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旋转变压器的工作原理及设计指导

2021-10-13 07:22

  正在工信部公布的《新能源汽车家当发达谋划(2021-2035 年)》(搜集观点稿)中提出,到 2025 年,新能源汽车新车销量占比到达 25%驾驭,智能网联汽车新车销量占比到达 30%,高度主动驾驶智能网联汽车达成局限区域和特定场景贸易化使用。新能源汽车闭键以电能为动力源,通过电动机驱动行驶。为了得回更好的驾驶体验,工程师往往需求理解电机现在的角度处所以及速率讯息,正在算法上供应相应扭矩和功率。汽车使用驾驶情况庞大,旋改动压器(Resolver)是常被选拔运用正在这个使用场景的传感器。

  旋改动压器是一种电磁式传感器,又称同步阐明器。它是一种丈量角度用的小型换取电动机,用来丈量挽回物体的转轴角位移和角速率,由定子和转子构成。个中定子绕组动作变压器的原边,承担励磁电压。转子绕组动作变压器的副边,通过电磁耦合取得感想电压。通俗副边会运用两个绕组线°安置正在转子上,如图 1 所示,

  正在本质的运用中,转子会奉陪电机做同轴挽回,即转子的角度速率以及处所就外征了电机的相应状况。若咱们正在定子上施加正弦励磁信号 VR,则该换取能量通过原边线圈会发作磁通量Φ,则正在理念处境下,该磁通量会正在副边发作感想电压,VS 和 VC。则通过法拉第电磁感想定律可取得 VS 和 VC 以及角度Θ的闭连如下:

  由此咱们可知,若可理解施加慰勉 VR 以及取得的反响 VS 与 VC 的及时讯息,则可遵照上述公式取得角度和速率的讯息。正在理解 Resolver 的基础作事道理后,为了取得角度、速率讯息,并供应给 DSP 举行算法参考, 咱们需求以下成效电途资源辅助 Resolver 作事,以达成期望的成效:

  Boost 升压电途:将励磁信号电压幅度升高。通俗 Resolver 采纳的励磁信号通俗有 4Vrms,7Vrms 等。同时正在使用历程中还需求给编制供应一个共模电压,以是这就需求对 DAC 的输出信号举行肯定的放大。

  励磁放大前级电途:正在对 DAC 输出的励磁信号举行功率放大前,往往需求行使运放搭修电途对 DAC 的输出举行滤波以及施加共模电压。

  励磁功率放大电途:将励磁信号驱动才气放大,整个驱动才气需求看 Resolver 的规格。通俗需求 100mA~300mA。

  副边信号调整电途:将转子感想到的信号 VS/VC 举行滤波以及调整到 ADC 能够承担的信号周围。

  RDC(Resolver-to-digital converter):履行算法,将转子和定子的输出和感想的数字信号履行算法,准备出速率和角度讯息,并输出给 DSP 的 CPU 举行电机算法参考。

  能够看出,要达成旋变解码,并不是一件容易的事件。TI 正在汽车和工业电机计划上具有至极雄厚的体验,并供应众种治理计划。本博文将闭键向行家先容两种使用较广的计划。第一个是基于 C2000 系列 DSP 的旋变软件解码计划,第二个是基于 TI PGA411-Q1 的高度集成的旋变接口芯片计划。

  Boost 升压电途:如前文所说,为到达 Resolver 的驱动电压,通俗需求将励磁信号举行放大。正在电动车使用开荒中,通俗采用 2 级架构取得。最初运用一颗 12V(低压铅蓄电池)转换成 5V 的一级电源。然后再行使一颗 BOOST 升压电源芯片将 5V 转换成 15V(7-VRMS Mode)的电源。这里的选拔也较众,针对本使用并没有太众的限定。卓越的工程师往往会连系电途中的其他行使与需求,正在中寻找适合的电源芯片。这里推选能够运用的一级降压电源 LM63635-Q1 ,二级升压 BOOST 电源 TPS61175-Q1 。

  励磁放大前级电途:汽车使用 EMI 情况庞大,为了保障励磁功率放大电途不被搅扰,连结信号完好性不失真,并推广肯定的共模,工程师往往需求行使运放搭修励磁放大前级电途。这里对运放的选拔闭键央求较宽的 Bandwidth 以及较高的开环增益,以确保信号不失真。这里可推选运用 OPA197 系列运放。其具有 10-MHz GBW,且 OPEN-LOOP GAIN 可达 143dB,可确保旋变解码编制的精度央求。

  励磁功率放大电途:Resolver 的励磁原边线圈通俗是有很低的 DCR(DC resistance 通俗小于 100Ω),以是需求有肯定的电流输出才气才气够驱动 Resolver,通俗是 100-300mA。同时,为了使 Resolver 取得更好的精度以及线性度,正在这里的使用中还需求具备较高的 SR(压摆率 Slew Rate)。守旧的治理计划是行使 Transistors 搭修 CLASS AB 功放电途,其电途庞大,牢靠性低,且本钱以及机能均差铁汉意。TI 针对工程师正在此处的安排痛点,研发出 ALM2402F-Q1 ,这是一颗针对旋变励磁使用安排的双途运放。ALM2402F-Q1 芯片具有以下特色:

  相当高的电流输出才气,最大可助助 400mA 的陆续电流输出。一律餍足百般 resolver 的需求。

  内置 RF/EMI 滤波器。正在逆变器如许的庞大噪声情况中能够更好的作事。

  Resolver 原边绕组输入信号、副边绕组输出信号调整计划:如图 3 所示,正在模范使用中,Resolver 的原边励磁输入信号,副边 Sin/Cos 绕组的输出信号,咱们都需求采撷,并由差分信号转换成单端信号供应给 ADC 以做后续算法的处置。以是这一局限需求所运用的运放具有差分信号输入才气且为了得回更无误的模仿信号,这里编制央求运放需求较低的增益差错(Gain error)以及偏置(offset)。此外需求提防的是,因为汽车电机电磁情况庞大,为了得回更佳确凿的采样讯息,这里所运用的运放务必具有较高的 CMRR(Common-mode rejection ratio)。工程师可前去 遵照自身的使用需求挑选适合的运放。这里咱们推选运用 TLVx197-Q1, TLC2272-Q1 。

  ADC, DAC&RDC: TI C2000 集成了至极雄厚的资源供开荒者运用。上述所提到的需求运用的资源囊括,3 途 ADC 一起 DAC,以及 RDC。本例中运用 TI C2000 TMS320F28069 。TI C2000 微职掌器片内集成众达 4 个 12 位 /16 位 ADC 单位,3 途 12 位 DAC,个中 12 位 ADC 最高采样率到达 12.5Msps,32 位 C28x DSP 核和协处置器 CLA 都能够用来达成旋变解码算法。TI C2000 集成了至极雄厚的资源供开荒者运用。任何一个 C2000 产物都能够达成旋变解码成效,整个还能够连系所开荒电途的其他需求举行选拔。

  TI 离散软解码计划具有体积小,本钱低,精度高,安排乖巧等上风。TI DSP C2000 处置器的强健机能可直接用于电机职掌做算法和驱动的达成。针对离散计划的旋变解码前端安排,TI 供应了编制参考安排,TIDA-01527 。聪明的工程师可前去搜刮 TIDA-01527 下载该安排的干系原料。

  比拟于上述的软解码离散计划,TI 还供应集成度更高的旋变解码计划,能够极大简化编制计划安排。这便是运用 TI 旋变接口芯片 PGA411-Q1 。如下框图映现了运用 TI PGA411-Q1 的旋变解码计划。

  能够看到正在 MCU 和 Resolver 之间,仅用了一颗 PGA411-Q1 就竣事旋变励磁与解码的作事,上述离散计划的电源芯片,运放芯片均不需求。这很大水准上是由于 PGA411-Q1 针对旋变使用的需求做了高度的集成。让咱们一同来看一下 PGA411-Q1 所集成具有的内部资源,如图 5 所示:

  DAC 电途:从框图中咱们能够看出 PGA411-Q1 具有两个 DAC。个中一个便是发作励磁正弦信号的 DAC。该 DAC 通过寄存器摆设,可设立天生 10kHz 到 20kHz 的正弦励磁信号。此外一颗 DAC 还可将运算出来的角度讯息举行模仿输出,供工程师调试运用。

  除此除外,得益于 PGA411-Q1 的高度集成化,PGA411-Q1 还可对各个成效模块举行诊断和报错成效。从图 5 中咱们能够看出,PGA411-Q1 对 AFE,励磁功放,内部 LDO 以及 BOOST 等模块,都增加了诊断模块,每个模块的状况都可通过内部寄存器读取。这大大简化了工程师的外部硬件开荒安排。而且 PGA411-Q1 是遵照 ISO26262 流程开荒的器件,专为成效平和项目定制,可供应完好的成效平和文档。TI 基于 PGA411-Q1 也有少许编制计划安排可供研发工程师举行参考,TIDA-07507, TIDA-00796 。请点击搜刮相应的安排代码下载干系原料。

  C2000 的离散旋变解码计划,编制本钱更有上风,计划越发乖巧,可拓展性强。而基于 PGA411-Q1 的旋变解码计划,集成度更高,有雄厚的诊断检测和护卫成效。不少卓越的工程师正在成效平和项目标安排中,将两种计划同时运用,举行冗余安排。

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  旋改动压器作事道理:因为旋改动压器正在组织上保障了其定子和转子(挽回一周)之间气氛间隙内磁通散布适合正弦次序,以是,当激磁电压加到定子绕组时,通过电磁耦合,转子绕组便发作感想电势。图4-3为南北极旋改动压器电气作事道理图。图中Z为阻抗。设加正在定子绕组S1S2的激磁电压为 遵照电磁学道理,转子绕组B1B2中的感想电势则为 由式(4—4)和(4—5)可睹,旋改动压器转子绕组中的感想电势Vb与定子绕组中的激磁电压同频率,但相位分别,其差值为。而角恰是被测位移,故通过较量感想电势Vb与定子激磁电压信号的相位,便可求出。正在图4—4中,转子绕组A1A2接一高阻抗,它不动作旋改动压器的丈量输出,闭键起平均磁场的效率,目标是为了升高

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