0 引言

    永磁同步電機是一種反電動勢為正弦波的直流無刷電機，多被應用到控制精度要求較高的場合^[1]。該類型電機沒有電刷，避免了有刷電機維護周期短、故障率高和電磁干擾等缺陷^[2]。但是，為實現正常換向和轉速控制，永磁同步電機需要轉子位置傳感器獲取電機轉子的位置信息和轉速信息^[3]。

    常用轉子的位置傳感器有光電編碼器、霍爾型位置傳感器和旋轉變壓器3種^[4]。其中，旋轉變壓器有著抗震性強、精度高、耐高溫、耐濕度和壽命長等優點^[5]，適用于汽車等工作環境差的場所。但是，旋轉變壓器輸出的是模擬信號，主控芯片不能直接讀取轉子位置信息，需設計解碼電路將模擬信號轉換為數字信號。因此，本文基于專用旋變解碼芯片AD2S1205設計了一種旋變解碼系統，并通過實驗驗證該系統的軟硬件性能。

1 磁阻式旋變工作原理

    磁阻式旋變主要由定子和轉子構成，其中旋變定子繞有勵磁輸入繞組和兩相輸出繞組，旋變轉子由特定形狀的鐵芯構成，與電機輸出軸同軸連接，不繞線圈，定子和轉子不直接接觸^[6]。旋變工作時，勵磁線圈通以固定頻率的正弦電壓，由于旋變轉子的凸極效應，兩相輸出繞組的電壓幅值隨轉子位置的變化而變化，并且兩相輸出繞組電壓相位相差90°^[7]。通過旋變解碼系統解碼兩相輸出繞組的電壓，便可得到此時電機轉子的位置信息。

    磁阻式旋變的電氣結構示意圖如圖1所示，其中，勵磁繞組輸入電壓與兩相輸出繞組電壓有以下數學關系。

    勵磁繞組輸入電壓為：

其中，E為勵磁繞組輸入電壓幅值，f為勵磁繞組輸入電壓頻率。

    兩相輸出繞組電壓分別為：

其中，K為輸出電壓的增益系數，θ為轉子轉過的電角度。

    兩相輸出繞組電壓分別是與轉子位置有關的正弦函數和余弦函數，解碼系統采集輸出繞組的電壓，通過解碼計算，便可以獲得電機轉角的位置信息。

2 硬件設計

    本設計中電子電路硬件以AD公司的專用解碼芯片AD2S1205為核心，外圍電路主要包括旋變勵磁電路、旋變輸出信號調理電路以及解碼系統與單片機的通信接口電路和電源電路。

2.1 AD2S1205工作原理

    AD2S1205是一款分辨率為12位的專用旋變解碼芯片，內部結構包括可編程正弦波發生器、Type II跟蹤環路、錯誤檢測電路和數據接口4個單元，內部結構原理圖如圖2所示。利用頻率選擇引腳(FS1和FS2引腳)，可以輕松地將激勵頻率設置為10 kHz、12 kHz、15 kHz或20 kHz，本設計中正弦波激勵頻率為10 kHz。AD2S1205采用Type II跟蹤環路跟蹤正余弦輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉換為輸入角位置或角速度所對應的數字量，最大跟蹤速率為1 250 rps。

    Type II跟蹤閉環具體原理如下，AD2S1205產生的輸出角(φ)反饋并與輸入角(θ，電機電角度)進行比較，藉此來跟蹤軸角(θ)；兩個角度之間的差異即誤差，如果轉換器正確跟蹤輸入角則該值趨于0。為了測量誤差，將S₁-S₃乘以sinφ，并將S₂-S₄與cosφ相乘。

    KE·(θ-φ)是轉子的角誤差與轉換器的數字角輸出之間的差值，依靠解碼芯片內部閉環系統可以將誤差信號歸零。當該目標得以實現時，φ等于旋轉角θ，實現角度跟蹤。

2.2 外圍電路

    為向旋變勵磁繞組提供高頻穩定的正弦波激勵，并使旋變輸出的正余弦信號滿足解碼芯片的輸入需求，同時保證解碼芯片輸出到單片機的角位置/角速度信號有足夠的驅動能力，設計了AD2S1205最小系統的外圍電路。如圖3所示，該外圍電路主要由勵磁電路、信號調理電路和信號驅動電路構成。

    勵磁電路的設計需考慮AD2S1205對勵磁繞組的驅動強度，并且兼顧正弦激勵信號的增益大小，同時還必須對驅動芯片輸出信號進行一定的濾波除噪處理。如圖4所示，EXC與為AD2S1205勵磁信號的輸出引腳，勵磁信號為中心電壓為2.5 V，峰值電壓為3.6 V的正弦波信號，兩引腳將產生峰值電壓為7.2 V的差分信號。本設計中旋變變比為0.286，若勵磁電路為單位增益，則旋變輸出到解碼芯片的正余弦信號峰值僅為2 V，滿足不了解碼芯片的輸入電壓要求(輸入端允許電壓3.15 V±27%)，因此選用雙功率運算放大器TCA0372DM對勵磁信號進行放大處理。

    實際中電機角位移/角速度與旋變輸出信號并不成理想的正余弦關系，信號中會有噪聲干擾和共模干擾，因此不可以將旋變輸出端與AD2S1205輸入端COS、COSLO、SIN、SINLO直接相連，中間需設計信號調理電路。如圖5所示，旋變輸出信號經COSLOIN、COSIN、SINLOIN、SININ輸入至信號調理電路，經濾波除噪后輸出至解碼芯片端口。 

3 軟件設計 

    為精確讀取并顯示旋變的角位置信息，兼顧電機角速度的計算，以MCS12DG128單片機為平臺設計了旋變解碼系統軟件。軟件設計具體包括單片機初始化、軟件濾波、角位置信息計算、角速度信息計算和CAN通信等部分。

    如圖6所示，程序開始時首先對單片機進行初始化設置，將總線頻率設置為32 MHz，12路I/O口設置成輸入模式，定時器中斷周期設為1 ms。AD2S1205解碼所得角位置信號經12路并行端口輸入至單片機I/O口，經計算處理后得到0～2π范圍內的電角度。為獲得平穩精確的電角度信息，設計了中值濾波算法，對電角度信號進行軟件濾波處理，根據濾波后的電角度信息確定電機的換相時序。如圖7所示，在計算角位置的同時，由AD2S1205解碼所得角位置信息計算電機轉速，并進行中位值濾波處理。

4 試驗

4.1 試驗平臺

    在試驗平臺設計中，所用到的設備主要有：直流開關電源、MCS12DG128開發板、永磁同步電機（帶磁阻式旋變）、電機驅動板、AutoBox和上位機。如圖8所示，開關電源開啟后，開發板由旋變解碼板獲得電機的電角度信息，并根據電角度信息輸出六路PWM信號，控制電機驅動板換相，進而驅動電機運轉。

4.2 試驗結果分析

    試驗開始1 s后給電機驅動板通電，PWM占空比固定為0.1、頻率20 kHz，電機以固定轉速運轉。圖9給出了電機電角度變化，由于電機逆時針旋轉，電角度由6.28～0范圍內循環變化；電角度受電機脈動、硬件噪聲等干擾，并不是斜率不變的直線。圖10表明電機轉速在1 s時刻由0 r/min迅速上升，約經0.3 s后穩定在460 r/min左右波動。試驗結果表明，所設計的旋變解碼系統能夠有效地驅動電機，且能實時輸出電機的轉速信息。

5 結論

    本文分析了磁阻式旋變的工作原理，并基于解碼芯片AD2S1205設計了旋變解碼系統，最后進行試驗測試。測試結果表明所設計的旋變解碼系統可以為電機運轉提供電角度信號，且可以實時計算轉速信息，滿足電機運轉需求。

參考文獻

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[4] 國明宇.A4平臺C-EPS永磁無刷電機設計[D].沈陽：沈陽工業大學，2015.

[5] 周亞明.一種新型磁阻式旋轉變壓器及其解碼電路的研究與設計[D].長沙：湖南大學，2013.

[6] 朱賢輝.磁阻式旋轉變壓器的工作原理及其應用[J].江蘇科技信息，2017(25)：35-36.

[7] 周凱，焦文良，王志宏，等.磁阻式旋轉變壓器繞組結構分析[J].信息技術，2013(1)：61-65.

作者信息:

李育龍，皮大偉，閆明帥

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京210094)