Vp-p。，模式配置如表1所示。基準信號的頻率是CLKIN頻率的函數。通過降低CLKIN頻率可以降低激勵頻率的最小值。因此，當CLKIN 頻率為6.144 MHz時，激勵頻率為7.5 kHz，同時將最大跟蹤速率降至750 rps ，如表1所示。

AD2S1205的基準輸出需要一個外部緩沖放大器來提供增益和額外電流，以驅動旋變。設計的緩沖電路見圖4。

此外，AD2S1205還提供一個相位鎖定至其正弦和余弦輸入的內部合成基準信號。旋變初級繞組與次級繞組之間的相位誤差會降低RDC的精度，而該同步基準信號可以補償這一相位誤差。此外，它還能補償溫度變化和傳輸線纜所引起的相移，從而不需要在外部預設相位補償電路。AD2S1205的輸入信號SIN（COS）與SINL（COSL）兩者典型的壓差是3.15VP-p，輸入差分信號不能低于零電位，使用一個上接和下拉電阻，來改善系統的噪聲性能。如圖5所示。endprint

2.3 外部接口

AD2S1205提供了兩個12位寄存器，用來保存角位置信息和角速度信息；寄存器的數據通過一個SPI接口（SO、CS/ 和SCLK）進行存取，其最高時鐘速率達25MHz。本方案中將 引腳接地，維持在低電平狀態，可選中此串行接口。引腳通過處理器進行控制，當該引腳發生高電平至低電平的狀態轉換后，位置積分器和速度積分器的數據首先通過 引腳分別傳輸到位置寄存器和速度寄存器內。 引腳選擇將位置寄存器內的數據傳輸至輸出寄存器；當 引腳保持低電平時，芯片才能將所選寄存器內的數據傳輸至輸出寄存器。當 輸入出現下降沿時，角位置信息被傳送至輸出緩沖器。數據通過串行輸出引腳SO，在每個時鐘SCLK的上升沿被讀出，選中這個串行接口后，DB11可被用作串行輸出引腳（SO）；DB10可被用作串行時鐘輸入引腳（SCLK）；引腳DB0至DB9進入高阻態。

輸出移位寄存器為16位寬。數據以16位字格式，通過串行時鐘輸入（SCLK）從器件輸出。圖6為這一操作的時序圖。

3 系統測試及應用

系統采用TI公司的TMS320F28335做為控制處理器，TMS320F28335型數字信號處理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM），其浮點運算單元，性能較前代DSP相比提高50%，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數操作上耗費過多的時間和精力，并與定點C28x控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發， 縮短開發周期，降低開發成本。

根據前述AD2S1205外圍電路，激勵調理電路及旋變返回信號調理電路搭建硬件平臺，根據表1，通過軟件設置激勵頻率為10kHz，進行系統試驗，實測激勵波形如圖7所示，該激勵信號的頻率為10kHz，峰值為11V，得出此時激勵的有效值為11/=7.8V，滿足旋變對激勵信號的要求。通過調整激勵輸出反饋電容的值，可以優化激勵波形。

電機以980rpm的固定速度旋轉時， 其激勵波形如圖7所示，測得的AD1205輸出的相位相差90°的旋變的輸出波形如圖8所示。

4 總結

本系統采用了TMS320F28335控制器為核心，以AD2S1205輸出信號為旋變激勵信號，將旋變輸出信號引入到AD2S1205內部進行解碼，使用磁隔離芯片ADuM14xx，通過SPI接口方式，讀出12位的數字信號量，得到當前的電機角度和速度信號，并成功應用于安凱公司的 HFF6140K07CHEV插電式混合動力客車中，該方案設計簡單實用，省去了大量復雜的數據通訊接口。經實際測試，與旋轉變壓器配合良好，取得了良好的應用效果。

參考文獻

[1]旋轉變壓器原理及其應用[J].電氣時代，2005，（10）：98-99.

[2]薛山，溫旭輝，徐志捷.基于AD2S90的數字旋轉變壓器[J].電工技術雜志，2003（9）：102-104.

[3]儲海燕，許剛.基于AD2S1200的旋轉變壓器解碼電路設計[J].科學與技術工程，2012（20）：5044-5047.

[4]李耀海，胡文艷等.基于AU6802N1的旋轉變壓器信號接口電路設計和應用[J].電子設計應用，2006（02）：11-114.

[5]12-Bit RDC With Reference Oscillator AD2S1205 [Z].Analog Devices Company，2007-2010.

[6]TMS320F28335，TMS320F28334，TMS320F28332 Digital Signal Controllers Data Manual[Z].TI Company，2007.

[7]Evaluation Board for the AD2S1200/AD2S1205 Resolver-to-Digital Converters [Z].Analog Devices Company，2007-2010.

[8]旭輝，張立偉.新型永磁同步電機控制用旋轉變壓器/數字轉換器及其應應用[J].中小型電機，2005，（08）：51-54.

[9]楊波，劉春.高精度旋轉變壓器轉角測量數字轉換電路[J].電測與儀表，2004，（03）：17-18.

作者簡介

吳成加（1971-），男， 安徽省安慶市人。大學本科學歷。現為安徽安凱汽車股份有限公司技術中心新能源汽車研究所研發主管、工程師。研究方向為新能源汽車電控系統及核心零部件研究。

作者單位

安徽安凱汽車股份有限公司技術中心 國家電動客車整車系統集成工程技術研究中心 安徽省合肥市 230051endprint

2.3 外部接口

AD2S1205提供了兩個12位寄存器，用來保存角位置信息和角速度信息；寄存器的數據通過一個SPI接口（SO、CS/ 和SCLK）進行存取，其最高時鐘速率達25MHz。本方案中將 引腳接地，維持在低電平狀態，可選中此串行接口。引腳通過處理器進行控制，當該引腳發生高電平至低電平的狀態轉換后，位置積分器和速度積分器的數據首先通過 引腳分別傳輸到位置寄存器和速度寄存器內。 引腳選擇將位置寄存器內的數據傳輸至輸出寄存器；當 引腳保持低電平時，芯片才能將所選寄存器內的數據傳輸至輸出寄存器。當 輸入出現下降沿時，角位置信息被傳送至輸出緩沖器。數據通過串行輸出引腳SO，在每個時鐘SCLK的上升沿被讀出，選中這個串行接口后，DB11可被用作串行輸出引腳（SO）；DB10可被用作串行時鐘輸入引腳（SCLK）；引腳DB0至DB9進入高阻態。

輸出移位寄存器為16位寬。數據以16位字格式，通過串行時鐘輸入（SCLK）從器件輸出。圖6為這一操作的時序圖。

3 系統測試及應用

系統采用TI公司的TMS320F28335做為控制處理器，TMS320F28335型數字信號處理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM），其浮點運算單元，性能較前代DSP相比提高50%，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數操作上耗費過多的時間和精力，并與定點C28x控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發， 縮短開發周期，降低開發成本。

根據前述AD2S1205外圍電路，激勵調理電路及旋變返回信號調理電路搭建硬件平臺，根據表1，通過軟件設置激勵頻率為10kHz，進行系統試驗，實測激勵波形如圖7所示，該激勵信號的頻率為10kHz，峰值為11V，得出此時激勵的有效值為11/=7.8V，滿足旋變對激勵信號的要求。通過調整激勵輸出反饋電容的值，可以優化激勵波形。

電機以980rpm的固定速度旋轉時， 其激勵波形如圖7所示，測得的AD1205輸出的相位相差90°的旋變的輸出波形如圖8所示。

4 總結

本系統采用了TMS320F28335控制器為核心，以AD2S1205輸出信號為旋變激勵信號，將旋變輸出信號引入到AD2S1205內部進行解碼，使用磁隔離芯片ADuM14xx，通過SPI接口方式，讀出12位的數字信號量，得到當前的電機角度和速度信號，并成功應用于安凱公司的 HFF6140K07CHEV插電式混合動力客車中，該方案設計簡單實用，省去了大量復雜的數據通訊接口。經實際測試，與旋轉變壓器配合良好，取得了良好的應用效果。

參考文獻

[1]旋轉變壓器原理及其應用[J].電氣時代，2005，（10）：98-99.

[2]薛山，溫旭輝，徐志捷.基于AD2S90的數字旋轉變壓器[J].電工技術雜志，2003（9）：102-104.

[3]儲海燕，許剛.基于AD2S1200的旋轉變壓器解碼電路設計[J].科學與技術工程，2012（20）：5044-5047.

[4]李耀海，胡文艷等.基于AU6802N1的旋轉變壓器信號接口電路設計和應用[J].電子設計應用，2006（02）：11-114.

[5]12-Bit RDC With Reference Oscillator AD2S1205 [Z].Analog Devices Company，2007-2010.

[6]TMS320F28335，TMS320F28334，TMS320F28332 Digital Signal Controllers Data Manual[Z].TI Company，2007.

[7]Evaluation Board for the AD2S1200/AD2S1205 Resolver-to-Digital Converters [Z].Analog Devices Company，2007-2010.

[8]旭輝，張立偉.新型永磁同步電機控制用旋轉變壓器/數字轉換器及其應應用[J].中小型電機，2005，（08）：51-54.

[9]楊波，劉春.高精度旋轉變壓器轉角測量數字轉換電路[J].電測與儀表，2004，（03）：17-18.

作者簡介

吳成加（1971-），男， 安徽省安慶市人。大學本科學歷。現為安徽安凱汽車股份有限公司技術中心新能源汽車研究所研發主管、工程師。研究方向為新能源汽車電控系統及核心零部件研究。

作者單位

安徽安凱汽車股份有限公司技術中心 國家電動客車整車系統集成工程技術研究中心 安徽省合肥市 230051endprint

2.3 外部接口

AD2S1205提供了兩個12位寄存器，用來保存角位置信息和角速度信息；寄存器的數據通過一個SPI接口（SO、CS/ 和SCLK）進行存取，其最高時鐘速率達25MHz。本方案中將 引腳接地，維持在低電平狀態，可選中此串行接口。引腳通過處理器進行控制，當該引腳發生高電平至低電平的狀態轉換后，位置積分器和速度積分器的數據首先通過 引腳分別傳輸到位置寄存器和速度寄存器內。 引腳選擇將位置寄存器內的數據傳輸至輸出寄存器；當 引腳保持低電平時，芯片才能將所選寄存器內的數據傳輸至輸出寄存器。當 輸入出現下降沿時，角位置信息被傳送至輸出緩沖器。數據通過串行輸出引腳SO，在每個時鐘SCLK的上升沿被讀出，選中這個串行接口后，DB11可被用作串行輸出引腳（SO）；DB10可被用作串行時鐘輸入引腳（SCLK）；引腳DB0至DB9進入高阻態。

輸出移位寄存器為16位寬。數據以16位字格式，通過串行時鐘輸入（SCLK）從器件輸出。圖6為這一操作的時序圖。

3 系統測試及應用

系統采用TI公司的TMS320F28335做為控制處理器，TMS320F28335型數字信號處理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM），其浮點運算單元，性能較前代DSP相比提高50%，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數操作上耗費過多的時間和精力，并與定點C28x控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發， 縮短開發周期，降低開發成本。

根據前述AD2S1205外圍電路，激勵調理電路及旋變返回信號調理電路搭建硬件平臺，根據表1，通過軟件設置激勵頻率為10kHz，進行系統試驗，實測激勵波形如圖7所示，該激勵信號的頻率為10kHz，峰值為11V，得出此時激勵的有效值為11/=7.8V，滿足旋變對激勵信號的要求。通過調整激勵輸出反饋電容的值，可以優化激勵波形。

電機以980rpm的固定速度旋轉時， 其激勵波形如圖7所示，測得的AD1205輸出的相位相差90°的旋變的輸出波形如圖8所示。

4 總結

本系統采用了TMS320F28335控制器為核心，以AD2S1205輸出信號為旋變激勵信號，將旋變輸出信號引入到AD2S1205內部進行解碼，使用磁隔離芯片ADuM14xx，通過SPI接口方式，讀出12位的數字信號量，得到當前的電機角度和速度信號，并成功應用于安凱公司的 HFF6140K07CHEV插電式混合動力客車中，該方案設計簡單實用，省去了大量復雜的數據通訊接口。經實際測試，與旋轉變壓器配合良好，取得了良好的應用效果。

參考文獻

[1]旋轉變壓器原理及其應用[J].電氣時代，2005，（10）：98-99.

[2]薛山，溫旭輝，徐志捷.基于AD2S90的數字旋轉變壓器[J].電工技術雜志，2003（9）：102-104.

[3]儲海燕，許剛.基于AD2S1200的旋轉變壓器解碼電路設計[J].科學與技術工程，2012（20）：5044-5047.

[4]李耀海，胡文艷等.基于AU6802N1的旋轉變壓器信號接口電路設計和應用[J].電子設計應用，2006（02）：11-114.

[5]12-Bit RDC With Reference Oscillator AD2S1205 [Z].Analog Devices Company，2007-2010.

[6]TMS320F28335，TMS320F28334，TMS320F28332 Digital Signal Controllers Data Manual[Z].TI Company，2007.

[7]Evaluation Board for the AD2S1200/AD2S1205 Resolver-to-Digital Converters [Z].Analog Devices Company，2007-2010.

[8]旭輝，張立偉.新型永磁同步電機控制用旋轉變壓器/數字轉換器及其應應用[J].中小型電機，2005，（08）：51-54.

[9]楊波，劉春.高精度旋轉變壓器轉角測量數字轉換電路[J].電測與儀表，2004，（03）：17-18.

作者簡介

吳成加（1971-），男， 安徽省安慶市人。大學本科學歷。現為安徽安凱汽車股份有限公司技術中心新能源汽車研究所研發主管、工程師。研究方向為新能源汽車電控系統及核心零部件研究。

作者單位

安徽安凱汽車股份有限公司技術中心 國家電動客車整車系統集成工程技術研究中心 安徽省合肥市 230051endprint