基于英飛凌AURIX的RDC設計

作者：時間：2018-02-06 來源：電子產品世界

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作者/李詩念 英飛凌集成電路(北京)有限公司（北京 100176）

本文引用地址：http://www.j9360.com/article/201802/375436.htm

　　1 RDC的基本原理

　　從本質上來講，旋轉變壓器就是一個一次側繞組和二次側繞組可以相對旋轉的變壓器，這也是它名字的由來。如圖1所示，R1-R2為一次側繞組為勵磁繞組，需要通以圖1(b)中的第三個信號。S1-S2和S2-S4為二次側繞組分別為正弦繞組和余弦繞組，當轉子旋轉的時候，他們輸出正弦調制和余弦調制的信號(圖1(b)中第一個和第二個信號)。

　　當旋轉變壓器的激勵信號是 0.1.jpg ，那么旋轉變壓器的輸出可以描述為：

0.2.jpg

　　根據這個公式，可以很容易的得到轉子的角度計算公式：

0.3.jpg

這就是RDC的基本公式。

　　圖1 旋轉變壓器及其信號

　　2基于英飛凌AURIX的RDC方案

　　2.1 AURIX簡介

　　AURIX是英飛凌推出的滿足未來幾代車輛的車用多核單片機系列，其多核架構包含多達3顆獨立32位TriCore處理核，可滿足業界最高安全標準ASIL D。AURIXTM家族為了滿足不同的應用和性能需要，同樣提供了不同數量的核和不同外設，例如在高端的芯片中有直接用于RDC的DSADC模塊，但在低端芯片中就沒有。AURIXTM系列單片機具有豐富的硬件資源接口和外設，強大的計算能力和全面的安全診斷，推動著汽車電子產業的發展[4]。AURIXTM有多種通信接口，例如MultiCan+, ASCLIN, QSPI, EtherMAC, E-Ray等，有多個PWM產生單元例如GTM，CCU6，有不同ADC模塊VADC和DSADC，綜多安全機制模塊例如IOM，HSM，FCE等。AURIXTM的主頻高達200 MHz, 具有高性能浮點運算，集成硬件除法單元等。

　　2.2 RDC的解決方案

　　針對RDC這一應用，AURIX有多種實現方案，其中最為直接的就是應用DSADC是實現的RDC。但在AURIX的大家族中，DSADC只存在于高端的一些型號之中，而其他一些的芯片諸如TC23x, TC22x, TC21x等就沒有DSADC，那么本文所述的用VADC實現的方法將是一個非常好的選擇，而這個方法同樣適用于那些高端的芯片。

　　圖2 用VADC實現的RDC方案

　　如圖2所示，外設GTM-TOM模塊有兩個作用。首先，TOM子模塊產生旋轉變壓器激勵信號需要的SPWM信號，而這個SPWM的周期事件會觸發DMA控制器更新TOM子模塊通道的正弦信號比較值，這兩個模塊共同作用產生了SPWM信號。其次，TOM子模塊產生與旋轉變壓器激勵信號同頻的周期信號，這一信號觸發VADC去對旋轉編碼器的反饋信號進行采樣。

　　TOM子模塊的結構如圖3(a)所示。GTM中有兩個TOM(0/1)模塊，每個TOM模塊有15個通道，這15個通道分為兩個區，分別為兩個控制單元TGC0和TGC1所控制。當要產生一個PWM時，首先需要要一個通道作為時鐘計數器，其后的通道可以作為PWM產生的通道。在這個應用中，我們需要兩路PWM，一路作為產生正弦激勵信號的正半周信號，另一路作為正弦激勵信號的負半周信號。這兩路PWM信號只要一個基礎時鐘計數器，但這里為了使用更加靈活，給每一路PWM設定了一個基礎時鐘計數器。如圖3(b)所示的例子，TOM0的CH0作為SPWM+的基礎時鐘，其周期事件觸發DMA更新后面的CH2的比較值，從而產生SPWM+;TOM0的CH10作為SPWM-的基礎時鐘，其周期事件觸發DMA更新后面的CH12的比較值，從而產生SPWM-。而CH5作為VADC采樣觸發信號的基礎時鐘計數器，可以調節CH6的比較值從而改變旋轉變壓器反饋信號的采樣點。

　　圖3 在應用中的GTM-TOM架構和安排

　　DMA主要是用來更新產生SPWM的比較值。DMA是通過DMA控制器管理數據和地址，通過事先設定好的源地址和目的地址以及數據傳送的方式，將數據從源自動傳送到目的地址，而不需要CPU的接入，從而減少CPU的負擔。DAM的結構如圖4(a)所示，DAM的通道數高達64個，在低端芯片中也有16個通道。在RDC這個應用中，為了應用的靈活性，用CH0的周期事件觸發DMA的通道10更新CH2 的比較值，用CH10的周期事件觸發DMA的通道9更新CH12的比較值，而這些比較值的來源是預先建立的正弦值數組。

　　圖 4 DMA 架構及工作流程

　　VADC模塊是逐次逼近型數模轉換器，它支持5V和3.3V兩種電壓，多達8個獨立轉換器，每個轉換器有8個通道，并且支持多個轉換器同步工作，轉換時間可調，在保證精度情況下，轉換時間在1微秒以內，轉換結果可選擇8位，10位和12位，轉換結果還支持FIR和IIR濾波。在這個應用中，TOM0的CH6的比較事件觸發了VADC的采樣，這個采樣的頻率跟之前旋轉變壓器的激勵信號同頻，都為10 kHz。為了使得采樣的噪聲更小，一致性更好，采樣點設置在正弦調制信號的載波信號的頂部或者底部，通過調整CH6 的SR0的值，就可以實現這一目的。

　　圖5 旋轉變壓器及其信號

　　2.3模擬放大電路設計

　　用于旋轉變壓器激勵信號的放大電路如圖6所示。這是一個閉環的放大電路，能夠有效去除激勵信號中高頻脈沖噪聲，電路中電阻R22, R23和R26, R33可以分別調節激勵信號正負半周的直流偏移量，而電阻R5, R6和R30, R31可以分別用來調節激勵信號正負半周的幅值。

　　圖6 激勵信號的放大電路

　　當旋轉變壓器一次側繞組輸入激勵信號以后，二次側繞組就會輸出以激勵信號為載波信號的正余弦調制信號。為了抑制干擾，這兩路信號是都是差分形式，而AURIX的VADC的輸入是單端輸入模式，所以需要一個差分轉單端的運算放大電路。這個電路還可以調節輸入信號的電壓范圍，并且可以進一步對信號進行濾波，從而使得整個轉化器的效果更好。電路中R21和R25 可以用來調節輸入信號的直流偏置量，R8, R9, R15和R34, R39, R40則可以調節信號的幅值，使之滿足ADC的輸入范圍要求。

　　圖7 差分到單端運放電路

　　3 RDC算法及仿真

　　當VADC轉換完成以后產生一個中斷，AURIX的核TriCore執行RDC的軟件算法。RDC的算法如下圖所示，首先從VADC的結果寄存器讀取ADC的轉換結果，這些值正是旋轉變壓器輸出調制信號的包絡線——兩條正交的正弦曲線。由于模擬器件的誤差，信號會出現直流信號位移偏差，幅值大小也不一致，所以第二步進行了位移和幅值的校正。然后是正余弦值的一個除法，并根據正余弦值的正負特性計算反正切值，其就是旋變轉子的位置角度。但這個結果中耦合很多的噪聲，不能夠直接用來控制電機，否則會嚴重影響電機的性能。為了使得角度信號更加的平滑，加入了一個角度觀測器，如圖(6b)所示，其本質就是一個PID控制器。

　　圖8 RDC算法框圖

　　為驗證軟件算法的性能，將整個算法在MATLAB進行了仿真，如下圖所示。圖中既有階躍信號輸入，也有連續旋變信號輸入，并且加入了2%的白噪聲。

　　圖9 RDC算法仿真框圖

　　仿真結果如下圖所示，左邊的圖是180°的階躍響應，響應時間約為20ms。右邊圖是角度觀測器的結果，紫色的線是反正切函數的結果，黃色線是角度觀測器的輸出，可以看出，角度觀測器的結果比之前的結果要平滑很多。

　　圖10 仿真結果

　　4 實驗和結論

　　圖11 (a)顯示了AURIX芯片輸出的SPWM信號，圖11(b)這種，黃色的正弦信號就是旋變的激勵信號，而藍色和紫色正是差分轉單端運放的輸出信號，信號正弦度高且噪聲很小。

　　圖11 仿真結果

　　如前面所述，角度觀測器的性能至關重要。下圖是本案所設計的觀測器180°的階躍響應。橫坐標每個數字量為0.1ms, 縱坐標單位是rad，可以看出180°的響應時間約為20ms。這個性能完全可以匹敵市場上的RDC IC。

　　圖12 RDC算法仿真框圖

　　考慮到汽車領域的實際應用情況，本案中截止頻率設置到1kHz。下圖是旋轉變壓器轉速為960Hz的情況，上面部分為校正以后的正交信號，下面部分是解碼出來的角度位置信號，其中紅色的反正切函數的輸出，綠色的是觀測器的輸出?？梢钥闯龈咚贂r，信號的并沒有出現相位滯后的情況，信號也很光滑。

　　圖13 RDC算法仿真框圖

　　當應用軟件進行RDC算法計算的時候，一個很大的擔憂就是CPU的負載量，畢竟角度解算只是控制器工作的很小一部份內容。本案的芯片是TC234，CPU主頻為133MHz,下面一張圖展示了CPU的運算時間。如圖所示，藍色和紫色曲線為VADC的輸入(旋轉變壓器輸出的正交信號)，在其峰值點進行的采樣轉化，之后進入中斷進行解碼運算。黃色曲線的上升沿為計算開始，下降沿為計算結束，總的計算時間約為1.4us，用時很短，完全可以滿足各種應用要求。