旋轉變壓器（Resolver）工作原理簡介

 

旋(xuan)轉(zhuan)變(bian)壓(ya)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)電(dian)磁(ci)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)

，又(you)稱(cheng)同(tong)步(bu)分(fen)解(jie)器(qi)。它(ta)是(shi)一(yi)種(zhong)測(ce)量(liang)角(jiao)度(du)用(yong)的(de)小(xiao)型(xing)交(jiao)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)
，用(yong)來(lai)測(ce)量(liang)旋(xuan)轉(zhuan)物(wu)體(ti)的(de)轉(zhuan)軸(zhou)角(jiao)位(wei)移(yi)和(he)角(jiao)速(su)度(du)，由(you)定(ding)子(zi)和(he)轉(zhuan)子(zi)組(zu)成(cheng)。其(qi)中(zhong)定(ding)子(zi)繞(rao)組(zu)作(zuo)為(wei)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)原(yuan)邊(bian)，接(jie)受(shou)勵(li)磁(ci)電(dian)壓(ya)。轉(zhuan)子(zi)繞(rao)組(zu)作(zuo)為(wei)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)副(fu)邊(bian)，通(tong)過(guo)電(dian)磁(ci)耦(ou)合(he)得(de)到(dao)感(gan)應(ying)電(dian)壓(ya)。通(tong)常(chang)副(fu)邊(bian)會(hui)使(shi)用(yong)兩(liang)個(ge)繞(rao)組(zu)線(xian)圈(quan)，互(hu)成(cheng)90°放置在轉子上，如圖1所示
，

 

圖1

 

zaishijideshiyongzhong，zhuanzihuisuitongdianjizuotongzhouxuanzhuan
，jizhuanzidejiaodusuduyijiweizhijiubiaozhengledianjidexiangyingzhuangtai。ruowomenzaidingzishangshijiazhengxianlicixinhaoVR，則該交流能量通過原邊線圈會產生磁通量Φ，則在理想狀況下，該磁通量會在副邊產生感應電壓，VS和VC。則通過法拉第電磁感應定律可得到VS和VC以及角度Θ的關係如下：

 

 

由此我們可知，若可知道施加激勵VR以及得到的響應VS與VC的實時信息，則可根據上述公式得到角度和速度的信息。在知道Resolver的基本工作原理後，為了得到角度、速度信息
，並提供給DSP進行算法參考, 我們需要以下功能電路資源輔助Resolver工作，以實現期待的功能：

 

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

 

Boost升壓電路：將勵磁信號電壓幅度提高。通常Resolver接收的勵磁信號通常有4Vrms

，7Vrms等。同時在應用過程中還需要給係統提供一個共模電壓，因此這就需要對DAC的輸出信號進行一定的放大。

 

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

 

勵磁功率放大電路：將勵磁信號驅動能力放大
，具體驅動能力需要看Resolver的規格。通常需要100mA~300mA。

 

副邊信號調理電路：將轉子感應到的信號VS/VC進行濾波以及調理到ADC可以接受的信號範圍。

 

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

 

RDC（Resolver-to-digital converter）：執行算法，將轉子和定子的輸出和感應的數字信號執行算法，計算出速度和角度信息，並輸出給DSP的CPU進行電機算法參考。

 

可以看出，要實現旋變解碼
，並不是一件容易的事情。TI在汽車和工業電機方案上擁有十分豐富的經驗，並提供多種解決方案。本博文將主要向大家介紹兩種應用較廣的方案。第一個是基於C2000係列DSP的旋變軟件解碼方案，第二個是基於TI PGA411-Q1的高度集成的旋變接口芯片方案。

 

基於C2000的旋變軟件解碼方案

 

圖2展示了基於C2000架構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

，為達到Resolver的驅動電壓，通常需要將勵磁信號進行放大。在電動車應用開發中，通常采用2級架構得到。首先使用一顆12V（低壓鉛蓄電池）轉換成5V的一級電源。然後再利用一顆BOOST升壓電源芯片將5V轉換成15V（7-VRMS Mode）的電源。這裏的選擇也較多，針對本應用並沒有太多的限製。優秀的工程師往往會結合電路中的其他運用與需求，在ti.com中尋找合適的電源芯片。這裏推薦可以使用的一級降壓電源LM63635-Q1
，二級升壓BOOST電源TPS61175-Q1。

 

勵磁放大前級電路：汽車應用EMIhuanjingfuza，weilebaozhenglicigonglvfangdadianlububeiganrao，baochixinhaowanzhengxingbushizhen，bingzengjiayidingdegongmo，gongchengshiwangwangxuyaoliyongyunfangdajianlicifangdaqianjidianlu。zheliduiyunfangdexuanzezhuyaoyaoqiujiaokuandeBandwidth以及較高的開環增益，以確保信號不失真。這裏可推薦使用OPA197係列運放。其具有10-MHz GBW，且OPEN-LOOP GAIN可達143dB，可確保旋變解碼係統的精度要求。

 

勵磁功率放大電路：Resolver的勵磁原邊線圈通常是有很低的DCR(DC resistance通常小於100Ω)

，因此需要有一定的電流輸出能力才可以驅動Resolver
，通常是100-300mA。同時
，為了使Resolver得到更好的精度以及線性度
，在這裏的應用中還需要具備較高的SR（壓擺率Slew Rate）。傳統的解決方案是利用Transistors搭建CLASS AB功放電路
，其電路複雜
，可靠性低，且成本以及性能均差強人意。TI針對工程師在此處的設計痛點，研發出ALM2402F-Q1，這是一顆針對旋變勵磁應用設計的雙路運放。ALM2402F-Q1芯片具有以下特點：

 

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

2. 3.4V/us的SR。可以確保勵磁信號不失真。

3. 內置RF/EMI濾波器。在逆變器這樣的複雜噪聲環境中可以更好的工作。

 

利用ALM2402F-Q1可以大大減少工程師的係統BOM
，提高係統的可靠性。並且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後續還會推出同係列針對Resolver應用的產品，請持續關注ti.com。

 

Resolver 原邊繞組輸入信號
、副邊繞組輸出信號調理方案：如圖3所示，在典型應用中，Resolver的原邊勵磁輸入信號，副邊Sin/Cos繞組的輸出信號，我們都需要采集，並由差分信號轉換成單端信號提供給ADCyizuohouxusuanfadechuli。yincizheyibufenxuyaosuoshiyongdeyunfangjuyouchafenxinhaoshurunengliqieweilehuodegengjingquedemonixinhao，zhelixitongyaoqiuyunfangxuyaojiaodidezengyiwucha（Gain error）以及偏置（offset）。另外需要注意的是，由於汽車電機電磁環境複雜
，為了獲得更佳準確的采樣信息，這裏所使用的運放必須具有較高的CMRR（Common-mode rejection ratio）。工程師可前往ti.com根據自己的應用需求挑選合適的運放。這裏我們推薦使用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微控製器片內集成多達4個12位/16位ADC單元，3路12位DAC
，其中12位ADC最高采樣率達到12.5Msps

，32位C28x DSP核和協處理器CLA都可以用來實現旋變解碼算法。TI C2000集成了十分豐富的資源供開發者使用。任何一個C2000產品都可以實現旋變解碼功能，具體還可以結合所開發電路的其他需求進行選擇。

 

TI離散軟解碼方案具有體積小，成本低，精度高，設計靈活等優勢。TI DSP C2000處理器的強大性能可直接用於電機控製做算法和驅動的實現。針對離散方案的旋變解碼前端設計，TI提供了係統參考設計
，TIDA-01527。機智的工程師可前往ti.com搜索TIDA-01527下載該設計的相關資料。

 

PGA411-Q1旋變接口芯片解碼方案

 

相比於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

，可以極大簡化係統方案設計。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就完成旋變勵磁與解碼的工作，上述離散方案的電源芯片
，運放芯片均不需要。這很大程度上是因為PGA411-Q1針對旋變應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DAC。其中一個就是產生勵磁正弦信號的DAC。該DAC通過寄存器配置
，可設置生成10kHz到20kHz的正弦勵磁信號。另外一顆DAC還可將運算出來的角度信息進行模擬輸出，供工程師調試使用。

 

Boost升壓電路：PGA411-Q1內部集成了一顆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設置調節。4-VRMS的電壓範圍在9.5V-13.5V，7-VRMS的電壓在13.5V-17.5V。

 

勵磁放大前級電路與勵磁功率放大電路: PGA411-Q1內部集成了Exciter Preamplifier and Power Amplifier。具體可參考圖6。利用TI內部集成的Exciter Preamplifier，工程師可以根據實際應用設置勵磁信號的共模電壓，然後提供給PGA411-Q1內部集成的功放模塊進行功率放大。PGA411-Q1內部的Power Amplifier輸出電流的能力最大可達145mA
，可以滿足大部分的Resolver。若工程師發現你們所使用的Resolver需要更大的驅動電流，則建議更換Resolver。不過PGA411-Q1針對無法更換Resolver的應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，隻需要將上述C2000方案中的勵磁功率放大電路的ALM2402F-Q1移植到這裏與ORS連接即可。這樣的組合就將驅動能力提升至400mA。

 

圖6

 

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

 

圖7

 

RDC（resolver-to-digital converter）：PGA411-Q1內置RDC，可對AFE的輸入進行TYPE II PI數字回路補償，並且具有自動偏移校正等功能。並可將運算的結果通過三種格式進行輸出：Parallel, Encoder, SPI。可以滿足市麵上大部分的DSP或者其他處理模塊的接口要求。

 

除此之外，得益於PGA411-Q1的高度集成化
，PGA411-Q1還可對各個功能模塊進行診斷和報錯功能。從圖5中我們可以看出
，PGA411-Q1對AFE，勵磁功放，內部LDO以及BOOST等模塊，都添加了診斷模塊，每個模塊的狀態都可通過內部寄存器讀取。這大大簡化了工程師的外部硬件開發設計。並且PGA411-Q1是按照ISO26262流程開發的器件
，專為功能安全項目定製，可提供完善的功能安全文檔。TI基於PGA411-Q1也有一些係統方案設計可供研發工程師進行參考
，TIDA-07507, TIDA-00796。請點擊ti.com搜索相應的設計代碼下載相關資料。

 

C2000的離散旋變解碼方案
，係統成本更有優勢，方案更加靈活

，可拓展性強。而基於PGA411-Q1的de旋xuan變bian解jie碼ma方fang案an，集ji成cheng度du更geng高gao
，有you豐feng富fu的de診zhen斷duan檢jian測ce和he保bao護hu功gong能neng。不bu少shao優you秀xiu的de工gong程cheng師shi在zai功gong能neng安an全quan項xiang目mu的de設she計ji中zhong，將jiang兩liang種zhong方fang案an同tong時shi使shi用yong
，進jin行xing冗rong餘yu設she計ji。無wu論lun哪na種zhong方fang案an
，TI都提供詳盡的參考資料以及強大的技術支持。請持續關注ti.com。

 

參考文獻：

 

[1] 《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》

 

[2] TIDA-01527: http://www.ti.com/lit/ug/tidudp0/tidudp0.pdf

 

[3] ALM2402F-Q1 datasheet: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/alm2402f-q1.pdf

 

[3] PGA411-Q1 datasheet: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/pga411-q1.pdf

 

 

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