TI旋變接口為工業(yè)驅(qū)動(dòng)和新能源汽車提供集成優(yōu)勢(shì)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起到關(guān)鍵性作用。現(xiàn)如今，市場(chǎng)上存在多種測(cè)量位置、轉(zhuǎn)速的傳感技術(shù)，能夠滿足用戶對(duì)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(cè)量位置、轉(zhuǎn)速傳感器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)上存在哪些方案。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)稱旋變，是一種電磁式傳感器，用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角位移和角速度。旋變由定子和轉(zhuǎn)子組成，通常轉(zhuǎn)子固定于電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，同步旋轉(zhuǎn)。

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(lì)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(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算反正切值，即可得到轉(zhuǎn)子當(dāng)前的角位移，角位移對(duì)時(shí)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(dòng)旋變，需要升壓芯片和勵(lì)磁運(yùn)放。升壓芯片通常用來為勵(lì)磁運(yùn)放和旋變供電。 勵(lì)磁運(yùn)放用來產(chǎn)生正弦波輸入信號(hào)。旋變需要利用該信號(hào)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的正弦、余弦輸出信號(hào)。

旋變的輸出是模擬信號(hào)，需要模擬前端（AFE）對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、調(diào)整后，反饋給MCU進(jìn)行角度的計(jì)算。旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）用來將正弦、余弦模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。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(hù)和故障檢測(cè)功能，如過流保護(hù)、過壓保護(hù)、短路保護(hù)、過熱保護(hù)等。

圖 4 旋轉(zhuǎn)變壓器外部電路拓?fù)?/p>

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(dòng)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(jī)器人、交流變頻驅(qū)動(dòng)、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(dòng)、混合動(dòng)力汽車的牽引逆變器、暖通空調(diào)系統(tǒng)、起停發(fā)電機(jī)和助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。

4. 現(xiàn)有的旋變解決方案

目前，市場(chǎng)現(xiàn)有的旋變解決方案多為分立式，其拓?fù)淙鐖D6所示。該方案BOM成本高，占板面積大。同時(shí)，分立式設(shè)計(jì)需要更長的開發(fā)時(shí)間。尤其是新平臺(tái)的開發(fā)，需要開發(fā)人員調(diào)試設(shè)計(jì)以適應(yīng)不同型號(hào)的旋變傳感器。

圖6 現(xiàn)有旋變接口分立方案拓?fù)?/p>

圖7 TI 旋變接口集成方案拓?fù)?/p>

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，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(lì)磁運(yùn)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(hù)、故障診斷功能于一體。使用該芯片，系統(tǒng)即可簡(jiǎn)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(shì)：

簡(jiǎn)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(shí)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(hào)。其對(duì)不同平臺(tái)、不同型號(hào)旋變具有兼容性。

符合SafeTI? 標(biāo)準(zhǔn)，保證功能安全：協(xié)助系統(tǒng)通過功能安全標(biāo)準(zhǔn)，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(tái)搭配使用，提供完整的 TI 解決方案。在 PGA411-Q1 的功能安全標(biāo)準(zhǔn)之外，C2000 Delphino 系列同時(shí)滿足 ASIL-B 的安全標(biāo)準(zhǔn)。目前 PGA411-Q1 已具有豐富的開發(fā)工具和參考資料。 PGA411-Q1評(píng)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(jì)：TIDA-00363 針對(duì)工業(yè)應(yīng)用，TIDA-00796 針對(duì)汽車應(yīng)用。二者對(duì)于C2000 評(píng)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(jiǎn)單、便捷。

審核編輯：郭婷