永磁同步电机是一种反电动势为正弦波的直流无刷电机，多被运用到掌握精度哀求较高的场合[1]。该类型电机没有电刷，避免了有刷电机掩护周期短、故障率高和电磁滋扰等毛病[2]。但是，为实现正常换向和转速掌握，永磁同步电机须要转子位置传感器获取电机转子的位置信息和转速信息[3]。
常用转子的位置传感器有光电编码器、霍尔型位置传感器和旋转变压器3种[4]。个中，旋转变压器有着抗震性强、精度高、耐高温、耐湿度和寿命长等优点[5]，适用于汽车等事情环境差的场所。但是，旋转变压器输出的是仿照旗子暗记，主控芯片不能直接读取转子位置信息，需设计解码电路将仿照旗子暗记转换为数字旗子暗记。因此，本文基于专用旋变解码芯片AD2S1205设计了一种旋变解码系统，并通过实验验证该系统的软硬件性能。
磁阻式旋变紧张由定子和转子构成，个中旋变定子绕有励磁输入绕组和两相输出绕组，旋变转子由特定形状的铁芯构成，与电机输出轴同轴连接，不绕线圈，定子和转子不直接打仗[6]。旋变事情时，励磁线圈通以固定频率的正弦电压，由于旋变转子的凸极效应，两相输出绕组的电压幅值随转子位置的变革而变革，并且两相输出绕组电压相位相差90°[7]。通过旋变解码系统解码两相输出绕组的电压，便可得到此时电机转子的位置信息。
磁阻式旋变的电气构造示意图如图1所示，个中，励磁绕组输入电压与两相输出绕组电压有以下数学关系。
励磁绕组输入电压为：
个中，E为励磁绕组输入电压幅值，f为励磁绕组输入电压频率。
两相输出绕组电压分别为：
个中，K为输出电压的增益系数，θ为转子转过的电角度。
两相输出绕组电压分别是与转子位置有关的正弦函数和余弦函数，解码系统采集输出绕组的电压，通过解码打算，便可以得到电机转角的位置信息。
2 硬件设计
本设计中电子电路硬件以AD公司的专用解码芯片AD2S1205为核心，外围电路紧张包括旋变励磁电路、旋变输出旗子暗记调理电路以及解码系统与单片机的通信接口电路和电源电路。
2.1 AD2S1205事情事理
AD2S1205是一款分辨率为12位的专用旋变解码芯片，内部构造包括可编程正弦波发生器、Type II跟踪环路、缺点检测电路和数据接口4个单元，内部构造事理图如图2所示。利用频率选择引脚(FS1和FS2引脚)，可以轻松地将勉励频率设置为10 kHz、12 kHz、15 kHz或20 kHz，本设计中正弦波勉励频率为10 kHz。AD2S1205采取Type II跟踪环路跟踪正余弦输入旗子暗记，并将正弦和余弦输入真个信息转换为输入角位置或角速率所对应的数字量，最大跟踪速率为1 250 rps。
Type II跟踪闭环详细事理如下，AD2S1205产生的输出角(φ)反馈并与输入角(θ，电机电角度)进行比较，藉此来跟踪轴角(θ)；两个角度之间的差异即偏差，如果转换器精确跟踪输入角则该值趋于0。为了丈量偏差，将S1-S3乘以sinφ，并将S2-S4与cosφ相乘。
KE·(θ-φ)是转子的角偏差与转换器的数字角输出之间的差值，依赖解码芯片内部闭环系统可以将偏差旗子暗记归零。当该目标得以实现时，φ即是旋转角θ，实现角度跟踪。
2.2 外围电路
为向旋变励磁绕组供应高频稳定的正弦波勉励，并使旋变输出的正余弦旗子暗记知足解码芯片的输入需求，同时担保解码芯片输出到单片机的角位置/角速率旗子暗记有足够的驱动能力，设计了AD2S1205最小系统的外围电路。如图3所示，该外围电路紧张由励磁电路、旗子暗记调理电路和旗子暗记驱动电路构成。
励磁电路的设计需考虑AD2S1205对励磁绕组的驱动强度，并且兼顾正弦勉励旗子暗记的增益大小，同时还必须对驱动芯片输出旗子暗记进行一定的滤波除噪处理。如图4所示，EXC与为AD2S1205励磁旗子暗记的输出引脚，励磁旗子暗记为中央电压为2.5 V，峰值电压为3.6 V的正弦波旗子暗记，两引脚将产生峰值电压为7.2 V的差分旗子暗记。本设计中旋变变比为0.286，若励磁电路为单位增益，则旋变输出到解码芯片的正余弦旗子暗记峰值仅为2 V，知足不理解码芯片的输入电压哀求(输入端许可电压3.15 V±27%)，因此选用双功率运算放大器TCA0372DM对励磁旗子暗记进行放大处理。
实际中电机角位移/角速率与旋变输出旗子暗记并不成空想的正余弦关系，旗子暗记中会有噪声滋扰和共模滋扰，因此不可以将旋变输出端与AD2S1205输入端COS、COSLO、SIN、SINLO直接相连，中间需设计旗子暗记调理电路。如图5所示，旋变输出旗子暗记经COSLOIN、COSIN、SINLOIN、SININ输入至旗子暗记调理电路，经滤波除噪后输出至解码芯片端口。
3 软件设计
为精确读取并显示旋变的角位置信息，兼顾电机角速率的打算，以MCS12DG128单片机为平台设计了旋变解码系统软件。软件设计详细包括单片机初始化、软件滤波、角位置信息打算、角速率信息打算和CAN通信等部分。
如图6所示，程序开始时首先对单片机进行初始化设置，将总线频率设置为32 MHz，12路I/O口设置成输入模式，定时器中断周期设为1 ms。AD2S1205解码所得角位置旗子暗记经12路并行端口输入至单片机I/O口，经打算处理后得到0～2π范围内的电角度。为得到平稳精确的电角度信息，设计了中值滤波算法，对电角度旗子暗记进行软件滤波处理，根据滤波后的电角度信息确定电机的换相时序。如图7所示，在打算角位置的同时，由AD2S1205解码所得角位置信息打算电机转速，并进行中位值滤波处理。
4 试验
4.1 试验平台
在试验平台设计中，所用到的设备紧张有：直流开关电源、MCS12DG128开拓板、永磁同步电机（带磁阻式旋变）、电机驱动板、AutoBox和上位机。如图8所示，开关电源开启后，开拓板由旋变解码板得到电机的电角度信息，并根据电角度信息输出六路PWM旗子暗记，掌握电机驱动板换相，进而驱动电机运转。
4.2 试验结果剖析
试验开始1 s后给电机驱动板通电，PWM占空比固定为0.1、频率20 kHz，电机以固定转速运转。图9给出了电机电角度变革，由于电机逆时针旋转，电角度由6.28～0范围内循环变革；电角度受电机脉动、硬件噪声等滋扰，并不是斜率不变的直线。图10表明电机转速在1 s时候由0 r/min迅速上升，约经0.3 s后稳定在460 r/min旁边颠簸。试验结果表明，所设计的旋变解码系统能够有效地驱动电机，且能实时输出电机的转速信息。
5 结论
本文剖析了磁阻式旋变的事情事理，并基于解码芯片AD2S1205设计了旋变解码系统，最后进行试验测试。测试结果表明所设计的旋变解码系统可以为电机运转供应电角度旗子暗记，且可以实时打算转速信息，知足电机运转需求。
参考文献
[1] 梅雷.基于旋转变压器获取PMSM驱动系统位置和转速[D].合肥：合肥工业大学，2013.
[2] 陈久闪.EPS系统永磁同步电机转矩脉动抑制研究[D].合肥：合肥工业大学，2016.
[3] 陈守宇.基于永磁同步电机的EPS掌握策略设计与试验研究[D].合肥：合肥工业大学，2014.
[4] 国明宇.A4平台C-EPS永磁无刷电机设计[D].沈阳：沈阳工业大学，2015.
[5] 周亚明.一种新型磁阻式旋转变压器及其解码电路的研究与设计[D].长沙：湖南大学，2013.
[6] 朱贤辉.磁阻式旋转变压器的事情事理及其运用[J].江苏科技信息，2017(25)：35-36.
[7] 周凯，焦文良，王志宏，等.磁阻式旋转变压器绕组构造剖析[J].信息技能，2013(1)：61-65.
作者信息:
李育龙，皮大伟，闫明帅
(南京理工大学 机器工程学院，江苏 南京210094)
