基于TC1782的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置冗余檢測設(shè)計(jì)與研究

王春杰，袁宋偉，王文白，李洲

（1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300384）

基于TC1782的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置冗余檢測設(shè)計(jì)與研究

王春杰1，袁宋偉1，王文白2，李洲1

（1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300384）

為滿足汽車安全功能規(guī)范ISO26262對控制系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)要求，介紹了一種適用于永磁同步電機(jī)（PMSM）的高性能轉(zhuǎn)子位置冗余設(shè)計(jì)方法。該方法在基于TC1782和旋轉(zhuǎn)變壓器及其數(shù)字解碼芯片AD2S1200的基礎(chǔ)上，冗余設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置解碼算法，以確保旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的可行性。

永磁同步電機(jī)；AD2S1200；旋轉(zhuǎn)變壓器；TC1782；冗余檢測

在電機(jī)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置是十分重要的反饋參數(shù)，尤其是在永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置及其轉(zhuǎn)速信息直接關(guān)系到電機(jī)啟動(dòng)和控制精度。目前主要采用光電傳感器、霍爾傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器測量轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。由于旋轉(zhuǎn)變壓器相對光電傳感器和霍爾傳感器，具有精度高，適用范圍廣，抗沖擊，抗油污等優(yōu)勢［1-2］，因此旋轉(zhuǎn)變壓器在電動(dòng)汽車中應(yīng)用更為廣泛。通常用專用旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正余弦模擬信號(hào)解碼成轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的數(shù)字信號(hào)。雖然通過這種途徑可以得到精確的轉(zhuǎn)子信息，但不能滿足汽車安全功能規(guī)范ISO26262對控制系統(tǒng)冗余性設(shè)計(jì)的嚴(yán)格要求，因此本文提出了一種Infineon DSP TC1782中編寫解碼算法的冗余方案。該軟件算法解碼的轉(zhuǎn)子信息可以確保旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，在不增加顯性成本的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

目前，基于旋轉(zhuǎn)變壓器的軟件解碼算法主要有反三角函數(shù)法、鎖相環(huán)角度跟蹤法和基于勵(lì)磁信號(hào)及采樣保持的角度估算法。其中，反三角函數(shù)法是將處理后的旋轉(zhuǎn)變壓器正、余弦信號(hào)相除后求正切得到角度信息，然后通過角度值進(jìn)行微分運(yùn)算得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，這種方法占用CPU資源多且抗干擾能力差［3］。鎖相環(huán)角度跟蹤法雖然分辨精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但在電機(jī)快速加速或減速時(shí)測量誤差很大［4］。基于勵(lì)磁信號(hào)及采樣保持的角度估算法對旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行比較處理后，采樣保持電路輸出與轉(zhuǎn)子位置成正比的電壓信號(hào)，即角度估算值。這種方法容易實(shí)現(xiàn)，但是精度差，而且無法直接得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速［5］。基于以上軟件解碼算法的缺陷，本文提出一種基于軟件角度觀測器的解碼算法，該算法采用閉環(huán)控制方式，在DSP的強(qiáng)大計(jì)算能力支持下，能夠快速、精確計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和速度，并且抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。

1　旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

文中選用日本TAMAGAWA的TS2225N13E102正余弦無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器，其工作原理如圖1所示。

圖1　旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖

R1、R2為勵(lì)磁繞組，S1-S3、S2-S4是兩套相互垂直的定子輸出繞組。工作時(shí)，在R1，R2兩端輸入高頻交流電壓勵(lì)磁信號(hào)，在旋轉(zhuǎn)變壓器氣隙產(chǎn)生脈振磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，脈振磁場也隨之旋轉(zhuǎn)，從而在定子繞組感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的脈振電勢，大小為勵(lì)磁電壓與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度的正余弦值得乘積，其輸入輸出關(guān)系如式（1）、（2）和（3），波形圖見圖2。

式中：E0為勵(lì)磁信號(hào)幅值；K為旋轉(zhuǎn)變壓器變比；ω為勵(lì)磁信號(hào)角頻率；θ為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角。

圖2　旋轉(zhuǎn)變壓器輸入輸出波形

由圖2可以看出，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角θ的變化，1）旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦繞組（S1-S3）和余弦繞組（S2-S4）的輸出是調(diào)幅波，該調(diào)幅波以同頻同相的勵(lì)磁電壓作為載波信號(hào)，以正弦波和余弦波作為調(diào)制信號(hào)。2）正弦繞組輸出的波形和余弦繞組輸出的波形相位同相或反相，兩者包絡(luò)線相位相差90°。

2AD2S1200工作原理及接口電路設(shè)計(jì)

AD2S1200集成片上可編程正弦波振蕩器，5V單電源供電，同時(shí)具有串行通訊接口和并行輸出接口，勵(lì)磁頻率為10kHz、12kHz、15kHz、20kHz可編程。該芯片所需外圍電路簡單，適用于各種無刷旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強(qiáng)，而且功能豐富，性價(jià)比較高。

2.1AD2S1200工作原理

式中：φ為位置積分器送入乘法器的數(shù)字角度。式（4）減去式（5）得：

式中：θ-φ為角度誤差，此信號(hào)被送到相敏檢測器，與勵(lì)磁信號(hào)E0sinωt進(jìn)行比較，得到Ksin（θ-φ）。由乘法器、相敏檢測器、數(shù)字濾波器、速度積分器和位置積分器組成的Ⅱ型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使sin（θ-φ）逐漸趨于零。當(dāng)sin（θ-φ）趨于零時(shí)，即θ-φ=0時(shí)，則由位置積分器的計(jì)數(shù)值φ所代表的角度值即為轉(zhuǎn)子的位置θ。

2.2外圍電路設(shè)計(jì)

文中采用的旋轉(zhuǎn)變壓器所需的勵(lì)磁電壓范圍有效值為3～8.4V，初、次級電壓比為0.286，而AD2S1200輸出的勵(lì)磁信號(hào)峰峰值為8.2V，接收的正余弦輸入信號(hào)峰峰值為（3.6± 10%）V，本文設(shè)計(jì)勵(lì)磁信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示［6］。勵(lì)磁電壓信號(hào)從AD2S1200的和輸出，經(jīng)過差分放大器后電壓峰峰值U1p-p為：

式中1.8為放大倍數(shù)。

圖3　勵(lì)磁信號(hào)調(diào)理電路

由于AD2S1200對輸入信號(hào)Sin（Cos）與SinLO（CosLO）有壓差要求，且輸入的差分信號(hào)不能低于零電位，因此本文設(shè)計(jì)使用REFOUT來偏置輸入差分信號(hào)。同時(shí)為了改善系統(tǒng)的噪聲性能，本文對輸入模擬信號(hào)進(jìn)行RC濾波調(diào)理。

2.3AD2S1200與TC1782通訊電路設(shè)計(jì)

文中所采用的主控芯片是數(shù)字控制專用的高速32位DSP，采用四級流水線哈佛結(jié)構(gòu)，集成中斷控制器、外設(shè)控制處理器、DAM控制器、GPTA模塊、多種總線及32路模擬輸入信號(hào)等功能，工作頻率高達(dá)180 MHz［7-8］。設(shè)計(jì)AD2S1200與TC1782采用串行方式通，使用高速光耦TLP2630完成AD2S1200和TC1782之間信號(hào)電平轉(zhuǎn)換及信號(hào)隔離，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4。

圖4　通訊電路結(jié)構(gòu)框圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

文中設(shè)計(jì)所采用的PMSM電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定功率為18 kW，極對數(shù)p=3。AS2S1200與TC1782的串口通訊波特率設(shè)置為2.5 MHz，經(jīng)過調(diào)理后的勵(lì)磁信號(hào)峰峰值為14.7V，頻率為10kHz，與計(jì)算吻合，滿足旋轉(zhuǎn)變壓器對勵(lì)磁信號(hào)需求。兩組輸入AD2S12000的Sin/SinLO信號(hào)和Cos/

Design and research of position redundancy detection for motor rotor based on TC1782

WANG Chun-jie1，YUAN Song-wei1，WANG Wen-bai2，LI Zhou1
（1.Tianjin Key Laboratory of Control Theory&Applications in Complicated Systems，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.College of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300384，China）

A high-performance method of rotor position redundancy design for permanent magnet synchronous motor（PMSM）is introduced in this paper，in order to meet the safety design requirements of automobile security functionality specification ISO26262 for the control system.Based on TC1782，resolver and its digital decoder chip AD2S1200，a rotor position decoding algorithm is designed redundantly.The algorithm can ensure the system work normally when resolver decoding chip is failure.The feasibility of the algorithm is verified by the experimental results.

PMSM；AD2S1200；resolver；TC1782；redundancy detection

TN602

A

1674－6236（2016）17-0191-03

2015-09-06稿件編號(hào)：201509048

王春杰（1973—），男，河南新鄉(xiāng)人，博士，副教授。研究方向：永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、高壓電機(jī)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置性能研究。