具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
上述的一种旋变激励响应信号的处理电路及处理装置,适用于新能源汽车交流异步电机转子位置解码系统的旋变激励响应信号处理的硬件电路设计,该处理电路包括:解码芯片AD2S1205与旋转变压器的激励信号接口电路、解码芯片AD2S1205与旋转变压器的响应信号接口电路。其中激励信号接口电路设计主要解决关于解码芯片激励信号幅值及峰值不符合不同旋转变压器要求、输出带载能力不够的问题,响应信号接口电路结合旋转变压器变比以及解码芯片器件规格对于响应信号幅值进行处理,具备ESD保护、适当截止频率后滤波效果良好等优点。该设计方法精度高,可靠性好,抗干扰能力强,完全能够满足高速电机控制系统及车辆环境的应用要求。
图3示出了本发明提供的一种旋变激励响应信号的处理电路的模块结构,为了便于说明,仅示出了与本实施例相关的部分,详述如下:
上述一种旋变激励响应信号的处理电路,包括激励信号处理放大模块101、激励推挽输出模块102、响应防护滤波处理模块103以及旋变解码模块104。
激励信号处理放大模块101用于根据旋转变压器的规格变比调整激励信号的直流偏置和交流电压。
激励推挽输出模块102与激励信号处理放大模块101相连接,用于对激励信号进行电压跟随、电流放大后驱动旋转变压器的初级绕组。
响应防护滤波处理模块103与激励推挽输出模块102相连接,用于对响应信号的端口进行静电释放防护,以及进行噪声滤除、抗高频干扰。
旋变解码模块104与激励信号处理放大模块101以及响应防护滤波处理模块103相连接,用于对旋转变压器输出的激励响应信号进行模数转换和解码。
作为本发明一实施例,上述处理电路中的激励信号处理放大模块101包括激励隔直偏置电路和激励放大电路,其中,激励隔直偏置电路单元用于对交流及直流偏置信号进行隔离处理放大,以满足激励信号幅值及交流信号的电压幅值要求;激励放大电路单元结合旋转变压器变比及激励有效值要求,进而选择适当的增益(0.32<运放放大倍数×旋变变比×正余弦端口电路衰减系数<0.56(典型值为0.45))。并且,激励推挽输出模块102用于满足驱动负载输出;响应防护滤波处理模块103用于实现对端口进行静电释放(Electro-Static discharge,ESD)防护、抗高频噪声干扰以及滤波处理。
图4示出了本发明实施方式提供的一种旋变激励响应信号的处理电路中激励信号处理放大模块的示例电路,为了便于说明,仅示出了与本实施例相关的部分,详述如下:
作为本发明一实施例,上述激励信号处理放大模块101包括第六电容C6、第九电容C9、第二十三电容C23、第二十四电容C24、第五十三电容C53、第五十四电容C54、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十六电阻R16、第四十二电阻R42、第一运算放大器U2-A、第二运算放大器U2-B以及电压基准电路;
第五十三电容C53的第一端和第五十四电容C54的第一端接旋变解码模块104,第五十三电容C53的第二端接第十二电阻R12的第一端,第十二电阻R12的第二端、第六电容C6的第一端、第十三电阻R13的第一端以及第一运算放大器U2-A的反相输入端共接,第六电容C6的第二端与第十三电阻R13的第二端以及第一运算放大器U2-A的输出端共接,电压基准电路的输出端与第二十三电容C23的第一端以及第一运算放大器U2-A的正相输入端共接,第二十三电容C23的第二端接地,第五十四电容C54的第二端接第四十二电阻R42的第一端,第四十二电阻R42的第二端、第九电容C9的第一端、第十六电阻R16的第一端以及第二运算放大器U2-B的反相输入端共接,第九电容C9的第二端与第十六电阻R16的第二端以及第二运算放大器U2-B的输出端共接,电压基准电路的输出端与第二十四电容C24的第一端以及第二运算放大器U2-B的正相输入端共接,第二十四电容C24的第二端接地,第一运算放大器U2-A的输出端与第二运算放大器U2-B的输出端接激励推挽输出模块102。
在本发明的一实施例中,第一运算放大器U2-A和第二运算放大器U2-B都采用了型号为LF347DRG4的运算放大器,需要采用低静态电流运放。
图5示出了本发明一种旋变激励响应信号的处理电路中激励推挽输出模块的示例电路,为了便于说明,仅示出了与本实施例相关的部分,详述如下:
作为本发明一实施例,上述激励推挽输出模块102包括第三运算放大器U2-C、第一二极管D1、第七二极管D7、第一电阻R1、第二电阻R2、第四电阻R4、第五电阻R5、第十一电阻R11、第十四电阻R14、第四三极管U4以及第五三极管U5;
第三运算放大器U2-C的正相输入端接激励信号处理放大模块101,第三运算放大器U2-C的反相输入端与第一电阻R1的第一端以及第十四电阻R14的第一端共接,第三运算放大器U2-C的输出端与第一二极管D1的阴极以及第七二极管D7的阳极共接,第一二极管D1的阳极接第五电阻R5的第一端,第五电阻R5的第二端与第二电阻R2的第一端以及第四三极管U4的基极共接,第四三极管U4的集电极接参考电压,第四三极管U4的发射极接第一电阻R1的第二端,第十四电阻R14的第二端接第五三极管U5的发射极,第七二极管D7的阴极接第十一电阻R11的第一端,第十一电阻R11的第二端与第四电阻R4的第一端以及第五三极管U5的基极共接,第四电阻R4的第二端与第五三极管U5的集电极接地。
在本发明的一实施例中,第三运算放大器U2-C采用了型号为LF347DRG4的运算放大器,需要采用低静态电流运放。
图6示出了本发明提供的一种旋变激励响应信号的处理电路中响应防护滤波处理模块的示例电路,为了便于说明,仅示出了与本实施例相关的部分,详述如下:
作为本发明一实施例,上述响应防护滤波处理模块103包括第十一电涌抑制晶闸管D11、第十七共模电感L17、第三百四十二电阻R342、第三百四十三R343以及第二百五十六电容C256;
第十一电涌抑制晶闸管D11的第一端与第十七共模电感L17的初级线圈的输入端接响应信号的正端,第十一电涌抑制晶闸管D11的第二端接地,第十一电涌抑制晶闸管D11的第三端与第十七共模电感L17的次级线圈的输入端接响应信号的负端,第十七共模电感L17的初级线圈的输出端接第三百四十二电阻R342的第一端,第十七共模电感L17的次级线圈的输出端接第三百四十三R343的第一端,第三百四十二电阻R342的第二端接第二百五十六电容C256的第一端,第二百五十六电容C256的第二端接第三百四十三R343的第二端。
图7示出了本发明提供的一种旋变激励响应信号的处理电路中旋变解码模块的示例电路,为了便于说明,仅示出了与本实施例相关的部分,详述如下:
作为本发明一实施例,上述旋变解码模块104包括一旋变解码芯片,该旋变解码芯片的型号为AD2S1205。型号为AD2S1205的旋变解码芯片是ADI公司推出的旋转变压器信号输出/检测芯片,芯片内集成可编程正弦波振荡器(可将激励频率设置为10KHZ、12KHZ、15KHZ以及20KHZ),为旋变提供激励信号EXC(2.5V+1.8sinωt)、EXC/(2.5V-1.8sinωt),经旋变电路处理后,接受旋转变压器响应输出信号SinLO、CosLO正负模拟输入,输入电压范围为2.3Vp-p至4.0Vp-p,环路连续跟踪旋变的位置和速度,其内部转换器产生的输出角ψ反馈并与θ进行实时比较,借此来跟踪轴角θ,同时芯片故障检测电路可以检测旋变信号丢失(LOS)、超范围输入信号、输入信号范围失配(DOS)以及位置跟踪丢失(LOT)。
本发明还提供了一种旋变激励响应信号的处理装置,该处理装置包括如上述所述的处理电路以及对处理电路进行供电的电源电路。
因此,与现有技术相比,本发明的技术方案具有如下优点:
首先,实现了交流及直流偏置信号隔离处理,可通过简单的增益调节以及电压基准(Voltage reference,VREF)偏置电压调整,以适应不同旋转变压器变比,避免直流分量与交流电压同步放大造成的激励幅值不匹配、响应信号不匹配等问题;
其次,通过普通OP放大器+射极跟随器来增强输出带载能力,节约了使用大电流输出放大器的成本;
最后,响应信号的ESD防护处理及滤波参数选型确保差共差模响应信号正常工作,正弦度良好,确保送入RDC共模信号在识别范围内。
以下结合图3-图7对上述一种旋变激励响应信号的处理电路及处理装置的工作原理进行说明:
该处理电路对于RDC激励信号执行直流偏置隔离后交直流分量的分开处理放大以及选择了普通OP放大器+射极跟随器来增强输出带载能力,对旋变响应信号的滤波防护处理,描述如下:
旋变解码芯片的内部管脚34、35生成激励共模信号EXC(2.5V+1.8sinωt)、EXC/(2.5V-1.8sinωt),频率大小为31及32脚外部振荡器调整设计,此激励信号不能直接用来驱动旋转变压器初级绕组(毛刺噪声大,幅值及带载不够),因此需对此进行激励信号处理,如图4所示,采用输入耦合电容滤去直流分量2.5V,并采用12VREF的直流偏置,以EXC共模信号为例,2.5V+1.8sinωt经隔直以及基准电压拉高后反相输入信号为12V+1.8sinωt,交流信号经反相后为12V-1.8sinωt(由于回路隔直电容存在,直流分量不参与运放放大),放大倍数可根据第十二电阻R12、第十三电阻R13比例调节,直流偏置根据VREF调节,互不影响,而后输出信号直接驱动晶体管的基极。
当推挽管(包括第一二极管D1和第七二极管D7)工作时,发射级信号与基极电压差值约为晶体管BE管压降0.6V,为实现发射极与运放输出同步跟随,第七二极管D7则将基极与运放输出电压信号差值同样锁定为0.6V进行补偿,第五电阻R5和第十一电阻R11作微调并与输出对称,若推挽管基极信号有过零(即存在无信号情况,以上电路均有直流偏置),第七二极管D7具有防止交越失真的作用,先隔掉输入信号中的直流信号以使其过零,去掉基极,过零明显失真,失真的原因在于晶体管的偏置方法,两个晶体管基极连在一起,基极电位相同,输入信号在0V附近时,基极和发射极并无电位差,没有基极电流流动,NPN和PNP晶体管都没有工作,所以存在±0.6V信号盲区,基极加入两个二极管压降可抵消基极-发射极间电压(基极-发射极二极管ON与OFF的交界状态),至此激励信号的幅值及驱动带载能力处理完毕,旋变解码芯片输出激励信号与处理之后的激励信号,波形正弦度变好,毛刺尖峰现象改善,具备200mA以上电流驱动能力,激励0.5变比旋转变压器初级线圈后得到RDC识别范围内的响应信号。
旋变响应差模信号满足电压的峰值符合幅值要求(2.3V~4.0V),若前端因考虑激励有效值问题导致旋变响应信号电压的峰值偏大,则需增加电阻分压电路(选用高精度电阻)来衰减正余弦输入信号以便符合RDC输入电压规格,除此之外也要注意共模信号的处理,选用TSS管进行浪涌电压端口防护时,电压规格选型不能小于共模、差模峰值,否则将导致TSS管在波峰处误动作,出现信号跌落、掉坑现象,响应信号送入RDC前需进行RC滤波,以减少由于驱动电机而耦合至输入端的高频噪声,同时端口增加电阻串联处理可降低外部事件(如ESD和电源短路情况)能量,选择R=200R,C=100pf搭配的低通滤波器,截止频率为800KHZ(f=1/2πRC),滤波后信号延时也会拉长,实际测试以200R100PF的滤波参数,其滤波效果良好,最大延时约600ns内,是否增加一级滤波可视实际信号质量决定(增加后信号最大延时1.6us以内),滤波电路处理要遵循锁相44°以内的要求,其信号传输延时保证在12.2us以内即可(根据10K频率计算所得),旋变解码芯片只接受正压共模信号,需保证响应信号直流偏置大于差模电压峰值,所以若Sin+Sin-以及Cos+Cos-对XBGND信号出现负压,则需在芯片输入口加入REFOUT(2.5V)共模直流偏置(共模信号Sin+Sin/=5V),响应信号处理完毕。
至此该旋变激励及响应信号电路设计完毕,在整机电动汽车平台采用闭环速度控制,电机运行良好,达到预期稳定控制,抗干扰能力强,并适应不同旋变变比的效果。
综上,本发明实施例提供的一种旋变激励响应信号的处理电路及处理装置,通过简单的增益调节以及偏置电压调整以适应不同旋转变压器变比,避免直流分量与交流电压同步放大造成的激励幅值不匹配、响应信号不匹配等问题;其次通过激励推挽输出模块以增强输出带载能力,节约了系统成本;并且对响应信号的端口进行静电释放防护处理及滤波参数选型确保差共差模响应信号正常工作,正弦度良好,确保送入的共模信号在识别范围内,不会出现信号失真现象,解决现有的旋变电路技术存在着出现信号失真以及输出的信号参数不在预设范围内,从而导致解码不可靠的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。