旋变解码芯片AD2S1205应用系统设计.docx

文/吴成加 赵圣宝AD2S1210 按照跟踪闭环原理，能跟踪 恒定速度输入，输出连续跟踪变变位置不存 在固有误差无需外部转换和等待状态 , 且没 有转换延迟它还可以抑制噪声，并提供参 考和输入信号的谐波失真容限从而提高精 度，当旋变的位置经过最低有效位的角度时， AD2S1205 输出 1 LSB 的分辩率转换器跟踪轴角的原理 为：由 EXC、图 1：可变磁阻旋变激励源向旋转变压器提供励磁信号，承载着位置信息的两路旋转变压器模拟信号送入 到解码电路的 SIN、 SINL、 COS、 COSL 输入端 分别经过 AD 采样后送入乘法器，分别经过乘 法运算，转换器将产生反馈角 φ 与输入角 θ、 反馈角 θ 与输入角 φ 相比较，当转换器正确跟 踪输入角度时，二者之间的误差将为 0，为了 测量误差，将 S3-S1 乘以 cosφ, 将 S2-S4 乘以 sinφ，可得到(S3 − S1)cosφ=E0sinωt×sinθcosφ (S2 − S4)sinφ= E0sinωt×cosθsinφ 二者的差值为： E0sinωt×(sinθcosφ − cosθsinφ)利用内部产生的合成基准信号来解设该 信号，得到下式：E0(sinθcosφ − cosθsinφ)=E0sin(θ − φ) 当角度误差 θ − φ 值很小时，有： E0sin(θ − φ) ≈ E0(θ − φ)则 E0(θ − φ) 值表示转子的角度误有效期 与转换器的数字角度输出二者的差值。

一个闭环系统由一个相位敏感的解调器、 一些积分器和一个补偿滤波器形成，它可以将 误差信号归零当该目标得以实现时，在转换 器的额定精度范围内，φ 等于旋转角 θ之所 以使用 Type II 跟踪环路，是因为它能跟踪恒 定速度输入，而不存在固有误差出电压（S3-S1，S2-S4）的计算公式均相同， 即式中，θ 为转子转角，sinωt 为转子激励频率，E0 激励幅度旋转变压器的两个转子 绕组机械错位 90 °，如图 1 所示其中 Vp 为 励磁电压峰值，Vr 为励磁电压，Vs 为变比后 【关键词】旋转变压器 AD2S1205 数字解码器信号转换的电压， V 、 V 分别为 S2-S4， S3-S1 感应电压，a b 初级绕组采用交流基准源激励，随后在定子次 级绕组上耦合的幅度是转子轴相对于定子的函 数因此，旋变产生由轴角的正弦和余弦调制 的两个输出电压 S3-S1，S2-S4，旋变输出信 号格式如图 2 所示本设计的旋转变压器采用日本多摩川或 上海赢双电机公司的三对极旋转变压器，旋 变的转子转动一 周，其电角度变化为 1080 度，其变压比为 0.286±10%，激励频率范围为10KHz ～ 20KHz，激励电压峰 - 峰值为 20V， 输入阻抗 180Ω，激励电流典型值为 50mA。

旋转变压器是一种能输出与转子转角或 位置成某种函数关系电信号的交流微特电机， 主要应用于角度位置伺服控制系统或运动伺服 控制系统中，作为角度位置的传感和测量用， 其可以用来精确测量转子位置信号，从而提高 运动伺服控制系统的控制性能，在电机控制领 域得到了广泛应用旋转变压器与数字解码芯 片相结合实现角度位置和速度信号解码目前 常用到的旋变数字解码芯片主要是美国 ADI 公司的 AD2S90、AD2S12xx 或日本多摩川公 司的 AU6802N1 系列 等其中 AD2S1205 是 ADI 公司推出的旋转变压器信号输出 / 检测芯 片，该芯片分辨率 12 位、最大精度可达 ±11 弧分，带有参考振荡器的数字可变 R/D 变换 器并经过汽车应用认证本文介绍了一种多极 旋转变压器与 AD2S1205 相配合的接口电路设 计针对旋转变压器解码芯片的解码原理及解 码电路滤波电容对位置角测量误差的影响进行 深入的分析，同时根据分析的结果调整解码电 路最优的滤电容，并经过仿真和试验验证了本 文分析的准确性，应用到实际工程应用中2 AD2S1205的工作原理AD2S1205 是一款 12 位分辨率旋变数字 转换器，集成片上可编程正弦波振荡器，可 以将激励频率设置为 10 kHz、12 kHz、15 kHz 或 20 kHz。

为旋变器提供正弦波激励转换 器的正弦和余弦输入端允许 3.15 V p-p ± 27% 输入信号采用 Type II 跟踪环路跟踪输入信 号，并将正弦和余弦输入端的信息转换为输入 角度和速度所对应的数字量最大跟踪速率取 决于外部时钟频率AD2S1205 的工作频 率为 8.192 MHz ± 25%，最大跟踪速率为 1250 rps支持增量式编码仿真输出，输出脉冲数1204 脉冲 / 转增量式编码器仿真采用标准 A-quad-B 格式，并提供方向输出2.2 AD2S1205接口电路设计AD2S1205 外围电路如图 3 所 示采用 模 拟、数字电路隔 离，旋变解码电路控制 与数据读取通过磁隔离电路 ADuM1400 和 ADuM1401 与数字信号处理器 TMS320F28335 进行通讯，实现信号隔离输入电路激励频率 为 10KHzAD2S1205 片上振荡器向旋变器提供正弦波激励信（ EXC）及其互补信号（）1 旋变解码芯片 该基准信号的频率可通过 FS1 和 FS2 引脚设 置为四个标准频 率（10kHz、12kHz、15kHz 或 20kHz）（见表 1）。

FS1 和 FS2 具备内部 上拉电阻，因此默认频率为 10KHz这一信号基本的旋转变压器分经典旋变和可变磁 阻式旋变等，它们在结构和绕组的要配方式上 各不相同，但无论何种形式的旋变，其旋变输2.1 工作理论●注：此文系国家国际科技合作项目插电式混合动力大客车关键技术引进与创新（2012DFA80370）摘 要介绍了一种适用于新能源 汽车交流异步电机转子位置解码 系统的设计方案，应用旋转变压 器 / 数 字 转 换 器 AD2S1205， 将 旋转变压器输出的模拟信号转化 为数字信号，以便于 DSP 进行处 理介绍了旋转变压器的基本原 理， 设 计 了 AD2S1205 与 旋 转 变 压 器 及 TMS320F28335 数 字 信 号 处理器的接口电 路，并在安凯 HFF6140K07CHEV 插电式混合动力 客车上投入使用，取得了非常好 的实际应用效果实验证明，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·Automotive Electronics汽车电子的幅度围绕 2.5V 变化，峰值幅度为 3.6Vp-p。

模式配置如表 1 所 示基准信号的频率是 CLKIN 频率的函数通过降低 CLKIN 频率可 以降低激励频率的最小值因此，当 CLKIN 频率为 6.144 MHz 时，激励频率为 7.5 kHz， 同时将最大跟踪速率降至750 rps ， 如表1 所示 表 1：激励频率设置AD2S1205 的基准输出需要一个外部缓冲 放大器来提供增益和额外电流，以驱动旋变 设计的缓冲电路见图 4此外，AD2S1205 还提供一个相位锁定 至其正弦和余弦输入的内部合成基准信号旋 变初级绕组与次级绕组之间的相位误差会降 低 RDC 的精度，而该同步基准信号可以补偿 这一相位误差此外，它还能补偿温度变化和 传输线缆所引起的相移，从而不需要在外部预 设相位补偿电路AD2S1205 的输入信号 SIN （COS）与 SINL（COSL）两者典型的压差是 3.15VP-p, 输入差分信号不能低于零电位，使 用一个上接和下拉电阻，来改善系统的噪声性 能如图 5 所示图 2：旋变信号示意图器的数据通过一个 SPI 接 口（SO、CS/器；当引脚保持低电平时，芯片才能将所和 SCLK）进行存 取，其最高时钟速率达 选寄存器内的数据传输至输出寄存器。

当25MHz本方案中将引脚接地，维持在输入出现下降沿时，角位置信息被传送至输出 缓冲器数据通过串行输出引脚 SO，在每个 时钟 SCLK 的上升沿被读出，选中这个串行接 口后，DB11 可被用作串行输出引脚（SO）； DB10 可被用作串行时钟输入引脚（SCLK）； 引脚 DB0 至 DB9 进入高阻态 输出移位寄存器为 16 位宽数据以 16 位低电平状态，可选中此串行接口引脚通过处理器进行控制，当该引脚发生高电 平至低电平的状态转换后，位置积分器和速度2.3 外部接口 积分器的数据首先通过引脚分别传AD2S1205 提 供 了 两 个 12 位 寄 存 器， 用来保存角位置信息和角速度信 息；寄存 输到位置寄存器和速度寄存器内引脚选择将位置寄存器内的数据传输至输出寄存5V 5V R44 R45G NDT P15V CC5V100nF100nF 2T P7LT P8G PIO 1245T P9G PIO 135T P10G PIO 146710pF5V G ND5V5V8G NDL 17 5VFB22T P16100nFV CC5V U 41 100nF31090DV CC D5V100nFG ND图 3：AD2S1205 外部电路图电子技术与软件工程 • 259Electronic Technology & Software Engineering12CS/RD 3SAMPLE 456SO7SCLK 89101133 RESET32313029DVdd RD CSSAMPLE RDVEL SOE DB11/SODB10/SCLK DB9DB8DB7RESET FS2FS1LOT DOS DIR N/M BA CPODGND282726252423DIRBAC27 100nF16V DD 2 V DD 1G ND 2 G ND 1B1 A 1B2 A 2B3 A 3A 4 B4E N2 E N1G ND 2 G ND 11C22 152T P11G PIO 15 143 U 1-7 SOT P12 G PIO 16 134 U 1-25 AT P13 G PIO 17 125 U 1-26 BT P14 G PIO 18 116 U 1-33 RESET R41107 5V C24 9C23 100nF8C28100nF A DU M1401U 3C251V DD 1 V DD 2G ND 1 G ND 2A 1 B1A 2 B2A 3 B3A 4 B4E N1 E N2G ND 1 G ND 21615C2014 U 1-4 SAM PG PIO 11 313 U 1-8 SCL K12 U 1-2 CS/RD11 U 1-28 D IR10 5VV CC 79C26 100nFC21 8100nF A DU M1400G ND 5V E R34R3 10KR3 10K6 R3 10K 10KR45.1K D 25.1K D 1G ND 5.1K5.1KE XC 34E XC CLK IN E XC X YA LO UT A GN D 。