角位置检测系统及其在电动助力转向系统中的设计与应用

1 引 言

基于电磁感应原理的旋转变压器（Resolver），有时又称为解算器，是一种精密控制电机，在电动助力转向系统中，完成轴角位移信息的检测功能。由于它是模拟机电元件，所以，当其用于数字系统中，就需要一定的接口电路，即旋转变压器－数字变换器（RDC），以实现模拟量信号到控制系统数字量的转换。由旋转变压器和AD2S83就可以构成高精度的电动助力角位置检测系统，而且AD2S83输出的模拟速度信号还可以作为速度反馈信号以构成电动助力转向系统中的速度回路。

2 旋转变压器

旋转变压器（resolver）是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。若旋转变压器的励磁电压为E=Esinwt，则正交的A、B两相绕组中感应的电动势为：

旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。

3 AD2S83简介

AD2S83是美国ADI公司推出的以BiMOS II工艺制造的，将先进的CMOS逻辑电路与高精度双极线性电路相结合的单片集成电路。它功耗低（300mW），其数字输出分辨率可被用户设置成10，12，14或16位，并具有速度输出信号可供用户作为速度回路的速度反馈信号使用，以取代测速发电机等测速元件，从而缩小了系统的体积。 AD2S83按图1连接后，就构成一个工作于II型伺服环的跟踪式RDC，其数字输出能以选取的最大跟踪速率自动跟踪轴角输入，没有静态误差。由于它在把旋转变压器信号转换为二进制时，采用比率式跟踪方法，输出的数字角仅与SIN和COS输人信号的比值有关，而与它们的绝对值大小无关，因此，AD2S83对输人信号的幅值和频率变化不敏感，不必使用稳定、精确的振荡器来产生参考信号，而仍能保证精确度。转换环路中相敏检测器的存在保证了对参考信号中的正交分量有很高的抑制能力。另外，它抑制噪声、谐波的能力强。AD2S83突出的优点就在于它可由用户选择相应的参数来优化整个系统的性能。

角位置检测电路的设计

位置检测电路设计的关键，就是要正确地选择AD2S83的外围元件。下面就介绍AD2S83外围元件的选择。应注意选用量接近理想值的元件，并工作于允许的温度范围内。选用误差等级为5%的元件并不会降低转换器的性能。参见图1。

4.1 高频滤波器元件R1、R2、C1、C2的选择

滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及π型两种。

高频滤波器的作用是消除直流偏置和减少进入到AD2S83信号中的噪声，因为它们影响相敏检测器的输出。在有来自开关电源和无刷电机的噪声时，其作用尤其重要。元件参数的选择如下：

C1=C2=15k ≤R1=R2≤56k (3)

(4)

当取R2＝R3，C1＝C3时，只R1、C2可以省略。

注意：由于该高频滤波器对输入到相敏检测器的信号有3倍的衰减，因此，它会影响环路的增益。

4.2 增益比例电阻R4的选择

若C1，C2满足（3）式和（4）式，则
 

(5)

否则

(6)

 其中，100 10 电流/LSB；

4.3 R3、C3的选择

合适的R3、C3使信号在参考频率上没有明显的相位移，两元件为：
 

(7)

4.4 最大跟踪速率的选择

VCO的输入电阻R6用来设置变换器的量大跟踪速率。若在量大跟踪速率时，速度输出为8V，则R6为

(8)

其中，T不能超过最大跟踪速率或参考信号频率的l／16，N为输出分辨率。

4.5 闭环带宽的选择

当参考频率为400Hz时，带宽的典型值为100Hz，当参考频率为5kHz时，带宽的典型值为500Hz到1000Hz。C4，C5，R5按

下式选择：

                 (9)

4．6 VC0相位补偿

4.7 偏置调整

积分器输入端的漂移与偏置电流会引起变换器输出端额外的位置漂移，如果能忽略漂移，则可省略R8，R9，否则应取R8＝4.7M ，R9＝1M （电位器）。为了减小零点漂移，首先选择好AD2S83的外围元件，并断开AD2S83与旋转变压器的连接，然后连接COS与REFERENCE INPUT两个引脚，SIN与SIGNAL GROUND两个引脚，加上电源与参考信号后，调节电位器R9，使输出为全“0”。

4.8 输出分辨率的选择

AD2S83的输出分辨率可以通过SC1，SC2 两个管脚的逻辑状态被用户设置为lO，12，14，16位，具体见表2

5 AD2S83在EPS系统中的应用

EPS板保温体系是由特种聚合胶泥、EPS板，耐碱玻璃纤维网格布称和饰面材料组成。集保温、防水、防火，装饰功能为一体的新型建筑构造体系。该技术将保温材料置于建筑物外墙外侧，不占用室内空间，保温效果明显，便于设计建筑外形。EPS泡沫是一种热塑性材料，每立方米体积内含有300--600万个独立密闭气泡，内含空气的体积为98%以上，由于空气的热传导性很小，且又被封闭于泡沫塑料中而不能对流，所以EPS是一种隔热保温性能非常优良的材料。 用途：用于建筑内外墙保温、地热采暖、冷库、冷藏室、轻体房、低温箱、保鲜箱 产品规格（mm）：尺寸：1250×6000×600　1000×2000×500 厚度：0.5-600 注：按用户要求生产各种规格 技术指标 密度（kg/m3）：15-30 导热系数（W/mh）：0.041 抗拉强度（kg/m2）：2.5-3.5 尺寸稳定性使用温度（℃）：+70

电动助力转向系统必须满足很高的实时性和较高的精度要求，同时要确保其具有高的可靠性。基于无刷旋转变压器与AD2S83集成电路的优点，选用高可靠性的无刷旋转变压器与AD2S83构成这EPS系统角位置检测系统，并以AD2S83的模拟速度输出信号作为速度反馈信号构成EPS系统的速度回路是设计这些EPS系统时较好的选择。系统框图见图2。

5.1位置检测单元硬件电路设计及实现

在具体实现该电路时应注意十Vs，-Vs 与 ANALOG GROUND 之间，+VL与DIGITAL GROUND之间要分别并联100uF（陶瓷）和lOuF（钽）的去耦电容，它们应尽量靠近AD2S83变换器放置，而且每个变换器都应有自己单独的去耦电容。旋变的两个信号接地端应连到变换器的SIGXAL GROUND管脚，以减少正、余弦信号间的耦合，另外，旋变的正、余弦信号以及参考信号最好分别使用双绞屏蔽线。

5.2 AD2S83与单片机的连接

下面介绍单片机对AD2S83 RDC的操作，在此之前先对AD2S83变换器的控制信号加以简单的说明：

根据系统的性能指标，选择分辨率为12bit，励磁频率为5KHz，最大跟踪频率为260rps，带宽为520Hz。按照上述计算方法选定AD2S83的外围元件后，即可设计出速度反馈与位置检测电路。硬件连接图如下：

输入：

信号只禁止可逆计数器向输出锁存器传送数据，并不打断跟踪环的工作，释放该信号将自动产生一个BUSY，并刷新输出锁存器。

输入：

信号决定了输出数据的状态，高电平时，输出数据管脚保持在高阻状态。低电平时，允许输出锁存器中的数据传送到输出管脚上。对

的操作不会影响变换器的工作。

BYTESELECT输入：无论该信号的状态如何当

为低电平时，低位字节就将出现在数据输出线DB9—DBl6上。当BYTE SELECT为高电平时．高8位字节将出现在数据输出线DBl—DB8上；当BYTE SELECT为低电平时，低8位字节将出现在数据输出线DBl—DB8上．它们同时也出现在DB9—DBl6上。

速度信号：速度信号是由积分器输出的与速度成正比的直流信号，在许多情况下可以使用该信号代替传统的测速发动机。

5.3单片机对AD2S83读取数据的过程：

首先对AD2S83施加

信号，阻止锁存器的刷新．当

被置为低电平并延迟600ns后数据有效．单片机对BYTE SELECT 操作，把

信号置为低电平后，读完数据后，应立即释放

信号．把它置为高电平．以使输出锁存器能被刷新.该过程可以通过下面的时序图来表示：

6 结束语

本文介绍了AD2S83RDC集成电路的应用，并设计了由该集成电路和旋转变压器构成的EPS系统中位置检测系统，并已成功的应用到市科委在汽车学院的EPS项目当中。经实践表明，该系统具有误差小、实时性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点。