基于ST Bernina芯片的旋变软解码方案

旋转变压器（简称旋变）是一种输出电压随转子转交变化的信号原件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅度与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系输出。旋转变压器具有（1）可靠性高，能够抗恶劣环境条件的特点；（2）支持高转速；（3）绝对位置信号输出等特点，由此比较多的在电动汽车牵引电机等场合使用。图1描述了旋转变压器及其信号。

图1  旋转变压器及其信号

早先，大多数工业及车用系统采用旋转变压器及专用数字解码芯片（例如AD2S1210）结合的方案来实现角度位置的测量。随着数字微控制器的升级，通过MCU进行采样后软件解码有了可能。 意法半导体的新一代Bernina（SPC58NN），具备了200MHz主频，3核心 e200z4核心，支持浮点运算加速、6MbyteFlash、支持GTM344、6个独立的16bitSigma-DeltaADC模块和最高12bit多通道SARADC、ASIL-D安全等级等特性，使得我们可以基于该芯片对旋变信号进行软件解码。意法半导体联合第三方设计公司上海革路电子科技有限公司，开发了基于Bernina与L9396安全监控SBC结合，集成旋变激励生成和软件解码的参考设计。

图2  基于Bernina的电机控制器控制板

基于上述控制器平台，旋变解码系统框图如下：

图3  基于Bernina的旋变软解码框图

激励信号生成部分基于Bernina的GTM344模块提供旋变器激励（Excitation）信号,使用基于GTM中的PSM，AFE，FIFO，F2A等功能，结合ATOM，进行PWM调制的数字信号输出，经过信号调理电路，输出一定幅度和10KHz频率的正弦波激励信号。

信号采集部分，针对激励信号回采及正弦和余弦信号，使用3组差分Sigma-DeltaADC进行采样测量，结合内部DMA，进行高速的数据采集，经过BerninaPowerPC200MHz主频e200z425核心，FPU加速等功能，实现模拟信号的预处理、正弦和余弦包络计算及最终角度和速度的解码。

在至关重要的角度解码过程中，通常旋变解码采用顶点反正切法，极值比较法，正余弦包络权重解码方法等，其中正余弦包络权重解码方法抑制噪声，抵抗环境干扰的效果最好。

完成正余弦包络权重解码方法需要如下步骤：

（1）同步激励信号及正余弦信号的DMA数据

（2）识别激励信号的过零点

（3）基于上述过零点，计算正余弦信号的权重向量

（4）计算正弦和余弦采集样本的包络

（5）解码角度

（6）补偿计算

（7）速度计算
 

下图是电机转速2000RPM时旋变器正余弦信号（示波器捕捉）

图4  旋转变压器转子旋转过程产生的正弦和余弦信号

下图是BerninaSigma-DeltaADC得到的EXC激励信号

图5  BerninaEXC激励信号回采

下图是BerninaSigma-DeltaADC得到的正余弦信号

图6  Bernina对旋变器正弦和余弦信号回采

下图是经过计算后的正余弦包络信号

图7  Bernina对旋变器正弦和余弦包络计算

进一步计算、修正后，得到最终角度值。

图8  Bernina对旋变器角度解码

经过以上方案评估，基于Bernina（SPC58NN）的高性能微控制器，仅依靠内部三内核中某一内核，以低于35%负载率解码角度和速度值，充分体现了新一代40nmPowerPC车规级微控制器的卓越信号处理能力。并且基于解决方案中的SBCL9396监控，SigmaDeltaADC与SARADC的冗余采样和功能监控，实现ASIL C扭矩功能安全等级应用。

需要了解更多旋转变压器软件解码及安全设计详情，也可联系第三方IDH上海革路电子科技有限公司，Email：sales@shesi.org