电机驱动应用中旋变接口分立方案拓扑

在电机驱动应用中，通常需要位置、转速反馈环，如图1所示。该环节对系统性能的优劣起到关键性作用。现如今，市场上存在多种测量位置、转速的传感技术，能够满足用户对不同精度应用的需求。其中，旋转变压器是一种可靠的测量位置、转速传感器，广泛应用于工业驱动和新能源汽车。通过阅读本文，您可以了解到：什么是旋变，它是如何工作的，旋变的相关应用和目前市场上存在哪些方案。

图1 电机驱动系统的基本框图

1. 什么是旋转变压器?

旋转变压器(Resolver)，简称旋变，是一种电磁式传感器，用来测量旋转物体的角位移和角速度。如图2所示，旋变由定子和转子组成，通常转子固定于电机转轴上，同步旋转。

图2 旋转变压器实物图

2. 旋变是如何工作的?

类比普通变压器原理，旋转变压器定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合作用得到感应电压。转子绕组输出电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，如图3所示。对输出信号进行模数转换，计算反正切值，即可得到转子当前的角位移，角位移对时间的微分即为转速。

图3  旋转变压器工作原理

此外，旋转变压器要想工作，还少不了图  4 中的外围电路的帮助。

为了驱动旋变，需要升压芯片和励磁运放。升压芯片通常用来为励磁运放和旋变供电。  励磁运放用来产生正弦波输入信号。旋变需要利用该信号产生对应的正弦、余弦输出信号。

旋变的输出是模拟信号，需要模拟前端（AFE）对信号进行滤波、调整后，反馈给MCU进行角度的计算。旋变数字转换器（RDC）用来将正弦、余弦模拟信号转换成数字信号。输出端可以通过多种通信方式将位移、转速信息传递给MCU，如SPI、并行接口、仿真编码器接口、模拟接口等。最后，系统在传感器和电子元件之间还需要多种保护和故障检测功能，如过流保护、过压保护、短路保护、过热保护等。

图 4 旋转变压器外部电路拓扑

3. 旋变有哪些典型应用呢?

由于其内部无电子元件，所以旋转变压器能够很好地适应高温、粉尘、高速（8000r/m以上）、高震动等工作环境。这也使旋变比其他传感器拥有更长的使用寿命。

旋变以上的特性使其成为工业、汽车应用中最理想的传感器之一，如图5所示。在工业应用中，旋变广泛应用于伺服控制系统（如电梯）、工业机器人、交流变频驱动、塑压系统、纺织系统、冶金系统等。在汽车应用中，旋变广泛应用于电动、混合动力汽车的牵引逆变器、暖通空调系统、起停发电机和助力转向系统等。

图5  旋转变压器的典型应用

4. 现有的旋变解决方案

目前，市场现有的旋变解决方案多为分立式，其拓扑如图6所示。该方案BOM成本高，占板面积大。同时，分立式设计需要更长的开发时间。尤其是新平台的开发，需要开发人员调试设计以适应不同型号的旋变传感器。

 

            图6  现有旋变接口分立方案拓扑          

图7 TI 旋变接口集成方案拓扑

为了简化设计，德州仪器 (Texas Instruments) 提供了 PGA411-Q1旋变接口芯片，如图7所示。PGA411-Q1集成励磁运放、升压DC-DC芯片、模拟前端 (AFE)、旋变数字转换器 (RDC) 和多种保护、故障诊断功能于一体。使用该芯片，系统即可简化为三部分：旋变传感器、PGA411-Q1和MCU。此外，该芯片可为应用提供以下优势：

简化系统：高度集成化降低了整套系统的BOM成本和PCB成本。

节省开发时间：缩短开发周期。工程师无需改变外部电路，只通过修改寄存器即可调整外部输出信号。其对不同平台、不同型号旋变具有兼容性。

符合SafeTI™ 标准，保证功能安全：协助系统通过功能安全标准，最高可满足ASIL D (ISO26262)。

5. PGA411+C2000 完整解决方案

PGA411-Q1 还可与C2000平台搭配使用，提供完整的 TI 解决方案。在 PGA411-Q1 的功能安全标准之外，C2000 Delphino 系列同时满足 ASIL-B 的安全标准。目前 PGA411-Q1 已具有丰富的开发工具和参考资料。 PGA411-Q1评估板可帮助您快速掌握 PGA411-Q1 的开发和使用。另外两款参考设计：TIDA-00363 针对工业应用，TIDA-00796 针对汽车应用。二者对于C2000 评估板LAUNCHXL-F28069M，均具有即插即用的兼容性，以上工具、资料可使开发更为简单、便捷。