基于英飛凌AURIX的RDC設計

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，旋轉變壓器就是一個(gè)一次側繞組和二次側繞組可以相對旋轉的變壓器，這也是它名字的由來(lái)。如圖1所示，R1-R2為一次側繞組為勵磁繞組，需要通以圖1(b)中的第三個(gè)信號。S1-S2和S2-S4為二次側繞組分別為正弦繞組和余弦繞組，當轉子旋轉的時(shí)候，他們輸出正弦調制和余弦調制的信號(圖1(b)中第一個(gè)和第二個(gè)信號)。

　　當旋轉變壓器的激勵信號是， 那么旋轉變壓器的輸出可以描述為：

　　根據這個(gè)公式，可以很容易的得到轉子的角度計算公式：

      這就是RDC的基本公式。

　　圖1 旋轉變壓器及其信號

　　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)用多核單片機系列，其多核架構包含多達3顆獨立32位TriCore處理核，可滿(mǎn)足業(yè)界最高安全標準ASIL D。AURIXTM家族為了滿(mǎn)足不同的應用和性能需要，同樣提供了不同數量的核和不同外設，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系列單片機具有豐富的硬件資源接口和外設，強大的計算能力和全面的安全診斷，推動(dòng)著(zhù)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，綜多安全機制模塊例如IOM，HSM，FCE等。AURIXTM的主頻高達200 MHz, 具有高性能浮點(diǎn)運算，集成硬件除法單元等。

　　2.2 RDC的解決方案

　　針對RDC這一應用，AURIX有多種實(shí)現方案，其中最為直接的就是應用DSADC是實(shí)現的RDC。但在A(yíng)URIX的大家族中，DSADC只存在于高端的一些型號之中，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)現的RDC方案

　　如圖2所示，外設GTM-TOM模塊有兩個(gè)作用。首先，TOM子模塊產(chǎn)生旋轉變壓器激勵信號需要的SPWM信號，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比較值，這兩個(gè)模塊共同作用產(chǎn)生了SPWM信號。其次，TOM子模塊產(chǎn)生與旋轉變壓器激勵信號同頻的周期信號，這一信號觸發(fā)VADC去對旋轉編碼器的反饋信號進(jìn)行采樣。

　　TOM子模塊的結構如圖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，分別為兩個(gè)控制單元TGC0和TGC1所控制。當要產(chǎn)生一個(gè)PWM時(shí)，首先需要要一個(gè)通道作為時(shí)鐘計數器，其后的通道可以作為PWM產(chǎn)生的通道。在這個(gè)應用中，我們需要兩路PWM，一路作為產(chǎn)生正弦激勵信號的正半周信號，另一路作為正弦激勵信號的負半周信號。這兩路PWM信號只要一個(gè)基礎時(shí)鐘計數器，但這里為了使用更加靈活，給每一路PWM設定了一個(gè)基礎時(shí)鐘計數器。如圖3(b)所示的例子，TOM0的CH0作為SPWM+的基礎時(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)信號的基礎時(shí)鐘計數器，可以調節CH6的比較值從而改變旋轉變壓器反饋信號的采樣點(diǎn)。

　　圖3 在應用中的GTM-TOM架構和安排

　　DMA主要是用來(lái)更新產(chǎn)生SPWM的比較值。DMA是通過(guò)DMA控制器管理數據和地址，通過(guò)事先設定好的源地址和目的地址以及數據傳送的方式，將數據從源自動(dòng)傳送到目的地址，而不需要CPU的接入，從而減少CPU的負擔。DAM的結構如圖4(a)所示，DAM的通道數高達64個(gè)，在低端芯片中也有16個(gè)通道。在RDC這個(gè)應用中，為了應用的靈活性，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)源是預先建立的正弦值數組。

　　圖 4 DMA 架構及工作流程

　　VADC模塊是逐次逼近型數模轉換器，它支持5V和3.3V兩種電壓，多達8個(gè)獨立轉換器，每個(gè)轉換器有8個(gè)通道，并且支持多個(gè)轉換器同步工作，轉換時(shí)間可調，在保證精度情況下，轉換時(shí)間在1微秒以?xún)?，轉換結果可選擇8位，10位和12位，轉換結果還支持FIR和IIR濾波。在這個(gè)應用中，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變壓器的激勵信號同頻，都為10 kHz。為了使得采樣的噪聲更小，一致性更好，采樣點(diǎn)設置在正弦調制信號的載波信號的頂部或者底部，通過(guò)調整CH6 的SR0的值，就可以實(shí)現這一目的。

　　圖5 旋轉變壓器及其信號

　　2.3模擬放大電路設計

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

　　圖6 激勵信號的放大電路

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

　　圖7 差分到單端運放電路

　　3 RDC算法及仿真

　　當VADC轉換完成以后產(chǎn)生一個(gè)中斷，AURIX的核TriCore執行RDC的軟件算法。RDC的算法如下圖所示，首先從VADC的結果寄存器讀取ADC的轉換結果，這些值正是旋轉變壓器輸出調制信號的包絡(luò )線(xiàn)——兩條正交的正弦曲線(xiàn)。由于模擬器件的誤差，信號會(huì )出現直流信號位移偏差，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，并根據正余弦值的正負特性計算反正切值，其就是旋變轉子的位置角度。但這個(gè)結果中耦合很多的噪聲，不能夠直接用來(lái)控制電機，否則會(huì )嚴重影響電機的性能。為了使得角度信號更加的平滑，加入了一個(gè)角度觀(guān)測器，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。圖中既有階躍信號輸入，也有連續旋變信號輸入，并且加入了2%的白噪聲。

　　圖9 RDC算法仿真框圖

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

　　圖10 仿真結果

　　4 實(shí)驗和結論

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

　　圖11 仿真結果

　　如前面所述，角度觀(guān)測器的性能至關(guān)重要。下圖是本案所設計的觀(guān)測器180°的階躍響應。橫坐標每個(gè)數字量為0.1ms, 縱坐標單位是rad，可以看出180°的響應時(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)際應用情況，本案中截止頻率設置到1kHz。下圖是旋轉變壓器轉速為960Hz的情況，上面部分為校正以后的正交信號，下面部分是解碼出來(lái)的角度位置信號，其中紅色的反正切函數的輸出，綠色的是觀(guān)測器的輸出?？梢钥闯龈咚贂r(shí)，信號的并沒(méi)有出現相位滯后的情況，信號也很光滑。

　　圖13 RDC算法仿真框圖

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

　　圖14 RDC算法仿真框圖

　　綜上所述，基于A(yíng)URIX的RDC的解決方案，不僅信號特質(zhì)優(yōu)良，而且降低了所涉及的硬件系統成本。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，既提高了系統的可靠性而且降低了系統的成本。

　　參考文獻：

　　[1]Resolver to Digital Conversion Using the DSADC, AP32270, www.infineon.com

　　[2]Chris Li, RDC design based on TC1782, PCIM, 2014

　　[3]TC21x/TC22x/TC23x Family user manual, V1.1, 2014-12, www.infineon.com

　　[4]謝輝,徐輝.英飛凌多和單片機應用技術(shù)—AURIXTM三天入門(mén)篇[D],天津：天津大學(xué)出版社,2017,9.

　　[5]Evaluation Kit for Applications with HybridPACK?2 Module, www.infineon.com