1.引言

隨著永磁同步電機在工業、農業、航天等各領域的廣泛應用，永磁同步電機在電動汽車驅動系統領域也得到同步發展。眾所周知，永磁同步電機的穩定可靠運行，需要安裝位置傳感器來檢測位置信號。因旋轉變壓器（簡稱旋變）通過與相應的解碼芯片配合即可對電機轉子位置進行檢測，所以旋變作為較為可靠的絕對位置傳感器被廣泛采用。目前很多專家學者開始研究旋變位置解碼系統，隨著旋變及其解碼芯片技術的不斷發展，旋變的可靠性更高，解碼電路也更加緊湊。本文采用當前最新一代可變磁阻旋變和與之配合的解碼芯片AD2S1205，設計了相應的旋變位置解碼系統，并通過測試系統驗證了系統的可靠性。

2.旋變工作原理

旋變的通常配置是初級繞組位于轉子上，兩個二次繞組位于定子上。本系統采用的可變磁阻旋變的轉子上則不存在繞組，如圖1所示，初級繞組和二次繞組均位于定子上，轉子的這種特殊設計可使得次級耦合隨著角位置變化而發生正弦變化。

無論何種配置，旋變正弦繞組的輸出電壓是S1-S3，余弦繞組的輸出電壓是S2-S4，如（1）式和（2）式所示。其中：θ為軸角，ω為轉子激勵角頻率，E0為轉子激勵幅度。

可變磁阻旋變初級繞組采用交流基準源激勵，兩個次級繞組機械上交叉90°。定子二次繞組上耦合出的電壓幅度是轉子相對于定子角位置θ的函數，旋變輸出信號如圖2所示。

轉換器跟蹤軸角θ的原理為，轉換器產生輸出角φ，然后反饋φ以與輸入角θ相比較。當轉換器正確跟蹤輸入角度時，二者之間的誤差將被驅動至0。為了測量誤差，將（1）式乘以cosφ，（2）式乘以sinφ，其差值為：

當角度誤差（θ-φ）的值很小時，（4）式即近似等于0E（θ-φ）。AD2S1205具備一個由相位敏感解調器、積分器和補償濾波器形成的閉環系統，可力求使誤差信號歸零。當該目標實現時，在轉換器的額定精度范圍內，輸出角φ即等于旋變角度θ。

3.硬件電路設計

硬件電路的設計是圍繞AD公司的解碼芯片AD2S1205展開的。首先，該芯片是一款完整的12位分辨率跟蹤分解器數字轉換器，內置可編程正弦波振蕩器，為旋變提供正弦波激勵，工作頻率范圍為8.192MHz±25%。該芯片采用Type II跟蹤環路，可用于跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉換為角度和速率所對應的數字量，其最大跟蹤速率是外部時鐘頻率的函數。Type II跟蹤環路能夠連續輸出位置數據，且沒有轉換延遲，它還能提供噪聲抑制，以及參考和輸入信號的諧波失真容限。

圖3為旋變解碼電路原理圖。首先由AD2S1205解碼芯片產生差分正弦勵磁信號，經過運放放大、跟隨后，通過推挽的方式輸出到電機旋變。電機旋變返回的差分信號S1-S3、S2-S4，經IC26運算后送AD2S1205進行處理。SINLO和COSLO同時接入到REFOUT的目的是增強信號的穩定性，信號放大倍數為1.5。

針對故障檢測，芯片內部有相關的故障檢測功能，其相關故障的優先等級和故障碼如表1所示。

電平轉換芯片采用74ALVCH164245，此芯片把旋變信號轉為3.3V后送單片機，其電路如圖4所示。

4.軟件設計

4.1 復位時序

圖5為AD2S1205復位驅動時序。

當AD2S1205的電源電壓小于4.5V時，AD2S1205處于低電壓復位狀態，LOT/DOS同時為低電平指示，系統復位無信號。當電源電壓超過4.5V以后，RESET管腳需保持有效電平至少10μs以上，使得AD2S1205芯片復位。在復位無效后，AD2S1205需要至少20ms時間，使得內部電路能夠穩定工作，并且追蹤電路能夠穩定追蹤輸入角度。經過20ms的穩定工作時間后，SAMPLE有效并且保持一段時間，復位軟件流程如圖6所示。

4.2 并口數據讀取時序

圖7為通過并行接口讀取AD2S1205數據的驅動時序。并口數據讀取時序從SAMPLE有效開始，SAMPLE必須保持264ns有效時間，鎖存內部角度/速度數據至角度/速度寄存器中，然后在SAMPLE有效后750ns，MCU才能控制CS管腳有效，使鎖存允許，并采用RD的下降沿鎖存角度/速度寄存器中的一項數值內容至數據管腳（并口模式）。RDVEL決定鎖存角度寄存器還是速度寄存器，所以在RD下降沿的前5ns和后7ns，RDVEL必須保持穩定不變。在RD下降沿，延時12ns后，即可從并口讀取角度數據或者速度數據。

5.實驗結果

實驗測試系統由測試驅動板，旋變和拖動電機組成，如圖8所示。拖動電機旋轉帶動旋變運行于不同的轉動角度和轉動速度上，由解碼電路輸出勵磁信號，驅動旋變，同時接收反饋的正、余弦信號，解析旋變的轉動角度和轉動速度。通過使用仿真器，在初始化函數的前后設置斷點控制函數調試過程，并觀察函數運行結果是否正確。通過示波器，觀察函數運行后相關管腳上的驅動時序是否正確，并觀測RESET/SAMPLE/LOT/DOS管腳。在初始化執行過程中，需參照復位時序觀察MCU控制的RESET和SAMPLE管腳是否在對應時間送出對應電平或者脈沖，需觀察如果系統硬件連接正常，DOS/LOT管腳是否在初始化后輸出高電平指示，或者如果系統硬件連接不正常（比如旋變接線斷路），DOS/LOT管腳是否在初始化后輸出對應故障信號。

圖9為AD2S1205的初始化函數調用時的總圖。

框a為開始調用初始化函數的時間點位置，在這個時間點，RESET管腳送出15μs的復位有效低電平脈沖，同時置高SAMPLE/CS_RD兩路管腳為無效高電平。框b為結束初始化函數的時間點位置，在這個時間點，SAMPLE送出400ns采樣有效低電平脈沖，然后讀取DOS/LOT狀態供應用層使用。初始化函數整體時間為30ms，即RESET復位結束到SAMPLE有效讀取DOS/LOT狀態的延時時間為30ms。讀取位置測試程序每100μs調用一次角度函數和速度函數，測試結果如圖10所示。

圖10中SAMPLE有效時間為427ns；SAMPLE無效時間至讀取角度/速度延時為750ns；RDVEL管腳選擇讀取角度/速度的延時為90ns；CS_RD有效時間為480ns，基本反映出從CS_RD下降沿至讀取角度/速度的延時時間，CS_RD無效至下一次讀取時間為200ns。

因此，測試所得AD2S1205的讀取角度函數，與其驅動時序符合。測試所得AD2S1205的讀取速度函數，與其驅動時序符合。通過仿真器驗證，測試程序讀取得到的角度值和速度值，也均符合預期。

6.結論

本文基于旋變及其解碼芯片的原理和特點，提出了一種旋變位置解碼系統的設計方案。試驗結果表明，本方案的硬件和軟件設計均滿足電機位置解碼要求，并且時序正確。