電機驅(qū)動應(yīng)用中旋變接口分立方案拓撲

在電機驅(qū)動應(yīng)用中，通常需要位置、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)，如圖1所示。該環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起到關(guān)鍵性作用?，F(xiàn)如今，市場上存在多種測量位置、轉(zhuǎn)速的傳感技術(shù)，能夠滿足用戶對不同精度應(yīng)用的需求。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器是一種可靠的測量位置、轉(zhuǎn)速傳感器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動和新能源汽車。通過閱讀本文，您可以了解到：什么是旋變，它是如何工作的，旋變的相關(guān)應(yīng)用和目前市場上存在哪些方案。

圖1 電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本框圖

1. 什么是旋轉(zhuǎn)變壓器?

旋轉(zhuǎn)變壓器(Resolver)，簡稱旋變，是一種電磁式傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角位移和角速度。如圖2所示，旋變由定子和轉(zhuǎn)子組成，通常轉(zhuǎn)子固定于電機轉(zhuǎn)軸上，同步旋轉(zhuǎn)。

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器實物圖

2. 旋變是如何工作的?

類比普通變壓器原理，旋轉(zhuǎn)變壓器定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合作用得到感應(yīng)電壓。轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，如圖3所示。對輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計算反正切值，即可得到轉(zhuǎn)子當前的角位移，角位移對時間的微分即為轉(zhuǎn)速。

圖3 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

此外，旋轉(zhuǎn)變壓器要想工作，還少不了圖 4 中的外圍電路的幫助。

為了驅(qū)動旋變，需要升壓芯片和勵磁運放。升壓芯片通常用來為勵磁運放和旋變供電。 勵磁運放用來產(chǎn)生正弦波輸入信號。旋變需要利用該信號產(chǎn)生對應(yīng)的正弦、余弦輸出信號。

旋變的輸出是模擬信號，需要模擬前端（AFE）對信號進行濾波、調(diào)整后，反饋給MCU進行角度的計算。旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）用來將正弦、余弦模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。輸出端可以通過多種通信方式將位移、轉(zhuǎn)速信息傳遞給MCU，如SPI、并行接口、仿真編碼器接口、模擬接口等。最后，系統(tǒng)在傳感器和電子元件之間還需要多種保護和故障檢測功能，如過流保護、過壓保護、短路保護、過熱保護等。

圖 4 旋轉(zhuǎn)變壓器外部電路拓撲

3. 旋變有哪些典型應(yīng)用呢?

由于其內(nèi)部無電子元件，所以旋轉(zhuǎn)變壓器能夠很好地適應(yīng)高溫、粉塵、高速（8000r/m以上）、高震動等工作環(huán)境。這也使旋變比其他傳感器擁有更長的使用壽命。

旋變以上的特性使其成為工業(yè)、汽車應(yīng)用中最理想的傳感器之一，如圖5所示。在工業(yè)應(yīng)用中，旋變廣泛應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)（如電梯）、工業(yè)機器人、交流變頻驅(qū)動、塑壓系統(tǒng)、紡織系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)等。在汽車應(yīng)用中，旋變廣泛應(yīng)用于電動、混合動力汽車的牽引逆變器、暖通空調(diào)系統(tǒng)、起停發(fā)電機和助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。

圖5 旋轉(zhuǎn)變壓器的典型應(yīng)用

4. 現(xiàn)有的旋變解決方案

目前，市場現(xiàn)有的旋變解決方案多為分立式，其拓撲如圖6所示。該方案BOM成本高，占板面積大。同時，分立式設(shè)計需要更長的開發(fā)時間。尤其是新平臺的開發(fā)，需要開發(fā)人員調(diào)試設(shè)計以適應(yīng)不同型號的旋變傳感器。

圖6 現(xiàn)有旋變接口分立方案拓撲

圖7 TI 旋變接口集成方案拓撲

為了簡化設(shè)計，德州儀器 (Texas Instruments) 提供了 PGA411-Q1旋變接口芯片，如圖7所示。PGA411-Q1集成勵磁運放、升壓DC-DC芯片、模擬前端 (AFE)、旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (RDC) 和多種保護、故障診斷功能于一體。使用該芯片，系統(tǒng)即可簡化為三部分：旋變傳感器、PGA411-Q1和MCU。此外，該芯片可為應(yīng)用提供以下優(yōu)勢：

簡化系統(tǒng)：高度集成化降低了整套系統(tǒng)的BOM成本和PCB成本。

節(jié)省開發(fā)時間：縮短開發(fā)周期。工程師無需改變外部電路，只通過修改寄存器即可調(diào)整外部輸出信號。其對不同平臺、不同型號旋變具有兼容性。

符合SafeTI? 標準，保證功能安全：協(xié)助系統(tǒng)通過功能安全標準，最高可滿足ASIL D (ISO26262)。

5. PGA411+C2000 完整解決方案

PGA411-Q1 還可與C2000平臺搭配使用，提供完整的 TI 解決方案。在 PGA411-Q1 的功能安全標準之外，C2000 Delphino 系列同時滿足 ASIL-B 的安全標準。目前 PGA411-Q1 已具有豐富的開發(fā)工具和參考資料。 PGA411-Q1評估板可幫助您快速掌握 PGA411-Q1 的開發(fā)和使用。另外兩款參考設(shè)計：TIDA-00363 針對工業(yè)應(yīng)用，TIDA-00796 針對汽車應(yīng)用。二者對于C2000 評估板LAUNCHXL-F28069M，均具有即插即用的兼容性，以上工具、資料可使開發(fā)更為簡單、便捷。