李占坤

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋變信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李占坤

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 210210）

隨著汽車產(chǎn)業(yè)“新四化”的提出，作為其基礎(chǔ)的電動(dòng)化已成為汽車領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)，而電動(dòng)化汽車的核心部件驅(qū)動(dòng)電機(jī)是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。文章主要針對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置檢測(cè)為研究對(duì)象，利用旋轉(zhuǎn)變壓器及解碼芯片AD2S1210和英飛凌控制芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置實(shí)時(shí)檢測(cè)和采集。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)方案具有高可靠性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。

電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；旋變信號(hào)；AD2S1210；GPT12

電動(dòng)化汽車的發(fā)展要求對(duì)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置檢測(cè)越加嚴(yán)格。加之電動(dòng)化汽車不同于普通的消費(fèi)電子產(chǎn)品，用于汽車電機(jī)的位置檢測(cè)傳感器要求可以在惡劣的工況條件下使用，不僅要求具有耐沖擊、耐振動(dòng)、耐高溫和抗干擾等，而且還要保證性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、速度響應(yīng)快、適用轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)。相比于光柵編碼器和霍爾傳感器等產(chǎn)品，旋轉(zhuǎn)變壓器更加符合電動(dòng)汽車的工況要求和性能要求。

本系統(tǒng)中采用AD2S1210實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)進(jìn)行處理，利用英飛凌TC2XX芯片的通用定時(shí)單元12（General Purpose Timer 12, GPT12）模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速工況的位置實(shí)時(shí)采集。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理和解碼芯片AD2S1210

旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，因?yàn)樵跈C(jī)電控制系統(tǒng)中需要將其產(chǎn)生的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，該功能可通過旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD2S1210實(shí)現(xiàn)。

1.1 旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器基于電磁耦合原理設(shè)計(jì)，輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化[1]，主要由初級(jí)勵(lì)磁繞組（R1- R2）和兩相正交次級(jí)感應(yīng)繞組（S1-S2, S3-S4）兩部分組成。初級(jí)繞組和次級(jí)繞組均位于定子上。一般旋轉(zhuǎn)變壓器電氣原理如圖1所示。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子隨電子同步旋轉(zhuǎn)、初級(jí)勵(lì)磁繞組外加勵(lì)磁信號(hào)后，次級(jí)兩輸出繞組中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，大小為勵(lì)磁與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角的乘積。輸出電壓的計(jì)算公式為

E1-S3=0sin?sin（1）

E2-S4=0sin?cos（2）

式中，為轉(zhuǎn)子電角位置；sin為轉(zhuǎn)子激勵(lì)頻率；0為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁信號(hào)幅度。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器電氣原理圖

1.2 AD2S1210

AD2S1210為美國(guó)德州儀器公司推出的一款10位至16位分辨率旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器[2-3]，可為旋轉(zhuǎn)變壓器提供可編程激勵(lì)頻率，具有串行通信和并行通訊方式，TypeII跟蹤環(huán)路能夠連續(xù)輸出位置數(shù)據(jù)且沒有轉(zhuǎn)換延遲，提供增量式編碼器仿真輸出。圖2為AD2S1210功能框圖。

AD2S1210將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正余弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出[4]。對(duì)于轉(zhuǎn)子角度進(jìn)行跟蹤采用的原理是反饋角通過轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，并比較輸入角和反饋角。做以下公式變換：

圖2 AD2S1210功能框圖

差值化簡(jiǎn)化處理后可得

?=0sin?sin(-) （5）

當(dāng)sin(-)逐漸趨于零，即(-)=0時(shí)，誤差信號(hào)為零，即AD2S1210的輸出角度為旋轉(zhuǎn)變壓器的實(shí)際轉(zhuǎn)子角度。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置采集方案設(shè)計(jì)

使用英飛凌TC2XX處理器作為控制芯片，完成對(duì)采集到的信號(hào)處理以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為解決在高速條件下AD2S1210串口通信無法準(zhǔn)確采集電機(jī)位置的問題，利用AD2S1210的增量式編碼器仿真器功能和TC2XX的GPT12模塊完成在高速模式下的位置檢測(cè)。

2.1 AD2S1210串行模式位置檢測(cè)

圖3為主控芯片與AD2S1210連接示意圖，TC2XX通過讀控制信號(hào)、寫控制信號(hào)、復(fù)位控制信號(hào)RESET和采樣控制信號(hào)SAMPLE來控制AD2S1210的工作。

圖3 主控芯片與AD2S1210連接示意圖

AD2S1210在配置模式和普通模式下均可以進(jìn)行位置信息檢測(cè)，通過對(duì)A0和A1輸入進(jìn)行設(shè)置實(shí)現(xiàn)。表1為A0和A1輸入的工作模式設(shè)置。

表1 A0和A1輸入的工作模式設(shè)置

輸入信號(hào)工作模式 A0A1 00普通模式–位置輸出 01普通模式–速度輸出 10Reserve 11配置模式

在普通工作模式下，輸出信號(hào)的分辨率通過RES0和RES1輸入設(shè)置實(shí)現(xiàn)。表2為RES0和RES1輸入分辨率設(shè)置。

AD2S1210與TC2XX的通訊既可以采用并行模式，又可以采用串行模式，本系統(tǒng)中僅研究串行通訊模式。DB13為串行時(shí)鐘輸入SCLK，所有數(shù)據(jù)傳輸均相對(duì)于該SCLK信號(hào)進(jìn)行。DB14為串行數(shù)據(jù)輸入（Serial Data Input, SDI），用于將數(shù)據(jù)傳輸至片內(nèi)寄存器中。DB15為串行數(shù)據(jù)輸出（Serial Data Output, SDO），用于從片內(nèi)寄存器獲取位置數(shù)據(jù)。WR/FSYNC用于幀同步數(shù)據(jù)。SOE處于低電平，串行口使能。

表2 RES0和RES1輸入的分辨率設(shè)置

輸入信號(hào)分辨率（位） RES0RES1 0010 0112 1014 1116

在普通模式下從AD2S1210讀取位置數(shù)據(jù)。首先利用SAMPLE輸入更新位置寄存器存儲(chǔ)的信息，串行接口讀取時(shí)序如圖4所示。

綜上分析，使用串口通信模式時(shí)，本方案采用普通工作模式下輸出分辨率為12位，勵(lì)磁頻率為10 kHz的位置檢測(cè)。

2.2 GPT12增量式編碼器位置檢測(cè)

在低速通信模式下，串口通信完全可以滿足實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)性的要求。但是在高速模式下，串口通信占用指令周期長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差，無法滿足高速電機(jī)的系統(tǒng)要求[5]。并行通信雖然可以滿足，但是所需引腳較多，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，因?yàn)楸痉桨钢胁捎肁D2S1210輸出的ABZ信號(hào)，利用增量式編碼器仿真通信輸出，使用TC2XX中GPT12實(shí)現(xiàn)高速狀態(tài)的位置檢測(cè)。

TC2XX的GPT12包括5個(gè)16位定時(shí)器，分到兩個(gè)定時(shí)器通用定時(shí)單元1（General Purpose Timer 1, GPT1）和通用定時(shí)單元2（General Purpose Timer 2, GPT2）中。

本方案中A、B信號(hào)連接GPT12的T2定時(shí)器，選擇增量編碼模式，輸入模式選擇A、B上下邊沿全檢測(cè)，利用A、B信號(hào)的超前波形特征來實(shí)現(xiàn)方向的檢測(cè)和控制。NM信號(hào)連接GPT12的T4定時(shí)器，選擇捕獲模式，在上升沿時(shí)進(jìn)入中斷，完成T2定時(shí)器清零和串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface, SPI）模式與ABZ模式的切換。圖5為選擇增量編碼模式下定時(shí)器T2的模塊框圖，TxIN連接AD2S1210的A信號(hào)，TxEUD連接B信號(hào)。

圖4 串行接口讀取時(shí)序

圖5 增量編碼模式T2定時(shí)器框圖

AD2S1210輸入到TC2XX中的A、B信號(hào)，通過T2獲取其脈沖數(shù)，即可獲得電機(jī)的位置信息。A、B信號(hào)的計(jì)數(shù)信號(hào)如圖6所示。

采用12位分辨率，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈將產(chǎn)生4 096個(gè)A、B脈沖。角旋轉(zhuǎn)不斷增大時(shí)（正轉(zhuǎn)，即順時(shí)針方向），脈沖A超前于脈沖B。當(dāng)絕對(duì)位置經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)，即產(chǎn)生路標(biāo)脈沖，該狀態(tài)下，定時(shí)器T4進(jìn)入中斷，清除T2計(jì)數(shù)值。A、B和NM信號(hào)之間的關(guān)系如圖7所示。

圖6 A、B信號(hào)的計(jì)數(shù)信號(hào)

圖7 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的A、B和NM時(shí)序

2.3 系統(tǒng)搭建

通過上述分析，實(shí)現(xiàn)了利用AD2S1210的串行通訊在低速模式的位置檢測(cè)，利用增量編碼器仿真接口和GPT12在高速狀態(tài)下的位置檢測(cè)。其中高速閾值為標(biāo)定值，保存在非易失內(nèi)存區(qū)域，可動(dòng)態(tài)標(biāo)定。初始狀態(tài)下，使用串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface, SPI）進(jìn)行位置檢測(cè)。圖8為本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程，其中系統(tǒng)啟動(dòng)過程包括微控制器單元（Micro Controller Unit, MCU），模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（Analog to Digital Conversion, ADC），脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM），捕獲比較單元6（Capture Compare Unit 6, CCU6）等模塊初始化。

圖8 軟件設(shè)計(jì)流程

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

搭建電機(jī)測(cè)試環(huán)境，使用Labview搭建上位機(jī)顯示界面。測(cè)試電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和位置獲取數(shù)據(jù)。圖9為通過控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）通信發(fā)送到上位機(jī)的電機(jī)位置信息，位置信息通過10 ms CAN報(bào)文發(fā)送。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高速狀態(tài)下，利用AD2S1210的增量編碼仿真器輸出與GPT12獲得的位置信息連續(xù)性好，沒有因外界干擾而出現(xiàn)信號(hào)丟失或中斷現(xiàn)象，在絕對(duì)位置經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)，位置數(shù)據(jù)歸零。綜上所述，該方案能夠很好地完成對(duì)電機(jī)位置的精確檢測(cè)且穩(wěn)定性好。

圖9 上位機(jī)電機(jī)位置信息軟件設(shè)計(jì)流程

4 結(jié)論及展望

本文針對(duì)電動(dòng)化汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置進(jìn)行采集，通過設(shè)計(jì)基于AD2S1210的串行通訊和增量式編碼器仿真輸出與GPT12的兩種位置檢測(cè)方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案具有良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)高低速切換時(shí)信號(hào)偏差消除策略以及位置檢測(cè)的精度和速度檢測(cè)進(jìn)行研究。

[1] 王識(shí)君,朱紀(jì)洪,和衛(wèi)星,等.AD2S1210在伺服電機(jī)控 制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].信息技術(shù),2015(7):102-105.

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Design of Real-time Acquisition System for Rotation Signal of Electric Vehicles Driving Motor

LI Zhankun

( Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 210210, China )

With the automobile industry "new four modernizations" proposed, electrification has become an inevitable trend in the field of automobile development, and the drive motor, the core component of the electric vehicle, is the focus and difficulty of the research. The position detection of electric vehicles driving motor is studied, real-time detection and acquisition of driving motor position are realized by resolver and decoder chip AD2S1210 and Infineon control chip. Experi- ments show that the system has high reliability and real-time characteristics.

Electric vehicles; Driving motor; Rotation signal; AD2S1210; GPT12

TP368.2

A

1671-7988(2023)11-22-06

李占坤（1983－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榍度胧狡囯娮榆浖_發(fā)，包括操作系統(tǒng)、診斷刷新等基礎(chǔ)軟件技術(shù)應(yīng)用，E-mail:lzk2015@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.004