CN109445358A - 一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路，其特征在于，它包括激励信号产生模块、激励放大模块、旋转变压器、正余弦信号Buffer电路和微控制器，激励信号产生模块与激励放大模块连接，激励放大模块与旋转变压器连接，旋转变压器的输出端与正余弦信号Buffer电路连接，正余弦信号Buffer电路与微控制器连接；本发明的优点在于：利用信号调制和外部分立元器件电路，以低成本的方式实现了旋变激励信号的产生，降低系统成本；兼容性的正余弦信号Buffer电路设计，能够支持隔离和非隔离型旋变对匹配电路的需求；激励信号放大电路具备完善的过流保护功能，且能够实现主动关断，该方案简单可靠，易于实现和量产推广。

Description

一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，尤其涉及一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路。

背景技术

近年来，环境问题的日渐突出、油价的不断上涨以及国家政策对新能源汽车的扶持，使得越来越多的人开始选择新能源汽车作为出行工具。无论是混动还是纯电动汽车，电机驱动系统都是整车动力的重要动力源，直接影响着车辆的动力性能、舒适度和能源利用率。

目前，新能源汽车的驱动电机大多采用永磁同步电机。在永磁同步电机控制系统中，坐标变换、速度计算都需要用到转子的角度。目前使用最多的转子角度测量方法是使用光电编码器或旋转变压器。在现有的针对旋转变压器的电路方案中，大多是使用专用集成芯片（例如AD2S1210）产生一对互补的激励信号，通过信号和功率放大，输入到旋变的激励端。然后专用集成芯片识别旋变返回的正余弦信号，并通过计算得到转子的转向、角度和转速，再通过通信接口传输给MCU。

使用专用集成芯片的方案，电路设计较为简单，且有利于简化软件算法。但其缺点也不容忽略：一是专用集成芯片的价格较高，必然带来整个驱动系统成本的上升；二是旋变返回的正余弦信号经过专用集成芯片解算和通信线路传输，然后才输入到MCU，中间的信号延时较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路，能够兼容隔离和非隔离型旋转变压器，具有过流保护功能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路，其特征在于，它包括激励信号产生模块、激励放大模块、旋转变压器、正余弦信号Buffer电路和微控制器，所述激励信号产生模块的输出端与激励放大模块的输入端连接，所述激励放大模块的输出端与旋转变压器的输入端连接，所述旋转变压器的输出端与正余弦信号Buffer电路的输入端连接，所述正余弦信号Buffer电路的输出端与微控制器的输入端连接。

进一步地，所述激励信号产生模块包括第一电阻，所述第一电阻的一端输入正相波形，所述第一电阻的另一端分别与第一电容和第二电容的一端连接，第二电容的另一端接地；

所述激励信号产生模块包括第五电阻，所述第二电阻的一端输入反相波形，所述第五电阻的另一端分别与第三电容和第四电容的一端连接，所述第四电容的另一端接地。

进一步地，所述激励放大模块包括第一运算放大器，所述第一电容的另一端与第一运算放大器的反相输入端连接，所述第一运算放大器的反相输入端与第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与第三电阻和第四电阻的一端连接，所述第三电阻和第四电阻的另一端以及第一运算放大器的输出端均与第一过流保护模块连接，所述第一过流保护模块分别与第一三极管和第二三极管的基极连接，所述第一三极管的集电极接电压输入，所述第二三极管的集电极接地，所述第一三极管和第二三极管的发射极与第三电阻和第四电阻的另一端连接，所述第三电阻和第四电阻的一端作为正相输出；

所述激励放大模块还包括第二运算放大器，所述第三电容的另一端与第二运算放大器的反相输入端连接，所述第二运算放大器的反相输入端与第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端与第七电阻和第八电阻的一端连接，所述第七电阻和第八电阻的另一端以及第二运算放大器的输出端均与第二过流保护模块连接，所述第二过流保护模块分别与第三三极管和第四三极管的基极连接，所述第三三极管的集电极接电压输入，所述第四三极管的集电极接地，所述第三三极管和第四三极管的发射极与第七电阻和第八电阻的另一端连接，所述第七电阻和第八电阻的一端作为负相输出。

进一步地，所述第一过流保护模块和第二过流保护模块均包括两个过流保护放大器，每个过流保护放大器的反相输入端分别与一第九电阻、一第十一电阻和一第十二电阻的一端连接，所述过流保护放大器的正相输入端分别与一第十电阻、一第十三电阻和一第十四电阻的一端连接，所述第十二电阻和第十三电阻的另一端接参考电压。

进一步地，第一过流保护模块中两个第九电阻的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一过流保护模块中两个第十电阻的另一端分别接至第一三极管和第二三级管的发射极，第二过流保护模块中两个第九电阻的另一端与第二运算放大器的输出端连接，第二过流保护模块中两个第十电阻的另一端分别接至第三三极管和第四三极管的发射极；

第一过流保护模块中两个过流保护放大器的输出端分别接至第一三极管和第二三级管的基级，第二过流保护模块中两个过流保护放大器的输出端分别接至第三三极管和第四三极管的基级。

进一步地，所述正余弦信号Buffer电路包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管的漏极相接，旋转变压器的正余弦信号输出接至第一开关管的漏极，旋转变压器的负极接至第二开关管的漏极，所述第一开关管的源极与第十五电阻的一端连接，所述第十五电阻的另一端与第三运算放大器的反相输入端连接，所述第三运算放大器的反相输入端与第二十二电阻的一端连接，所述第二十二电阻的另一端与第二十三电阻的一端连接，所述第二十三电阻的另一端接至微控制器的AN1引脚，所述第二开关管的源极与第十六电阻的一端连接，所述第十六电阻的另一端与第三运算放大器的正相输入端连接，所述第十六电阻的另一端还与第十七电阻的一端连接，所述第十七电阻的另一端与微控制器的AN2引脚共同接电源电压。

进一步地，所述正余弦信号Buffer电路还包括第三开关管和第四开关管，旋转变压器的负余弦信号输出接至第三开关管和第四开关管的漏极，所述第三开关管和第四开关管的漏极均与第一开关管和第二开关管的漏极相接，所述第三开关管的源极分别与第二十电阻、第二十一电阻和第二十五电阻的一端连接，所述第四开关管的源极通过第二十四电阻接微控制器的AN2引脚，所述第二十电阻的另一端与第十九电阻的一端共同接激励放大模块的负相输出，所述第十九电阻的另一端与第十八电阻的一端连接，所述第十八电阻和第二十一电阻的另一端接电源电压，所述第二十五电阻的另一端分别与微控制器的AN1以及AN2引脚连接。

本发明的优点在于：利用信号调制和外部分立元器件电路，以低成本的方式实现了旋变激励信号的产生，降低系统成本；兼容性的正余弦信号Buffer电路设计，能够支持隔离和非隔离型旋变对匹配电路的需求；激励信号放大电路具备完善的过流保护功能，且能够实现主动关断，该方案简单可靠，易于实现和量产推广。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图；

图2为本发明中激励信号产生和激励放大电路结构图；

图3为过流保护模块的电路拓扑图；

图4为正余弦信号Buffer电路的电路结构图。

附图标记：

1激励信号产生模块 2激励放大模块 3旋转变压器

4正余弦信号Buffer电路 5微控制器

R1~25第一~第二十五电阻 C1~4第一~第四电容 Q1~4第一~第四三极管

U1第一运算放大器 U3第二运算放大器

U2第一过流保护模块 U4第二过流保护模块

U5过流保护放大器 U6第三运算放大器

S1~4第一~四开关管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器3匹配电路，其特征在于，如图1所示，它包括激励信号产生模块1、激励放大模块2、旋转变压器3、正余弦信号Buffer电路4和微控制器5，所述激励信号产生模块1的输出端与激励放大模块2的输入端连接，所述激励放大模块2的输出端与旋转变压器3的输入端连接，所述旋转变压器3的输出端与正余弦信号Buffer电路4的输入端连接，所述正余弦信号Buffer电路4的输出端与微控制器5的输入端连接。

微控制器5对幅值和直流偏置相同，相位相差180°的两路正弦信号进行调制，输出PWM波，正弦信号的频率即输出到旋变的激励频率，由MCU配置，两路PWM波通过外部的RC电路进行滤波，滤波后的波形为两路互补且有直流偏置的正弦信号，该信号中的交流分量通过电容耦合到运放的输入端。

如图2所示，所述激励信号产生模块1包括第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端输入正相波形，所述第一电阻R1的另一端分别与第一电容C1和第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端接地。

所述激励信号产生模块1包括第五电阻R5，所述第二电阻R2的一端输入反相波形，所述第五电阻R5的另一端分别与第三电容C3和第四电容C4的一端连接，所述第四电容C4的另一端接地。

所述激励放大模块2包括第一运算放大器U1，所述第一电容C1的另一端与第一运算放大器U1的反相输入端连接，所述第一运算放大器U1的反相输入端与第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端与第三电阻R3和第四电阻R4的一端连接，所述第三电阻R3和第四电阻R4的另一端以及第一运算放大器U1的输出端均与第一过流保护模块U2连接，所述第一过流保护模块U2分别与第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极连接，所述第一三极管Q1的集电极接电压输入，所述第二三极管Q2的集电极接地，所述第一三极管Q1和第二三极管Q2的发射极与第三电阻R3和第四电阻R4的另一端连接，所述第三电阻R3和第四电阻R4的一端作为正相输出R+。

所述激励放大模块2还包括第二运算放大器U3，所述第三电容C3的另一端与第二运算放大器U3的反相输入端连接，所述第二运算放大器U3的反相输入端与第六电阻R6的一端连接，所述第六电阻R6的另一端与第七电阻R7和第八电阻R8的一端连接，所述第七电阻R7和第八电阻R8的另一端以及第二运算放大器U3的输出端均与第二过流保护模块U4连接，所述第二过流保护模块U4分别与第三三极管Q3和第四三极管Q4的基极连接，所述第三三极管Q3的集电极接电压输入，所述第四三极管Q4的集电极接地，所述第三三极管Q3和第四三极管Q4的发射极与第七电阻R7和第八电阻R8的另一端连接，所述第七电阻R7和第八电阻R8的一端作为负相输出R-。

第一运算放大器U1和第二运算放大器U3的正相输入端均连接到参考电压Vref，根据运放的“虚短”原理可知，激励信号放大电路输入到旋变R+和R-的电压直流分量也为Vref，当激励输入为正弦信号时，R+端的信号也为正弦，且叠加了直流量Vref，通过调整RC滤波电路的电阻和负反馈电阻的比值，改变R+和R-端的正弦信号峰峰值，运放的输出信号，通过过流保护电路模块驱动输出端的大功率三极管，即第一~第四三极管Q4Q1~4，借助上述四个三极管构成的推挽结构实现功率的放大。

当激励R+和R-由于各种原因被短路到GND或电源，或者两相之间短路，都会导致激励电流过大，若不及时关断激励输出，会有烧坏器件的风险，在激励放大电路模块2，设置了过流比较电路，其拓扑结构如图3所示，第一过流保护模块U2和第二过流保护模块U4均包括两个过流保护放大器U5，每个过流保护放大器U5的反相输入端分别与一第九电阻R9、一第十一电阻R11和一第十二电阻R12的一端连接，所述过流保护放大器U5的正相输入端分别与一第十电阻R10、一第十三电阻R13和一第十四电阻R14的一端连接，所述第十二电阻R12和第十三电阻R13的另一端接参考电压Vref 。

如图3所示，第一过流保护模块U2中两个第九电阻R9的另一端与第一运算放大器U1的输出端连接，第一过流保护模块U2中两个第十电阻R10的另一端分别接至第一三极管Q1和第二三级管的发射极，第二过流保护模块U4中两个第九电阻R9的另一端与第二运算放大器U3的输出端连接，第二过流保护模块U4中两个第十电阻R10的另一端分别接至第三三极管Q3和第四三极管Q4的发射极；

第一过流保护模块U2中两个过流保护放大器U5的输出端分别接至第一三极管Q1和第二三级管的基级，第二过流保护模块U4中两个过流保护放大器U5的输出端分别接至第三三极管Q3和第四三极管Q4的基级。

两个过流保护模块U1、U2通过检测激励信号产生模块1输出端的电阻上的压降来判断激励电流的大小，当压降大于某一阀值Uth时，过流比较器会输出低电平，进而触发保护电路动作，过流保护模块断开对应的三极管，达到保护的目的。

此外，微控制器5也可通过IO口输出高低电平到过流保护模块，实现旋变激励的主动关断。

如图4所示，所述正余弦信号Buffer电路4包括第一开关管S1和第二开关管S2，所述第一开关管S1和第二开关管S2的漏极相接，旋转变压器3的正余弦信号输出Sin+接至第一开关管S1的漏极，旋转变压器3的负极接至第二开关管S2的漏极，所述第一开关管S1的源极与第十五电阻R15的一端连接，所述第十五电阻R15的另一端与第三运算放大器U6的反相输入端连接，所述第三运算放大器U6的反相输入端与第二十二电阻R22的一端连接，所述第二十二电阻R22的另一端与第二十三电阻R23的一端连接，所述第二十三电阻R23的另一端接至微控制器5的AN1引脚，所述第二开关管S2的源极与第十六电阻R16的一端连接，所述第十六电阻R16的另一端与第三运算放大器U6的正相输入端连接，所述第十六电阻R16的另一端还与第十七电阻R17的一端连接，所述第十七电阻R17的另一端与微控制器5的AN2引脚共同接电源电压。

所述正余弦信号Buffer电路4还包括第三开关管S3和第四开关管S4，旋转变压器3的负余弦信号输出Sin-接至第三开关管S3和第四开关管S4的漏极，所述第三开关管S3和第四开关管S4的漏极均与第一开关管S1和第二开关管S2的漏极相接，所述第三开关管S3的源极分别与第二十电阻R20、第二十一电阻R21和第二十五电阻R25的一端连接，所述第四开关管S4的源极通过第二十四电阻R24接微控制器5的AN2引脚，所述第二十电阻R20的另一端与第十九电阻R19的一端共同接激励放大模块2的负相输出R-，所述第十九电阻R19的另一端与第十八电阻R18的一端连接，所述第十八电阻R18和第二十一电阻R21的另一端接电源电压VDD，所述第二十五电阻R25的另一端分别与微控制器5的AN1以及AN2引脚连接。

上述兼容隔离和非隔离旋变的正余弦信号Buffer电路4结构，开关管S1-S4由微控制器5控制，用于选择Buffer电路。

当驱动系统所用旋变为隔离型旋变时，微控制器5控制第一开关管S1和第二开关管S2闭合，将隔离型旋变Buffer电路接入，同时断开第三开关管S3和第四开关管S4，将非隔离型旋变Buffer电路断开。此时旋变返回的正余弦信号经过偏置和比例放大，输入到微控制器5的AD端口；

当驱动系统所用旋变为非隔离型旋变时，微控制器5控制第一开关管S1和第二开关管S2断开，将隔离型旋变Buffer电路断开，同时闭合第三开关管S3和第四开关管S4，将非隔离型旋变Buffer电路接入，此时旋变返回的正余弦信号经过箝位后直接输入到微控制器5的AD端口。

具体实施时，微控制器5读取AD端口，即AN1、AN2引脚输入的正余弦信号电压值，进行差分运算，得到正余弦信号的幅值和相位关系，进一步解算当前的转子位置和转速信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路，其特征在于，它包括激励信号产生模块、激励放大模块、旋转变压器、正余弦信号Buffer电路和微控制器，所述激励信号产生模块的输出端与激励放大模块的输入端连接，所述激励放大模块的输出端与旋转变压器的输入端连接，所述旋转变压器的输出端与正余弦信号Buffer电路的输入端连接，所述正余弦信号Buffer电路的输出端与微控制器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路，其特征在于，所述激励信号产生模块包括第一电阻，所述第一电阻的一端输入正相波形，所述第一电阻的另一端分别与第一电容和第二电容的一端连接，第二电容的另一端接地；

所述激励信号产生模块包括第五电阻，所述第二电阻的一端输入反相波形，所述第五电阻的另一端分别与第三电容和第四电容的一端连接，所述第四电容的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路，其特征在于，所述激励放大模块包括第一运算放大器，所述第一电容的另一端与第一运算放大器的反相输入端连接，所述第一运算放大器的反相输入端与第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与第三电阻和第四电阻的一端连接，所述第三电阻和第四电阻的另一端以及第一运算放大器的输出端均与第一过流保护模块连接，所述第一过流保护模块分别与第一三极管和第二三极管的基极连接，所述第一三极管的集电极接电压输入，所述第二三极管的集电极接地，所述第一三极管和第二三极管的发射极与第三电阻和第四电阻的另一端连接，所述第三电阻和第四电阻的一端作为正相输出；

所述激励放大模块还包括第二运算放大器，所述第三电容的另一端与第二运算放大器的反相输入端连接，所述第二运算放大器的反相输入端与第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端与第七电阻和第八电阻的一端连接，所述第七电阻和第八电阻的另一端以及第二运算放大器的输出端均与第二过流保护模块连接，所述第二过流保护模块分别与第三三极管和第四三极管的基极连接，所述第三三极管的集电极接电压输入，所述第四三极管的集电极接地，所述第三三极管和第四三极管的发射极与第七电阻和第八电阻的另一端连接，所述第七电阻和第八电阻的一端作为负相输出。

4.根据权利要求3所述的一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路，其特征在于，所述第一过流保护模块和第二过流保护模块均包括两个过流保护放大器，每个过流保护放大器的反相输入端分别与一第九电阻、一第十一电阻和一第十二电阻的一端连接，所述过流保护放大器的正相输入端分别与一第十电阻、一第十三电阻和一第十四电阻的一端连接，所述第十二电阻和第十三电阻的另一端接参考电压。

5.根据权利要求4所述的一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路，其特征在于，第一过流保护模块中两个第九电阻的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一过流保护模块中两个第十电阻的另一端分别接至第一三极管和第二三级管的发射极，第二过流保护模块中两个第九电阻的另一端与第二运算放大器的输出端连接，第二过流保护模块中两个第十电阻的另一端分别接至第三三极管和第四三极管的发射极；

第一过流保护模块中两个过流保护放大器的输出端分别接至第一三极管和第二三级管的基级，第二过流保护模块中两个过流保护放大器的输出端分别接至第三三极管和第四三极管的基级。

6.根据权利要求5所述的一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路，其特征在于，所述正余弦信号Buffer电路包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管的漏极相接，旋转变压器的正余弦信号输出接至第一开关管的漏极，旋转变压器的负极接至第二开关管的漏极，所述第一开关管的源极与第十五电阻的一端连接，所述第十五电阻的另一端与第三运算放大器的反相输入端连接，所述第三运算放大器的反相输入端与第二十二电阻的一端连接，所述第二十二电阻的另一端与第二十三电阻的一端连接，所述第二十三电阻的另一端接至微控制器的AN1引脚，所述第二开关管的源极与第十六电阻的一端连接，所述第十六电阻的另一端与第三运算放大器的正相输入端连接，所述第十六电阻的另一端还与第十七电阻的一端连接，所述第十七电阻的另一端与微控制器的AN2引脚共同接电源电压。

7.根据权利要求6所述的一种适用于xEV逆变器的兼容性旋转变压器匹配电路，其特征在于，所述正余弦信号Buffer电路还包括第三开关管和第四开关管，旋转变压器的负余弦信号输出接至第三开关管和第四开关管的漏极，所述第三开关管和第四开关管的漏极均与第一开关管和第二开关管的漏极相接，所述第三开关管的源极分别与第二十电阻、第二十一电阻和第二十五电阻的一端连接，所述第四开关管的源极通过第二十四电阻接微控制器的AN2引脚，所述第二十电阻的另一端与第十九电阻的一端共同接激励放大模块的负相输出，所述第十九电阻的另一端与第十八电阻的一端连接，所述第十八电阻和第二十一电阻的另一端接电源电压，所述第二十五电阻的另一端分别与微控制器的AN1以及AN2引脚连接。