CN102291067B - 采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路，包括解码芯片、Buffer电路和差分信号调理电路，解码芯片的输出端连接至Buffer电路的输入端，Buffer电路的输出端连接至旋转变压器的输入端，旋转变压器输出正余弦差分信号至差分信号调理电路中，处理后输入至解码芯片；所述Buffer电路包括前端过滤电路、运放控制电路、推挽电路和一个驱动保护电路。本发明采用电源供电的带保护的Buffer电路实现激励信号的功率放大，能适应不同负载的驱动能力，可以实现差分电压的峰峰值在大范围变化，提高了电路稳定性，负载适应性强，抗干扰能力好；带直流偏置的差分信号调理电路可实现不同旋转变压器和解码芯片的电平匹配，其电路结构简单，成本低，适用范围广。

Description

采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路

技术领域

本发明涉及一种新能源汽车用大功率驱动电机的转子位置检测电路，尤其涉及一种采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路。

背景技术

在电机的转子位置检测电路中，目前常用的有光电编码器和旋转变压器，其中光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械角度位移量转换成脉冲或数字量的传感器，而旋转变压器是一种电磁式传感器，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。与光电编码器相比，旋转变压器具有可靠性高，稳定性高，成本低，对机械振动、温度、湿度等环境因素不敏感的优点，在新能源汽车领域的电机位置检测中，正逐步成为一种主流的传感器。

目前主流的旋转变压器结构为隔离式，传感器输入需要提供一定功率的激励信号，输出两路正、余弦差分信号，其中激励信号和正、余弦信号都是纯差分信号，因此，旋转变压器的位置检测电路主要包括激励信号放大电路和差分信号调理电路两大部分。其中，激励信号放大电路主要有运放放大电路，推挽放大电路，普通Buffer放大电路等；差分信号调理电路主要有运放调理电路，电阻处理等，以满足解码芯片的输入电平需求。

采用运放放大存在放大能力有限的缺点，而直接采用推挽电路或者普通Buffer电路放大则存在系统稳定性差，负载适应性差等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路，其放大电路稳定性提高，负载适应性强，抗干扰能力好，差分信号调理电路的电路简单，成本低。

为解决上述技术问题，本发明提供的采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路，包括解码芯片、Buffer电路和差分信号调理电路，所述解码芯片的输出端连接至Buffer电路的输入端，Buffer电路的输出端连接至旋转变压器的输入端，旋转变压器输出正余弦差分信号至差分信号调理电路中，经差分信号调理电路处理后输出信号至解码芯片的输入端；

所述Buffer电路包括前端过滤电路、运放控制电路和改进型推挽电路；所述差分信号调理电路为电阻网络式结构，其处理旋转变压器输出的正余弦差分信号并输出至解码芯片的输入端；

所述改进型推挽电路包括推挽电路和一个驱动保护电路，所述推挽电路包括两个相连的不同类型的一号三极管、二号三极管，所述驱动保护电路并联在一号三极管的基极和二号三极管的基极之间；

所述驱动保护电路包括依次串联的三号三极管、一号二极管、二号二极管和四号三极管，其中，三号三极管的集电极连接至一号三极管的基极，发射极与一号二极管的正极相连，一号二极管的负极与二号二极管的正极相连，二号二极管的负极连接至四号三极管的发射极，四号三极管的集电极连接至二号三极管的基极；三号三极管和一号三极管均为NPN型，四号三极管和二号三极管均为PNP型。

优选的，所述前端过滤电路包括一个电容，所述电容与解码芯片的输出端相连，该电容对解码芯片输出的激励信号中的直流分量进行过滤。

优选的，所述运放控制电路采用30V电源供电，包括一运算放大器和与运算放大器负端相连的反馈回路。

进一步地，所述运算放大器的正端输入为参考电压，负端输入为经过前端过滤电路过滤的激励信号。所述反馈回路包括并联在Buffer电路输出端和运算放大器负端之间的相互串联的第一电阻、第二电阻，以及一端接地、一端位于第一电阻和第二电阻之间的反馈电容。

进一步地，所述差分信号调理电路中还包括滤波电路和保护电路。

本发明的有益效果在于：

1、旋转变压器的输入端采用电源供电的带保护的Buffer电路实现激励信号的功率放大，与普通的Buffer电路相比，增加了驱动保护电路，能适应不同负载的驱动能力，通过调节电阻和电容的参数可以实现差分电压的峰峰值从7.2V到28V左右变化，提高了Buffer电路的稳定性，负载适应性强，抗干扰能力好；

2、旋转变压器的输出端连接带直流偏置的差分信号调理电路，通过调节阻容参数可实现不同旋转变压器和解码芯片的电平匹配，其电路结构简单，成本低，适用范围广。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的位置检测电路的系统框图；

图2是本发明实施例中的EXC激励信号的Buffer放大电路的电路图；

图3是本发明实施例中的差分信号调理电路的电路图。

具体实施方式

本发明的采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路，如图1所示，包括解码芯片1、Buffer电路2和差分信号调理电路4，所述解码芯片1的输出端连接至Buffer电路2的输入端，Buffer电路2的输出端连接至旋转变压器3的输入端，旋转变压器3输出正余弦差分信号至差分信号调理电路4中，经差分信号调理电路4处理后输出信号至解码芯片1的输入端。

在图1中，解码芯片1的激励信号单路对地信号可以用公式（1）表示，

v_EXC＝v_offset+a·sin(wt)    （1）

式中，a为解码芯片输出的激励信号EXC的幅值，v_offset为EXC的直流分量，a·sin(wt)为EXC的交流分量。

经过Buffer电路2后将参考直流v_ref和解码芯片1输出的交流分量进行放大，放大系数分别为k_DC和k_AC，且两路激励信号相位差为180度，如下面公式（2）、（3）所示，

两路激励信号的差分信号如式（4）所示

Buffer电路2的输出信号经旋转变压器3后输出两路差分信号，分别为Sin差分信号和Cos差分信号，如式（5）和式（6）所示，

式中，系数K_R为旋转变压器3的变比系数，θ为旋转变压器3的电角度。

为了匹配解码芯片1的电平要求，通过调节差分信号调理电路2的阻容参数进一步进行比例缩放。

在本实施例中，所述Buffer电路2包括前端过滤电路、运放控制电路和改进型推挽电路。所述差分信号调理电路4为电阻网络式结构，其处理旋转变压器3输出的正余弦差分信号并输出至解码芯片1的输入端。如图2所示，所述前端过滤电路包括一个电容C11，所述电容C11与解码芯片1的输出端相连，该电容C11对解码芯片1输出的激励信号中的直流分量进行过滤，只保留交流分量，实现前端源电路和后端放大电路的直流隔离。改进型推挽电路包括30V电源供电的推挽电路和一个驱动保护电路，所述推挽电路包括两个相连的不同极性的一号三极管Q1、二号三极管Q2，所述驱动保护电路并联在一号三极管Q1的基极和二号三极管Q2的基极之间。

图2是EXC激励信号的Buffer放大电路，由于/EXC的Buffer放大电路和EXC完全一样，只是信号的相位相差180度，因此此处只介绍EXC的Buffer放大电路。运放控制电路和推挽电路采用30V电源供电，运放控制电路包括一运算放大器U1和与运算放大器U1负端相连的反馈回路。所述运算放大器U1的正端输入为直流参考电压，负端输入为解码芯片1输出的且经过电容C11过滤的交流激励信号。

所述反馈回路包括并联在Buffer电路输出端和运算放大器负端之间的相互串联的第一电阻R36、第二电阻R48，以及一端接地、一端位于第一电阻R36和第二电阻R48之间的反馈电容C13。通过电容C12对经电容C11过滤的交流激励信号进行降噪，运算放大器输出端用于控制一号三极管Q1和二号三极管Q2的基极电位。通过反馈回路中的第一电阻R36、第二电阻R48可将直流参考电压放大至+15V左右，其中直流参考电压如式（7）所示，直流放大倍数如式（8）所示，即将Buffer电路输出信号的中心电压偏置在+15V；同时通过反馈回路的第一电阻R36、第二电阻R48和反馈电容C13将解码芯片输出的正弦信号进行交流放大，交流放大倍数如式（9）所示，幅值放大倍数如式（10）所示，其中放大倍数的选取由旋转变压器的负载特性决定，而输入到旋转变压器3的激励信号为纯差分信号，如式（4）所示，从而该电路实现了激励信号对旋变传感器适应性强，精度高的性能。

$V_{\mathrm{ref}}=\frac{R29}{R30+R29}*V_{30V}---\left(7\right)$

$K_{\mathrm{DC}}=\frac{R36+R48+R34}{R34}---\left(8\right)$

$K_{\mathrm{AC}}=\frac{R48//Z_{c13}+R36}{R31+Z_{c11}}---\left(9\right)$

$\left|K_{\mathrm{AC}}\right|=\frac{\sqrt{{(R_{36}\·R_{48})}^2+{[(R_{36}+R_{48})\·Z_{C13}]}^2}}{\sqrt{({R_{31}}^2+{Z_{C11}}^2)\·({R_{48}}^2+{Z_{C13}}^2)}}---\left(10\right)$

在图2中，一号三极管Q1的基极和二号三极管Q2的基极之间并联有一串联电路，该串联电路由三号二极管D7、第一电阻R23、第二电阻R21和四号二极管D8串联组成。静态时，从+30V电源到GND有一个静态电流，在一号三极管Q1和二号三极管Q2两个基极之间所产生的电压为

U_B1B2＝U_D7+U_D8+U_R23+U_R21

其中R21，R23阻值较小，R24和R22阻值较大，保证U_B1B2略大于一号三极管Q1和二号三极管Q2发射结开启电压之和，从而使两只三极管管子均处于略导通状态，调节R36、R48和R34的电阻参数可以调节直流放大倍数，使一号三极管Q1和二号三极管Q2的发射极电位略等于15V。当运放的输出端电压按正弦规律变化时，由于三号二极管D7和四号二极管D8的动态电阻很小，且R21，R23的阻值较小，可以认为一号三极管Q1和二号三极管Q2的基极电位变化近似相等。当正弦激励信号V_EXC在正半周时，u_B1E1增大，i_B1增大，发射极i_E1也增大；同理当输入信号u_i在负半周时，i_B2增大，发射极i_E2也增大。

为了提高负载的驱动能力，在一号三极管Q1和二号三极管Q2的基极之间增加了驱动保护电路，包括依次串联的三号三极管Q3、一号二极管D5、二号二极管D6和四号三极管Q4，其中，三号三极管Q3的集电极连接至一号三极管Q1的基极，三号三极管Q3的发射极与一号二极管D5的正极相连，一号二极管D5的负极与二号二极管D6的正极相连，二号二极管D6的负极连接至四号三极管Q4的发射极，四号三极管Q4的集电极连接至二号三极管Q2的基极，并且三号三极管和一号三极管的类型相同均为NPN型，四号三极管和二号三极管的类型相同均为PNP型。此外，如图2所示，电阻R46为三号三极管Q3的基极电阻，电阻R47为四号三极管Q4的基极电阻，主要起限流作用，而电阻R27和R28则用来控制三号三极管Q3和四号三极管Q4的发射结电压。当负载较大时，i_E1增大，电阻R27两端的电压增大，即v_B3增大，u_B3E3增大，从而三号三极管Q3饱和导通，从而u_B1E1减小，i_B1减小，i_E1减小；同理，当负载较小时，i_E1减小，电阻R27两端的电压减小，即v_B3减小，i_B3减小，从而三号三极管Q3进入线性区，u_C3E3增大，从而u_B1E1增大，i_B1增大，从而i_E1增大，因此实现了能适应负载变化而自动调节的能力，同时也起到保护作用。

如图3所示，根据不用的旋转变压器3和解码芯片1对电平的要求，通过优化电阻R8、R1、R3、R2、R9的参数就可以满足解码芯片1的输入信号电平要求。同时为了保证单端共模信号的偏置，通过电阻R6、R7上拉到2.5V电源，保证输入信号的最小值为正电压，同时省去了对负电源的要求。所述差分信号调理电路4中还包括滤波电路和保护电路。保护电路通过稳压管W1、W2实现，防止外围信号短路到电源时烧坏解码芯片1，而滤波电路通过RC滤波实现，分别为图3中的R4、C1和R5、C2。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，其并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员对电路结构和电子元件等做出的等效置换和改进，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。

Claims (7)

1.一种采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路，其特征在于，包括解码芯片、Buffer电路和差分信号调理电路，所述解码芯片的输出端连接至Buffer电路的输入端，Buffer电路的输出端连接至旋转变压器的输入端，旋转变压器输出正余弦差分信号至差分信号调理电路中，经差分信号调理电路处理后输出信号至解码芯片的输入端；

所述Buffer电路包括前端过滤电路、运放控制电路和改进型推挽电路；所述改进型推挽电路包括推挽电路和一个驱动保护电路，所述推挽电路包括两个相连的不同类型的一号三极管、二号三极管，所述驱动保护电路并联在一号三极管的基极和二号三极管的基极之间；

所述驱动保护电路包括依次串联的三号三极管、一号二极管、二号二极管和四号三极管，其中，三号三极管的集电极连接至一号三极管的基极，发射极与一号二极管的正极相连，一号二极管的负极与二号二极管的正极相连，二号二极管的负极连接至四号三极管的发射极，四号三极管的集电极连接至二号三极管的基极；三号三极管和一号三极管均为NPN型，四号三极管和二号三极管均为PNP型。

2.根据权利要求1所述的采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路，其特征在于：所述前端过滤电路包括一个电容，所述电容与解码芯片的输出端相连，该电容对解码芯片输出的激励信号中的直流分量进行过滤。

3.根据权利要求1所述的采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路，其特征在于：所述运放控制电路采用30V电源供电，包括一运算放大器和与运算放大器负端相连的反馈回路。

4.根据权利要求3所述的采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路，其特征在于：所述运算放大器的正端输入为直流参考电压，负端输入为经过前端过滤电路过滤的解码芯片输出的激励信号。

5.根据权利要求3所述的采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路，其特征在于：所述反馈回路包括并联在Buffer电路输出端和运算放大器负端之间的相互串联的第一电阻、第二电阻，以及一端接地、一端位于第一电阻和第二电阻之间的反馈电容。

6.根据权利要求1所述的采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路，其特征在于：所述差分信号调理电路为电阻网络式结构，其处理旋转变压器输出的正余弦差分信号并输出至解码芯片的输入端。

7.根据权利要求6所述的采用隔离式旋转变压器的电机位置检测电路，其特征在于：所述差分信号调理电路中还包括滤波电路和保护电路。

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