车用磁阻式旋变解码器及其校正算法研究

{
积， 则可得到：
S1 = S2 =
∫ ∫
π 2PHale Waihona Puke Baidu
0
π 2P
（ α e + ρ err ） dα e （ 8） α e dα e
0
S1 为区间［ 0 ，π / 2 P］ 上含有幅值不对称误 其中， 差分量 ρ err 的位置曲线与横坐标轴围成的面积， S2 为该区间内理想位置曲线与横坐标轴围成的面
π 2P π 2P
0
引
言
旋转变压器的定子和转子之间的磁通分布符 合正弦规律， 当激磁电压加到定子绕组上时， 通过 电磁耦合， 转子绕组产生感应电动势， 旋变解码器 的作用就是将转子绕组输出的感应电势转换成代 表转子轴角位置的数字信号。 目前， 旋变解码器 主要分为两种类型： 一种是专门的旋变转角数字 解码芯片， 例如美国模拟器件公司（ Analog Device Inc） 生产的 AD2S80 系列和日本 Tamagawa 公司 生产的 AU6802N1［4］ 等； 另一种是利用微处理器 及其外围电路等分离器件构建的解码器［5］。 专 用解码芯片具有体积小、 抗干扰能力强的封装特 性， 其价格较贵。 随着芯片加工技术的不断提高 和微电子技术的发展， 选用适当的低成本微处理 芯片来实现旋变解码器， 通过软件进行位置角解
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研究与设计EMCA

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旋变输出信号幅值不对称和不完全 正交引起解码误差的分析与校正
在非理想情况下， 旋转变压器的加工精度造
成了两相输出绕组线圈不完全对称， 从而导致输 出正余弦信号不完全正交； 同时自感产生的恒定 分量不能完全消除， 旋转变压器定子开口槽等影 响都会使输出信号不理想。由于实际旋转变压器 输出信号与理想信号存在偏差， 则导致基于理想 条件下建立的解码算法产生角度转换误差 。当旋 转变压器两相绕组信号存在幅值不对称和不完全 正交时， 两相输出信号可表示为 = （ 1 + τ） kU E －m cos αsin ωt 式中： τ err — — —两 相 绕 组 信 号 不 完 全 正 交 误 差 系
S3 = S1 － S2 =
∫ ∫
0
0
（ α e + ρ err ） dα e － τ sin2 P α e dα e 2
∫
0
α e dα e = （ 9）
π 2P
S3 为图 3 （ a ） 所示平行线阴影部分的面积。 由式（ 7 ） 和式（ 9 ） 即可得到幅值不对称误差分量 ρ err 为 ρ err = S3
图1
多极磁阻式正余弦旋变
图2
考斯塔斯环路基本算法原理框图
对该输出信号进行调制解调， 将高频信号低 通滤波后， 该输出信号变为 ^） U' err = kU E_m sin（ α － α （ 3） 经过反馈闭环控制， U' err 值最终趋近于零， 可
— 2 —
^ 趋近于零。 最后通过积分和角 以近似认为 α － α 度翻转， 所得到 0 ～ 2 π 间变化信号即为旋变转角 ^。 位置估计信号 α
算， 并可针对误差进行校正［6］， 从而在降低系统 成本的同时保证位置解码精度， 这无论在理论研 究上还是产品开发方面都具有现实意义 。 本文设计了一种车用磁阻式旋变解码器， 包 括解码算法及软硬件实现， 通过定性分析非理想 状况下旋变两相绕组信号含有幅值不对称和不完 全正交误差分量对解码输出角度信号的影响， 设 计了相应的校正补偿模块， 最后通过搭建与专用 RDC 解码芯片性能对比的测试平台对该方案进 行试验验证。
Research of VariableReluctance Resolver to Digital Converter for Electric Vehicles and Error Correction Algorithm
HUANG Surong， LUO Zhiwu， WANG Shuang， WANG Weichen （ School of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072 ，China）
［12 ］
， 提出一种
参考无刷电机结构的磁阻式旋转变压器［3］。
* 基金项目： 863 节能与新能源汽车重大项目（ 2008AA11A108 ） ； 上海市委科委国际合作项目（ 08590710800 ）
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摘 要： 基于考斯塔斯环路解码算法， 设计了一种车用磁阻式旋变解码电路， 并进行软硬件的设计与实
现。通过定性分析非理想状况下旋变两相绕组输出信号含有幅值不对称和不完全正交误差分量时， 对角度解 算的影响， 设计相应的校正模块， 并给予仿真分析 。搭建与专用解码芯片 AU6802 性能对比的测试平台， 对所 设计的旋变解码器进行稳态测角性能和动态性能的试验研究 。 试验结果验证了该旋变解码器设计方案的可 行性。 关键词： 磁阻式旋变； 解码电路； 误差校正 中图分类号： TM 301． 2 文献标志码： A 文章编号： 16736540 （ 2011 ） 12000106
磁阻式旋转变压器作为无接触型传感器， 采 用无刷设计， 具有体积小、 结构简单、 可靠性好、 耐 冲击、 抗干扰能力强及适应高速运行的优点， 被广 泛应用于电动汽车的电驱动系统中。1986 年美 国 Ashok Nagarkatti 等人提出磁阻式结构旋转变 压器的概念， 由于当时设计技术条件的限制， 一直 未得到广泛应用。 随着计算机、 有限元数值仿真 计算、 测试和控制等技术的发展， 磁阻式旋转变压 器得到了迅速发展。20 世纪 90 年代， Hanselman 教授分析讨论了旋转变压器的精度要求， 以及几 种非线性旋变信号对于精度的影响
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磁阻式旋变解码算法
多极磁阻式旋变中， 定子侧为初级激磁绕组
和两相正交次级信号绕组， 转子侧为与初级激磁 绕组和两相信号绕组磁通耦合的特殊结构凸极磁 极。3 个转子凸极、 定子 10 槽磁阻式旋变示意图 如图 1 所示， 定子槽内激磁绕组逐槽反向串接， 两 相输出绕组信号相位相差 π /2 电弧度。
π 2P
× sin 2 P α e
（ 10 ）
∫
0
sin 2 P α e dα e
ρ err + ε err 其中： α e — — —电角度， α e = αP M / P r ； Pr — — —旋变极对数； PM — — —电机极对数， P M / P r = P； — —幅值不对称误差分量； ρ err — — —不完全正交误差分量。 ε err —
当在旋转变压器的激磁绕组上施加频率为 ω 的高频交流激磁电压 U E = U E_m sin ωt 时， 旋转变 压器副边空间相差 90 ° 电角度的两相次级输出信 号绕组分别感应出与转子旋转角成正、 余弦关系 的电势信号为
= kU E_m cos αsin ωt 式中： k— — —旋转变压器的变比；
cos
{U U
sin
= kU E_m sin αsin ωt
（ 1）
U E_m — — —激磁电压幅值； — —旋转变压器位置角。 α— 由式（ 1 ） 可知， 旋转变压器的输出正、 余弦信 号频率与激磁电压信号的频率相同， 幅值受到角 度为 α 的正、 余弦函数的调制， U sin 、 U cos 的组合唯 一确定了位置角 α。 基于数字锁相环原理的考斯塔斯环路基本解 码算法， 采用位置角信号回馈形成闭环系统， 从而 解算出实时的位置角信息， 其原理框图如图 2 所 示， 主要由乘法器、 解调器和控制环路等几部分组 成。将旋转变压器输出的两相电压信号通过正 、 ^ 的 余弦乘法器后， 分别与转子位置角估算信号 α ^ 和 sin α ^ 相乘， 正、 余弦 cos α 再通过偏差放大器 相减后获得输出信号： ^ － U cos sin α ^ = U err = U sin cos α ^ － kUE_m sin ωtcos αsin α ^ = kUE_m sin ωtsin αcos α ^） （ 2） kU E_m sin ωtsin （ α － α
当误差系数 δ err = τ err α 很小时， cos δ err ≈ 1 ， sin δ err ≈δ err ， 则由式（ 5 ） 得 ^ ） + δ err cos αcos α ^ － U' err = kU E －m［ sin （ α － α ^］ （ 6） τcos αsin α 经过图 2 所示Ⅱ型闭环控制使得式（ 6 ） 趋近 ^ 很小， 于零， 位置角误差 α err = α － α 因此 α err ≈ sin α err 。 由此可得到旋转变压器输出信号存在幅 值不对称和不完全正交时位置角误差为 α err ≈ δ err τ sin 2 P α e － （ 1 + cos 2 P α e ） = 2 2 （ 7）
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研究与设计EMCA

车用磁阻式旋变解码器及其校正算法研究 *
黄苏融， 罗志武， 王 爽， 王维辰 （ 上海大学 机电工程与自动化学院， 上海 200072 ）
cos
（ a） 含有幅值不对称误差分量 （ b） 含有不完全正交误差分量 图3 正、 余弦绕组信号含有误差分量时位置角波形
针对幅值不对称误差分量 ρ err ， 由图 3 （ a ） 可 知：
{U
U sin = kU E －m sin（ 1 + τ err ） αsin ωt
（ 4）
数； — —两相绕组信号幅值不对称误差系数 。 τ— 由考斯塔斯环路基本算法经过推导可得出误 差信号： ^ － U err = kU E －m［ sin （ α + δ err ） cos α ^］ （ 1 + τ） cos αsin α （ 5）
Abstract： Based on costas loop algorithm，the hardware and the software of a kind of resolvertodigital converter was designed． Throughout qualitative analyzed the influences of the output angle signal when the resolver contains amplitude imbalance and imperfect quadrature between the two output sin / cos signals，an error correction module was designed and the simulation analysis was given． For the research of steady performance and dynamic performance， setting up a performance comparison test platform between the RDC this article designed and AU6802． The experimental results verified the reliability of the design scheme． Key words： variablereluctance resolver； decoding circuit； error correction