电动汽车驱动电机旋变信号实时采集系统设计

李占坤

电动汽车驱动电机旋变信号实时采集系统设计

李占坤

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 210210）

随着汽车产业“新四化”的提出，作为其基础的电动化已成为汽车领域发展的必然趋势，而电动化汽车的核心部件驱动电机是研究的重点和难点。文章主要针对电动汽车驱动电机的位置检测为研究对象，利用旋转变压器及解码芯片AD2S1210和英飞凌控制芯片实现驱动电机的位置实时检测和采集。实验表明，该系统方案具有高可靠性和实时性的特点。

电动汽车；驱动电机；旋变信号；AD2S1210；GPT12

电动化汽车的发展要求对汽车驱动电机的位置检测越加严格。加之电动化汽车不同于普通的消费电子产品，用于汽车电机的位置检测传感器要求可以在恶劣的工况条件下使用，不仅要求具有耐冲击、耐振动、耐高温和抗干扰等，而且还要保证性能稳定、实时性好、速度响应快、适用转速高等特点。相比于光栅编码器和霍尔传感器等产品，旋转变压器更加符合电动汽车的工况要求和性能要求。

本系统中采用AD2S1210实现对旋转变压器信号进行处理，利用英飞凌TC2XX芯片的通用定时单元12（General Purpose Timer 12, GPT12）模块实现对驱动电机高速工况的位置实时采集。

1 旋转变压器工作原理和解码芯片AD2S1210

旋转变压器输出的信号为模拟信号，因为在机电控制系统中需要将其产生的模拟信号转换为控制系统能够识别的数字信号，该功能可通过旋变-数字转换芯片AD2S1210实现。

1.1 旋转变压器

旋转变压器基于电磁耦合原理设计，输出电压随转子转角变化[1]，主要由初级励磁绕组（R1- R2）和两相正交次级感应绕组（S1-S2, S3-S4）两部分组成。初级绕组和次级绕组均位于定子上。一般旋转变压器电气原理如图1所示。

当旋转变压器转子随电子同步旋转、初级励磁绕组外加励磁信号后，次级两输出绕组中便会产生感应电动势，大小为励磁与转子旋转角的乘积。输出电压的计算公式为

E1-S3=0sin∙sin（1）

E2-S4=0sin∙cos（2）

式中，为转子电角位置；sin为转子激励频率；0为转子励磁信号幅度。

图1 旋转变压器电气原理图

1.2 AD2S1210

AD2S1210为美国德州仪器公司推出的一款10位至16位分辨率旋变数字转换器[2-3]，可为旋转变压器提供可编程激励频率，具有串行通信和并行通讯方式，TypeII跟踪环路能够连续输出位置数据且没有转换延迟，提供增量式编码器仿真输出。图2为AD2S1210功能框图。

AD2S1210将旋转变压器输出的正余弦信号转换为数字输出[4]。对于转子角度进行跟踪采用的原理是反馈角通过转换器产生，并比较输入角和反馈角。做以下公式变换：

图2 AD2S1210功能框图

差值化简化处理后可得

∆=0sin∙sin(-) （5）

当sin(-)逐渐趋于零，即(-)=0时，误差信号为零，即AD2S1210的输出角度为旋转变压器的实际转子角度。

2 驱动电机位置采集方案设计

使用英飞凌TC2XX处理器作为控制芯片，完成对采集到的信号处理以驱动电机。为解决在高速条件下AD2S1210串口通信无法准确采集电机位置的问题，利用AD2S1210的增量式编码器仿真器功能和TC2XX的GPT12模块完成在高速模式下的位置检测。

2.1 AD2S1210串行模式位置检测

图3为主控芯片与AD2S1210连接示意图，TC2XX通过读控制信号、写控制信号、复位控制信号RESET和采样控制信号SAMPLE来控制AD2S1210的工作。

图3 主控芯片与AD2S1210连接示意图

AD2S1210在配置模式和普通模式下均可以进行位置信息检测，通过对A0和A1输入进行设置实现。表1为A0和A1输入的工作模式设置。

表1 A0和A1输入的工作模式设置

输入信号工作模式 A0A1 00普通模式–位置输出 01普通模式–速度输出 10Reserve 11配置模式

在普通工作模式下，输出信号的分辨率通过RES0和RES1输入设置实现。表2为RES0和RES1输入分辨率设置。

AD2S1210与TC2XX的通讯既可以采用并行模式，又可以采用串行模式，本系统中仅研究串行通讯模式。DB13为串行时钟输入SCLK，所有数据传输均相对于该SCLK信号进行。DB14为串行数据输入（Serial Data Input, SDI），用于将数据传输至片内寄存器中。DB15为串行数据输出（Serial Data Output, SDO），用于从片内寄存器获取位置数据。WR/FSYNC用于帧同步数据。SOE处于低电平，串行口使能。

表2 RES0和RES1输入的分辨率设置

输入信号分辨率（位） RES0RES1 0010 0112 1014 1116

在普通模式下从AD2S1210读取位置数据。首先利用SAMPLE输入更新位置寄存器存储的信息，串行接口读取时序如图4所示。

综上分析，使用串口通信模式时，本方案采用普通工作模式下输出分辨率为12位，励磁频率为10 kHz的位置检测。

2.2 GPT12增量式编码器位置检测

在低速通信模式下，串口通信完全可以满足实时性和精准性的要求。但是在高速模式下，串口通信占用指令周期长，实时性差，无法满足高速电机的系统要求[5]。并行通信虽然可以满足，但是所需引脚较多，设计较为复杂，因为本方案中采用AD2S1210输出的ABZ信号，利用增量式编码器仿真通信输出，使用TC2XX中GPT12实现高速状态的位置检测。

TC2XX的GPT12包括5个16位定时器，分到两个定时器通用定时单元1（General Purpose Timer 1, GPT1）和通用定时单元2（General Purpose Timer 2, GPT2）中。

本方案中A、B信号连接GPT12的T2定时器，选择增量编码模式，输入模式选择A、B上下边沿全检测，利用A、B信号的超前波形特征来实现方向的检测和控制。NM信号连接GPT12的T4定时器，选择捕获模式，在上升沿时进入中断，完成T2定时器清零和串行外设接口（Serial Peripheral Interface, SPI）模式与ABZ模式的切换。图5为选择增量编码模式下定时器T2的模块框图，TxIN连接AD2S1210的A信号，TxEUD连接B信号。

图4 串行接口读取时序

图5 增量编码模式T2定时器框图

AD2S1210输入到TC2XX中的A、B信号，通过T2获取其脉冲数，即可获得电机的位置信息。A、B信号的计数信号如图6所示。

采用12位分辨率，电机转动一圈将产生4 096个A、B脉冲。角旋转不断增大时（正转，即顺时针方向），脉冲A超前于脉冲B。当绝对位置经过零点时，即产生路标脉冲，该状态下，定时器T4进入中断，清除T2计数值。A、B和NM信号之间的关系如图7所示。

图6 A、B信号的计数信号

图7 顺时针旋转的A、B和NM时序

2.3 系统搭建

通过上述分析，实现了利用AD2S1210的串行通讯在低速模式的位置检测，利用增量编码器仿真接口和GPT12在高速状态下的位置检测。其中高速阈值为标定值，保存在非易失内存区域，可动态标定。初始状态下，使用串行外设接口（Serial Peripheral Interface, SPI）进行位置检测。图8为本系统软件设计流程，其中系统启动过程包括微控制器单元（Micro Controller Unit, MCU），模数转换模块（Analog to Digital Conversion, ADC），脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM），捕获比较单元6（Capture Compare Unit 6, CCU6）等模块初始化。

图8 软件设计流程

3 实验验证及结果分析

搭建电机测试环境，使用Labview搭建上位机显示界面。测试电机的运转状态和位置获取数据。图9为通过控制器局域网（Controller Area Network, CAN）通信发送到上位机的电机位置信息，位置信息通过10 ms CAN报文发送。

实验结果表明，在高速状态下，利用AD2S1210的增量编码仿真器输出与GPT12获得的位置信息连续性好，没有因外界干扰而出现信号丢失或中断现象，在绝对位置经过零点时，位置数据归零。综上所述，该方案能够很好地完成对电机位置的精确检测且稳定性好。

图9 上位机电机位置信息软件设计流程

4 结论及展望

本文针对电动化汽车驱动电机的位置进行采集，通过设计基于AD2S1210的串行通讯和增量式编码器仿真输出与GPT12的两种位置检测方案，并进行实验验证和分析，实验验证了该方案具有良好的实时性和稳定性。后续将进一步对高低速切换时信号偏差消除策略以及位置检测的精度和速度检测进行研究。

[1] 王识君,朱纪洪,和卫星,等.AD2S1210在伺服电机控 制系统中的应用[J].信息技术,2015(7):102-105.

[2] 陈梦民,王艳.基于AD2S1210的旋转变压器解码系统设计[J].电子设计工程,2018,26(3):121-122.

[3] 李兵,胡亮灯.基于旋转变压器的PMSM位置和速度检测方法[J].微特电机,2019,47(3):40-43.

[4] 莫会成,闵琳.现代高性能永磁交流伺服系统综述:传感装置与技术篇[J].电工技术学报,2015,30(6):10-21.

[5] 谢瑞,王旭东,周凯,等.基于TC1782的永磁同步电机直接转矩控制[J].哈尔滨理工大学学报,2018,23(1): 75-80.

Design of Real-time Acquisition System for Rotation Signal of Electric Vehicles Driving Motor

LI Zhankun

( Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 210210, China )

With the automobile industry "new four modernizations" proposed, electrification has become an inevitable trend in the field of automobile development, and the drive motor, the core component of the electric vehicle, is the focus and difficulty of the research. The position detection of electric vehicles driving motor is studied, real-time detection and acquisition of driving motor position are realized by resolver and decoder chip AD2S1210 and Infineon control chip. Experi- ments show that the system has high reliability and real-time characteristics.

Electric vehicles; Driving motor; Rotation signal; AD2S1210; GPT12

TP368.2

A

1671-7988(2023)11-22-06

李占坤（1983－），男，硕士，工程师，研究方向为嵌入式汽车电子软件开发，包括操作系统、诊断刷新等基础软件技术应用，E-mail:lzk2015@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.004