劉太廣，包生輝，苗 韻，強小燕

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

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一種基于TYPE-Ⅱ跟蹤型RDC算法的電路設計

劉太廣，包生輝，苗 韻，強小燕

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

摘 要：為提高電機控制DSP電路集成規(guī)模，將旋變數(shù)字轉換電路進行IP化，提供電機軸位置反饋信息，對電機控制算法中Type-Ⅱ型跟蹤環(huán)路的算法進行深入分析，并論證Type-Ⅱ型跟蹤環(huán)路計算位置和速度的原理、實現(xiàn)旋變數(shù)字轉換（RDC）工作的過程。針對分析的算法提出可IP化的RDC模塊結構，使用精確查表結構實現(xiàn)正余弦信號轉換、利用乘法器與濾波器組合達到解調效果。在實驗室使用硬件描述語言實現(xiàn)電路并驗證電路功能，使此算法更加具體清晰，在DSP電路集成中具有一定優(yōu)勢。

關鍵詞：Type-Ⅱ；RDC；跟蹤環(huán)路

1　引言

旋變數(shù)字轉換器（RDC）廣泛用于汽車和工業(yè)應用中，用來提供電機軸位置/速度反饋信息。在全數(shù)字永磁同步電動機工業(yè)控制系統(tǒng)中，當使用自整角機或者旋轉變壓器作為位置及速度檢測單元時，由于所得到的輸出信號是三相或者兩相的含位置信息的模擬正弦角度信號，又需要外加勵磁信號（稱為參考信號），故必須進行處理將其輸出的模擬位置信息轉換為數(shù)字信號后，才可輸入到DSP中來完成對電機轉矩、速度及位置的高精度控制。這就需要設計一個相應的信號轉換電路，旋變數(shù)字轉換器RDC電路。本文對Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路實現(xiàn)的RDC算法進行解析，并使用仿真工具完成RDC算法的ASIC驗證，透視速度與位置的跟蹤過程，將ASIC驗證成果集成在SoC系統(tǒng)中，在旋變器和系統(tǒng)微處理器之間實現(xiàn)接口，當正弦信號激勵旋變器的初級繞組時，會在次級繞組上產生兩路電磁感應差分輸出信號（正弦信號和余弦信號），旋變器采用這兩路感應差分信號解碼電機軸的角位置和旋轉速度，提供給處理器進行下一步工作。

2　Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路原理

目前大部分單芯片RDC使用Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路計算位置和速度。Type-Ⅱ型跟蹤環(huán)路采用二階濾波器，確保靜止或恒定速度輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差為零。RDC對兩路輸入信號進行同步采樣，為跟蹤環(huán)路提供數(shù)字化數(shù)據(jù)。跟蹤型RDC轉換器由正余弦乘法器、誤差放大器、相敏解調器、積分器等組成，具有抗干擾能力強、實時性強等特點。圖1顯示了Type-Ⅱ型跟蹤環(huán)路的主要原理。

圖1　Type-Ⅱ型跟蹤環(huán)路

RDC與旋轉傳感器配合使用，以便檢測電機軸的位置和轉速。在這種應用中，旋變器利用正弦波參考信號進行激勵。初級繞組上的旋變器激勵參考信號被轉換為兩個正弦差分輸出信號：正弦和余弦。正弦和余弦信號的幅度取決于實際的旋變器位置、旋變器轉換比和激勵信號幅度。

RDC同步采樣兩個輸入信號，以便向數(shù)字引擎（即所謂Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路）提供數(shù)字化數(shù)據(jù)，Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路負責計算位置和速度?；镜男D變壓器分經典旋變和可變磁阻式旋變等，它們在結構和繞組分配方式上略有不同，但是無論何種形式的旋變，其旋變輸出電壓(S3-S1, S2-S4) 的計算公式均相同，即：

式中，θ為轉子轉角，sinωt為轉子激勵頻率，E為轉子激勵幅度。

轉換器跟蹤軸角θ的原理為：轉換器將產生反饋角φ，反饋角φ與輸入角θ相比較，當轉換器正確跟蹤輸入角度時，二者之間的誤差將為0。為了測量誤差，將S3-S1乘以cosφ，將S2-S4乘以sinφ，可得到：

將式(3) 、式(4) 差值化簡后得到：

當角度誤差θ-φ值很小時，有：

E×(θ-φ) 值表示轉子的角度誤差與轉換器的數(shù)字角度輸出二者的差值。Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路消除了誤差信號。完成該操作后，φ等于旋轉角θ。

3　電路設計

在該算法的實現(xiàn)過程中，通過對Type-Ⅱ跟蹤環(huán)路算法的具體分析，將算法實現(xiàn)的過程按照其功能使用Verilog硬件描述語言進行RTL描述，具體功能單元有查找表模塊、乘法器、解調器、積分器等，搭建ASIC環(huán)境。利用查找表模塊完成三角函數(shù)變換，將位置值轉換為正弦與余弦；在乘法器模塊將帶有位置信息的正余弦與輸入調幅波相乘，得到上面公式（3）與公式（4）所需信號；利用乘法器與濾波器組合的相敏檢測解調器完成公式（5）、公式（6）的計算過程。

圖2　ASIC驗證結構框圖

主要功能結構模塊描述：

（1）查找表結構

ROM中包含正弦信號[0,π/2]的數(shù)據(jù)，所以ROM中的數(shù)據(jù)值可由式（7）及（8）表示。

式（7）與（8）意味著在[0,π/2]內的正弦值，可由[0,π/4]的正弦值與余弦值共同構成，同理，在[0,π/2]內的余弦值可由[0,π/4]的余弦值與正弦值共同構成。根據(jù)這一特性，可將原ROM拆分成兩個深度相同的小ROM，分別存放[0,π/4]內的正弦值與余弦值，從而能夠同時產生精確的互補信號。

圖3給出了精確互補信號產生原理，將原有ROM按照正余弦信號的互補特性拆分成ROM1與ROM2，使得在同時產生正余弦信號時，兩路通道交替使用ROM1、ROM2的數(shù)據(jù)，從而精確產生相差為π/2的正余弦信號。由于ROM1與ROM2各為原ROM的一半，因此總的ROM大小并未改變，只需增加較少的邏輯電路，便可產生精確的互補正余弦信號，大大節(jié)約了硬件資源。

圖3　精確互補信號產生原理

（2）解調器結構

解調器由乘法器與濾波器組成。乘法器使用傳統(tǒng)的booth乘法器，使用固定IP，不做詳細描述。濾波器使用MATLAB固定生成。MATLAB提供了一種簡便的圖形工具——FDATool濾波器設計分析工具箱和SPTool信號處理工具箱。利用這兩個工具可以使復雜的濾波器設計方法變得簡單。只需要在圖形工具中選擇相應的濾波器設計方法并填入濾波器設計指標，即可生成相應的頻率響應特性。

（3）積分器原理

數(shù)字積分器原理就是采樣值求和的累加。使用固定模型，不做詳細描述。

4　仿真驗證

仿真驗證過程中使用變壓器模型模擬旋變電機的輸出波形，在固定的轉速情況下旋變電機的輸出是轉速與激勵頻率混頻的調幅波，利用變壓器模型輸出得到此調幅波的模擬量。利用ADC的采樣原理對模擬調幅波進行采樣計算，得到數(shù)字化的調幅波。如圖4所示。將調制后的調幅波進行數(shù)字化作為輸入信號。此輸入信號按照ΣΔ過采樣原理進行調制，得到驗證RDC算法的輸入信號。

將數(shù)字化的電機信號輸入RDC IP環(huán)境，通過圖2所示的架構模型進行仿真，Type-Ⅱ型RDC算法的整體仿真波形如圖5所示，模擬固定速度的電機輸入，通過跟蹤算法計算速度與位置信息，得到正確的速度位置值，此時得到的信息為數(shù)字化信息。圖5所示速度輸出值為H3ffe，位置輸出以固定周期循環(huán)變化。

圖4　旋變輸入輸出波形

圖5　仿真結果

更改電機旋轉速度、方向，對此IP進行全方位測試驗證，如圖6所示，不同轉速與不同方向得到的仿真結果。不同轉速仿真得到的速度輸出值不同，位置輸出變化周期不同；速度輸出首位代表方向，正方向旋轉得到速度輸出值首位為0，負方向旋轉得到速度輸出值首位為1。

圖6　變換轉速、方向后的仿真波形

5　結論

本文對Type-Ⅱ型RDC算法進行了詳細論述，并使用ASIC實現(xiàn)，取得的研究成果在實際應用中用于某款SoC的設計，實測數(shù)據(jù)如圖7所示，得到的結果是令人滿意的。

圖7　RDC應用實測波形

參考文獻：

[1]Jakub Szymczak, Shane O’Meara, Johnny S Gealon, Christopher Nelson De La Rama. 精密旋變數(shù)字轉換器測量角位置和速度[J]. Analog Dialogue, March 2014, 48-03.

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[3]呂永健，逯國亮，陳天如. 某固態(tài)旋轉變壓器接口電路的改進設計[J]. 計算機測量與控制，2008（16）.

[4]李雪梅，張宏財，王學偉. 基于DDS技術的信號源設計[J]. 電測與儀表，2010(01).

[5]郝建衛(wèi). 基于FPGA的脈沖寬度調制發(fā)生器[J]. 計算機工程，2013(02).

劉太廣（1984—），男，內蒙古人，畢業(yè)于電子科技大學，研究方向為數(shù)字集成電路設計。

產品、應用于市場

微電子制造與可靠性

A Design of Circuit of RDC on the Basic of the Type Ⅱ Tracking Loop Algorithm

LIU Taiguang, BAO Shenghui, MIAO Yun, QIANG Xiaoyan
（China Electronic Technlogy Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China）

Abstract:For improve integration circuit of electromotor control DSP, setup the new IP with RDC circuit, exactitude running after the relative position, this paper is focus on achieving a successful procedure of RDC on the basic of the type Ⅱtracking loop algorithm. In order to process the RDC, the relative position and speed will be calculated by a set of functions which will extract the key information from the input signals. A new IP with improved RDC algorithm based on typeⅡtracking loop algorithm is proposed, use the look-up-table to complete SIN/COS conversion and use Multiplication and Filter combination to demodulation. The language for describing the logic system is Verilog, which is a explicit way to explain the algorithm, which shows its advantage in integrate circuit.

Keywords:Type-Ⅱ; RDC; Tracking loop

作者簡介：

收稿日期：2015-10-14

中圖分類號：TN 402

文獻標識碼:A

文章編號：1681-1070（2016）01-0031-03