電機(jī)位置傳感器的軟件解碼與硬件解碼方法

關(guān)于電機(jī)位置傳感器的話題，下面兩個(gè)問題常被問起，在此稍作整理：

什么是“硬件解碼”？

什么是“軟件解碼”？

旋變位置傳感器存在6根引線接頭，分別為：輸入（勵(lì)磁+，勵(lì)磁-）,輸出（正弦+，正弦-，余弦+和余弦-）。

我們介紹的旋轉(zhuǎn)變壓器的計(jì)算公式，可知：

勵(lì)磁輸入：Ve=Esin(ωt)

正玄輸出：V1=K* Esin(ωt)*sinθ

余玄輸出：V2=K* Esin(ωt)*cosθ

其中，θ為旋變轉(zhuǎn)子角度；ω為勵(lì)磁載波頻率；E為勵(lì)磁輸入峰值電壓；K為轉(zhuǎn)換比例。

圖1. 旋轉(zhuǎn)變壓器各信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.旋變“硬件解碼”: 旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片RDC

常規(guī)的解碼方案是采用旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片RDC與旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器直接相連，如圖2所示，在硬件上將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)（正弦、余弦信號(hào)）進(jìn)行解碼，得出旋變轉(zhuǎn)子的角位置信號(hào)和速度信號(hào)，此方案通熟地稱為“硬件解碼”。常用RDC芯片有AD2S90、AD2S1200、AU6802/ZSZ/XSZ-014等。

圖2. 旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片RDC解碼架構(gòu)

旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)在RDC芯片內(nèi)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)值：位置信息，并通過計(jì)算特定時(shí)間窗口內(nèi)的脈沖數(shù)來確定速度。RDC解碼過程如圖2所示，振蕩器產(chǎn)生勵(lì)磁電壓（約8kHZ，10Vrms）供電給旋轉(zhuǎn)變壓器位置傳感器，而旋變輸出正、余弦信號(hào)在RDC芯片內(nèi)經(jīng)過余弦乘法器和正弦乘法器以及一個(gè)比較器后可得：

△V=K* E*sin(ω*t)*sinθ*cosβ- K* E*sin(ω*t)*cosθ*sinβ

    簡(jiǎn)化后可知：

 △V=K* E*sin(ω*t)*sin(θ-β)

   其中，β為計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的角度；

△V再進(jìn)入同步整流器與勵(lì)磁信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，去除載波頻率ω，所得差值電壓信號(hào)與sin(θ-β)成正比例，即：

△V’=A* sin(θ-β)

△V’再進(jìn)入積分器，當(dāng)θ與β角度存在差值，積分器將輸出一個(gè)DC電壓信號(hào)，并輸入電壓控制振蕩器VCO而產(chǎn)生脈沖信號(hào)，最后進(jìn)入向上/向下計(jì)算器。由正/余弦乘法器、同步整流器、積分器、電壓控制振蕩器、計(jì)算器和D/A轉(zhuǎn)換器形成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，類似于鎖相環(huán)PPL。當(dāng)θ與β角度的差值為0時(shí)，則計(jì)數(shù)器的數(shù)字值對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)變壓器位置傳感器輸出的角度模擬量，就此RDC芯片解碼完成。

在旋轉(zhuǎn)變壓器的連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中VCO產(chǎn)生脈沖，直到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)于輸入時(shí)轉(zhuǎn)子角度的模擬值，即旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子角度的偏移量，同時(shí)，電壓控制振蕩器的頻率與旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，因此積分器的輸出電壓可以作為速度信號(hào)輸出。

**2. ****旋變“軟件解碼”: **數(shù)字信號(hào)處理與軟件技術(shù)

當(dāng)前新能源汽車電驅(qū)動(dòng)旋變解碼大都采用CPU處理器、FPGA/CPLD與軟件技術(shù)相結(jié)合的方式，相比于旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片RDC解碼，主要基于以下幾點(diǎn)來考慮：

• 滿足功能安全需求ASIC；

• 降低成本，取消RDC芯片；

• 消除了速度的滯后效應(yīng)，采用數(shù)字濾波器，用軟件實(shí)現(xiàn)帶寬的變換，以折中帶寬和分辨率的關(guān)系，并使帶寬作為速度的函數(shù)；

• 提高了抗環(huán)境噪聲的能力；

  下面將以一種基于滿足功能安全需求的數(shù)字處理器旋變軟件解碼架構(gòu)為例來介紹旋變“軟件解碼”，如圖3所示。旋變輸出sin+/-、cos+/-信號(hào)經(jīng)過“比較器”處理得到單端sin/cos信號(hào)，進(jìn)入低通濾波，再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換分別送入FPGA和CPU。
  FPGA會(huì)產(chǎn)生旋變的勵(lì)磁電壓信號(hào)，并處理sin/cos信號(hào)來計(jì)算轉(zhuǎn)子的角度和速度；同時(shí)，CPU也會(huì)處理sin/cos信號(hào)計(jì)算出轉(zhuǎn)子角度和速度，并與FPGA計(jì)算結(jié)果做校驗(yàn)，另外，CPU還會(huì)監(jiān)控FPGA對(duì)旋變的輸入/輸出信號(hào)的處理過程。

圖3.數(shù)字處理器旋變軟件解碼架構(gòu)

利用Luenberger 觀測(cè)器計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角度如圖4所示：

圖4.Luenberger 觀測(cè)器計(jì)算角度

圖5.Luenberge觀測(cè)器計(jì)算角度的信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過反正切算法計(jì)算出轉(zhuǎn)子角度，如圖6所示，用于對(duì)比校驗(yàn)Luenberger 觀測(cè)器所計(jì)算出的轉(zhuǎn)子位置角度。