TI旋變介面為工業驅動和新能源汽車提供集成優勢

在電機驅動應用中，通常需要位置、轉速反饋環，如圖1所示。該環節對系統性能的優劣起到關鍵性作用。現如今，市場上存在多種測量位置、轉速的感測技術，能夠滿足用戶對不同精度應用的需求。其中，旋轉變壓器是一種可靠的測量位置、轉速感測器，廣泛應用於工業驅動和新能源汽車。通過閱讀本文，您可以了解到：什麼是旋變，它是如何工作的，旋變的相關應用和目前市場上存在哪些方案。

圖1 電機驅動系統的基本框圖

1. 什麼是旋轉變壓器?

旋轉變壓器(Resolver)，簡稱旋變，是一種電磁式感測器，用來測量旋轉物體的角位移和角速度。如圖2所示，旋變由定子和轉子組成，通常轉子固定於電機轉軸上，同步旋轉。

圖2 旋轉變壓器實物圖

2. 旋變是如何工作的?

類比普通變壓器原理，旋轉變壓器定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓。轉子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合作用得到感應電壓。轉子繞組輸出電壓幅值與轉子轉角成正弦、餘弦函數關係，如圖3所示。對輸出信號進行模數轉換，計算反正切值，即可得到轉子當前的角位移，角位移對時間的微分即為轉速。

圖3 旋轉變壓器工作原理

此外，旋轉變壓器要想工作，還少不了圖 4 中的外圍電路的幫助。

為了驅動旋變，需要升壓晶元和勵磁運放。升壓晶元通常用來為勵磁運放和旋變供電。 勵磁運放用來產生正弦波輸入信號。旋變需要利用該信號產生對應的正弦、餘弦輸出信號。

旋變的輸出是模擬信號，需要模擬前端（AFE）對信號進行濾波、調整後，反饋給MCU進行角度的計算。旋變數字轉換器（RDC）用來將正弦、餘弦模擬信號轉換成數字信號。輸出端可以通過多種通信方式將位移、轉速信息傳遞給MCU，如SPI、並行介面、模擬編碼器介面、模擬介面等。最後，系統在感測器和電子元件之間還需要多種保護和故障檢測功能，如過流保護、過壓保護、短路保護、過熱保護等。

圖 4 旋轉變壓器外部電路拓撲

3. 旋變有哪些典型應用呢?

由於其內部無電子元件，所以旋轉變壓器能夠很好地適應高溫、粉塵、高速（8000r/m以上）、高震動等工作環境。這也使旋變比其他感測器擁有更長的使用壽命。

旋變以上的特性使其成為工業、汽車應用中最理想的感測器之一，如圖5所示。在工業應用中，旋變廣泛應用於伺服控制系統（如電梯）、工業機器人、交流變頻驅動、塑壓系統、紡織系統、冶金系統等。在汽車應用中，旋變廣泛應用於電動、混合動力汽車的牽引逆變器、暖通空調系統、起停發電機和助力轉向系統等。

圖5 旋轉變壓器的典型應用

4. 現有的旋變解決方案

目前，市場現有的旋變解決方案多為分立式，其拓撲如圖6所示。該方案BOM成本高，占板面積大。同時，分立式設計需要更長的開發時間。尤其是新平台的開發，需要開發人員調試設計以適應不同型號的旋變感測器。

圖6 現有旋變介面分立方案拓撲

圖7 TI 旋變介面集成方案拓撲

為了簡化設計，德州儀器 (Texas Instruments) 提供了PGA411-Q1旋變介面晶元，如圖7所示。PGA411-Q1集成勵磁運放、升壓DC-DC晶元、模擬前端 (AFE)、旋變數字轉換器 (RDC) 和多種保護、故障診斷功能於一體。使用該晶元，系統即可簡化為三部分：旋變感測器、PGA411-Q1和MCU。此外，該晶元可為應用提供以下優勢：

• 簡化系統：高度集成化降低了整套系統的BOM成本和PCB成本。
• 節省開發時間：縮短開發周期。工程師無需改變外部電路，只通過修改寄存器即可調整外部輸出信號。其對不同平台、不同型號旋變具有兼容性。
• 符合SafeTI? 標準，保證功能安全：協助系統通過功能安全標準，最高可滿足ASIL D (ISO26262)。

5. PGA411+C2000 完整解決方案

PGA411-Q1還可與C2000平台搭配使用，提供完整的 TI 解決方案。在 PGA411-Q1的功能安全標準之外，C2000 Delphino 系列同時滿足 ASIL-B 的安全標準。目前PGA411-Q1已具有豐富的開發工具和參考資料。 PGA411-Q1評估板可幫助您快速掌握PGA411-Q1 的開發和使用。

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