基于英飛凌AURIX的RDC設(shè)計(jì)

作者/李詩(shī)念 英飛凌集成電路(北京)有限公司（北京 100176）

　　1 RDC的基本原理

　　從本質(zhì)上來(lái)講，旋轉(zhuǎn)變壓器就是一個(gè)一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)的變壓器，這也是它名字的由來(lái)。如圖1所示，R1-R2為一次側(cè)繞組為勵(lì)磁繞組，需要通以圖1(b)中的第三個(gè)信號(hào)。S1-S2和S2-S4為二次側(cè)繞組分別為正弦繞組和余弦繞組，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，他們輸出正弦調(diào)制和余弦調(diào)制的信號(hào)(圖1(b)中第一個(gè)和第二個(gè)信號(hào))。

　　當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵(lì)信號(hào)是， 那么旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出可以描述為：

　　根據(jù)這個(gè)公式，可以很容易的得到轉(zhuǎn)子的角度計(jì)算公式：

      這就是RDC的基本公式。

　　圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器及其信號(hào)

　　2基于英飛凌AURIX的RDC方案

　　2.1 AURIX簡(jiǎn)介

　　AURIX是英飛凌推出的滿(mǎn)足未來(lái)幾代車(chē)輛的車(chē)用多核單片機(jī)系列，其多核架構(gòu)包含多達(dá)3顆獨(dú)立32位TriCore處理核，可滿(mǎn)足業(yè)界最高安全標(biāo)準(zhǔn)ASIL D。AURIXTM家族為了滿(mǎn)足不同的應(yīng)用和性能需要，同樣提供了不同數(shù)量的核和不同外設(shè)，例如在高端的芯片中有直接用于RDC的DSADC模塊，但在低端芯片中就沒(méi)有。AURIXTM系列單片機(jī)具有豐富的硬件資源接口和外設(shè)，強(qiáng)大的計(jì)算能力和全面的安全診斷，推動(dòng)著汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。AURIXTM有多種通信接口，例如MultiCan+, ASCLIN, QSPI, EtherMAC, E-Ray等，有多個(gè)PWM產(chǎn)生單元例如GTM，CCU6，有不同ADC模塊VADC和DSADC，綜多安全機(jī)制模塊例如IOM，HSM，F(xiàn)CE等。AURIXTM的主頻高達(dá)200 MHz, 具有高性能浮點(diǎn)運(yùn)算，集成硬件除法單元等。

　　2.2 RDC的解決方案

　　針對(duì)RDC這一應(yīng)用，AURIX有多種實(shí)現(xiàn)方案，其中最為直接的就是應(yīng)用DSADC是實(shí)現(xiàn)的RDC。但在AURIX的大家族中，DSADC只存在于高端的一些型號(hào)之中，而其他一些的芯片諸如TC23x, TC22x, TC21x等就沒(méi)有DSADC，那么本文所述的用VADC實(shí)現(xiàn)的方法將是一個(gè)非常好的選擇，而這個(gè)方法同樣適用于那些高端的芯片。

　　圖2 用VADC實(shí)現(xiàn)的RDC方案

　　如圖2所示，外設(shè)GTM-TOM模塊有兩個(gè)作用。首先，TOM子模塊產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)信號(hào)需要的SPWM信號(hào)，而這個(gè)SPWM的周期事件會(huì)觸發(fā)DMA控制器更新TOM子模塊通道的正弦信號(hào)比較值，這兩個(gè)模塊共同作用產(chǎn)生了SPWM信號(hào)。其次，TOM子模塊產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)信號(hào)同頻的周期信號(hào)，這一信號(hào)觸發(fā)VADC去對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋信號(hào)進(jìn)行采樣。

　　TOM子模塊的結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。GTM中有兩個(gè)TOM(0/1)模塊，每個(gè)TOM模塊有15個(gè)通道，這15個(gè)通道分為兩個(gè)區(qū)，分別為兩個(gè)控制單元TGC0和TGC1所控制。當(dāng)要產(chǎn)生一個(gè)PWM時(shí)，首先需要要一個(gè)通道作為時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，其后的通道可以作為PWM產(chǎn)生的通道。在這個(gè)應(yīng)用中，我們需要兩路PWM，一路作為產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)的正半周信號(hào)，另一路作為正弦激勵(lì)信號(hào)的負(fù)半周信號(hào)。這兩路PWM信號(hào)只要一個(gè)基礎(chǔ)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，但這里為了使用更加靈活，給每一路PWM設(shè)定了一個(gè)基礎(chǔ)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器。如圖3(b)所示的例子，TOM0的CH0作為SPWM+的基礎(chǔ)時(shí)鐘，其周期事件觸發(fā)DMA更新后面的CH2的比較值，從而產(chǎn)生SPWM+;TOM0的CH10作為SPWM-的基礎(chǔ)時(shí)鐘，其周期事件觸發(fā)DMA更新后面的CH12的比較值，從而產(chǎn)生SPWM-。而CH5作為VADC采樣觸發(fā)信號(hào)的基礎(chǔ)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，可以調(diào)節(jié)CH6的比較值從而改變旋轉(zhuǎn)變壓器反饋信號(hào)的采樣點(diǎn)。

　　圖3 在應(yīng)用中的GTM-TOM架構(gòu)和安排

　　DMA主要是用來(lái)更新產(chǎn)生SPWM的比較值。DMA是通過(guò)DMA控制器管理數(shù)據(jù)和地址，通過(guò)事先設(shè)定好的源地址和目的地址以及數(shù)據(jù)傳送的方式，將數(shù)據(jù)從源自動(dòng)傳送到目的地址，而不需要CPU的接入，從而減少CPU的負(fù)擔(dān)。DAM的結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，DAM的通道數(shù)高達(dá)64個(gè)，在低端芯片中也有16個(gè)通道。在RDC這個(gè)應(yīng)用中，為了應(yīng)用的靈活性，用CH0的周期事件觸發(fā)DMA的通道10更新CH2 的比較值，用CH10的周期事件觸發(fā)DMA的通道9更新CH12的比較值，而這些比較值的來(lái)源是預(yù)先建立的正弦值數(shù)組。

　　圖 4 DMA 架構(gòu)及工作流程

　　VADC模塊是逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它支持5V和3.3V兩種電壓，多達(dá)8個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器有8個(gè)通道，并且支持多個(gè)轉(zhuǎn)換器同步工作，轉(zhuǎn)換時(shí)間可調(diào)，在保證精度情況下，轉(zhuǎn)換時(shí)間在1微秒以?xún)?nèi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果可選擇8位，10位和12位，轉(zhuǎn)換結(jié)果還支持FIR和IIR濾波。在這個(gè)應(yīng)用中，TOM0的CH6的比較事件觸發(fā)了VADC的采樣，這個(gè)采樣的頻率跟之前旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵(lì)信號(hào)同頻，都為10 kHz。為了使得采樣的噪聲更小，一致性更好，采樣點(diǎn)設(shè)置在正弦調(diào)制信號(hào)的載波信號(hào)的頂部或者底部，通過(guò)調(diào)整CH6 的SR0的值，就可以實(shí)現(xiàn)這一目的。

　　圖5 旋轉(zhuǎn)變壓器及其信號(hào)

　　2.3模擬放大電路設(shè)計(jì)

　　用于旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)信號(hào)的放大電路如圖6所示。這是一個(gè)閉環(huán)的放大電路，能夠有效去除激勵(lì)信號(hào)中高頻脈沖噪聲，電路中電阻R22, R23和R26, R33可以分別調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)正負(fù)半周的直流偏移量，而電阻R5, R6和R30, R31可以分別用來(lái)調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)正負(fù)半周的幅值。

　　圖6 激勵(lì)信號(hào)的放大電路

　　當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器一次側(cè)繞組輸入激勵(lì)信號(hào)以后，二次側(cè)繞組就會(huì)輸出以激勵(lì)信號(hào)為載波信號(hào)的正余弦調(diào)制信號(hào)。為了抑制干擾，這兩路信號(hào)是都是差分形式，而AURIX的VADC的輸入是單端輸入模式，所以需要一個(gè)差分轉(zhuǎn)單端的運(yùn)算放大電路。這個(gè)電路還可以調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的電壓范圍，并且可以進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，從而使得整個(gè)轉(zhuǎn)化器的效果更好。電路中R21和R25 可以用來(lái)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的直流偏置量，R8, R9, R15和R34, R39, R40則可以調(diào)節(jié)信號(hào)的幅值，使之滿(mǎn)足ADC的輸入范圍要求。

　　圖7 差分到單端運(yùn)放電路

　　3 RDC算法及仿真

　　當(dāng)VADC轉(zhuǎn)換完成以后產(chǎn)生一個(gè)中斷，AURIX的核TriCore執(zhí)行RDC的軟件算法。RDC的算法如下圖所示，首先從VADC的結(jié)果寄存器讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，這些值正是旋轉(zhuǎn)變壓器輸出調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)線(xiàn)——兩條正交的正弦曲線(xiàn)。由于模擬器件的誤差，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)直流信號(hào)位移偏差，幅值大小也不一致，所以第二步進(jìn)行了位移和幅值的校正。然后是正余弦值的一個(gè)除法，并根據(jù)正余弦值的正負(fù)特性計(jì)算反正切值，其就是旋變轉(zhuǎn)子的位置角度。但這個(gè)結(jié)果中耦合很多的噪聲，不能夠直接用來(lái)控制電機(jī)，否則會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的性能。為了使得角度信號(hào)更加的平滑，加入了一個(gè)角度觀(guān)測(cè)器，如圖(6b)所示，其本質(zhì)就是一個(gè)PID控制器。

　　圖8 RDC算法框圖

　　為驗(yàn)證軟件算法的性能，將整個(gè)算法在MATLAB進(jìn)行了仿真，如下圖所示。圖中既有階躍信號(hào)輸入，也有連續(xù)旋變信號(hào)輸入，并且加入了2%的白噪聲。

　　圖9 RDC算法仿真框圖

　　仿真結(jié)果如下圖所示，左邊的圖是180°的階躍響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間約為20ms。右邊圖是角度觀(guān)測(cè)器的結(jié)果，紫色的線(xiàn)是反正切函數(shù)的結(jié)果，黃色線(xiàn)是角度觀(guān)測(cè)器的輸出，可以看出，角度觀(guān)測(cè)器的結(jié)果比之前的結(jié)果要平滑很多。

　　圖10 仿真結(jié)果

　　4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)論

　　圖11 (a)顯示了AURIX芯片輸出的SPWM信號(hào)，圖11(b)這種，黃色的正弦信號(hào)就是旋變的激勵(lì)信號(hào)，而藍(lán)色和紫色正是差分轉(zhuǎn)單端運(yùn)放的輸出信號(hào)，信號(hào)正弦度高且噪聲很小。

　　圖11 仿真結(jié)果

　　如前面所述，角度觀(guān)測(cè)器的性能至關(guān)重要。下圖是本案所設(shè)計(jì)的觀(guān)測(cè)器180°的階躍響應(yīng)。橫坐標(biāo)每個(gè)數(shù)字量為0.1ms, 縱坐標(biāo)單位是rad，可以看出180°的響應(yīng)時(shí)間約為20ms。這個(gè)性能完全可以匹敵市場(chǎng)上的RDC IC。

　　圖12 RDC算法仿真框圖

　　考慮到汽車(chē)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用情況，本案中截止頻率設(shè)置到1kHz。下圖是旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)速為960Hz的情況，上面部分為校正以后的正交信號(hào)，下面部分是解碼出來(lái)的角度位置信號(hào)，其中紅色的反正切函數(shù)的輸出，綠色的是觀(guān)測(cè)器的輸出?？梢钥闯龈咚贂r(shí)，信號(hào)的并沒(méi)有出現(xiàn)相位滯后的情況，信號(hào)也很光滑。

　　圖13 RDC算法仿真框圖

　　當(dāng)應(yīng)用軟件進(jìn)行RDC算法計(jì)算的時(shí)候，一個(gè)很大的擔(dān)憂(yōu)就是CPU的負(fù)載量，畢竟角度解算只是控制器工作的很小一部份內(nèi)容。本案的芯片是TC234，CPU主頻為133MHz,下面一張圖展示了CPU的運(yùn)算時(shí)間。 如圖所示，藍(lán)色和紫色曲線(xiàn)為VADC的輸入(旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正交信號(hào))，在其峰值點(diǎn)進(jìn)行的采樣轉(zhuǎn)化，之后進(jìn)入中斷進(jìn)行解碼運(yùn)算。黃色曲線(xiàn)的上升沿為計(jì)算開(kāi)始，下降沿為計(jì)算結(jié)束，總的計(jì)算時(shí)間約為1.4us，用時(shí)很短，完全可以滿(mǎn)足各種應(yīng)用要求。

　　圖14 RDC算法仿真框圖

　　綜上所述，基于AURIX的RDC的解決方案，不僅信號(hào)特質(zhì)優(yōu)良，而且降低了所涉及的硬件系統(tǒng)成本。在汽車(chē)領(lǐng)用領(lǐng)域，這一軟件解決方案完全可以可以取代已有的RDC IC的方案，既提高了系統(tǒng)的可靠性而且降低了系統(tǒng)的成本。

　　參考文獻(xiàn)：

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