在工信部發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035 年）》（征求意見稿）中提出，到 2025 年，新能源汽車新車銷量占比達到 25%左右，智能網聯汽車新車銷量占比達到 30%，高度自動駕駛智能網聯汽車實現限定區域和特定場景商業化應用。新能源汽車主要以電能為動力源，通過電動機驅動行駛。為了獲得更好的駕駛體驗，工程師往往需要知道電機當前的角度位置以及速度信息，在算法上提供相應扭矩和功率。汽車應用駕駛環境復雜，旋轉變壓器（Resolver）是常被選擇使用在這個應用場景的傳感器。

旋轉變壓器（Resolver）工作原理簡介

旋轉變壓器是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種測量角度用的小型交流電動機，用來測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度，由定子和轉子組成。其中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，通過電磁耦合得到感應電壓。通常副邊會使用兩個繞組線圈，互成 90°放置在轉子上，如圖 1 所示，

圖 1

在實際的使用中，轉子會隨同電機做同軸旋轉，即轉子的角度速度以及位置就表征了電機的相應狀態。若我們在定子上施加正弦勵磁信號 VR，則該交流能量通過原邊線圈會產生磁通量Φ，則在理想狀況下，該磁通量會在副邊產生感應電壓，VS 和 VC。則通過法拉第電磁感應定律可得到 VS 和 VC 以及角度Θ的關系如下：

由此我們可知，若可知道施加激勵 VR 以及得到的響應 VS 與 VC 的實時信息，則可根據上述公式得到角度和速度的信息。在知道 Resolver 的基本工作原理后，為了得到角度、速度信息，并提供給 DSP 進行算法參考， 我們需要以下功能電路資源輔助 Resolver 工作，以實現期待的功能：

DAC（Digital to Analog Converter）電路：提供勵磁正弦信號 VR。勵磁頻率通常在 10kHz 到 20kHz。

Boost 升壓電路：將勵磁信號電壓幅度提高。通常 Resolver 接收的勵磁信號通常有 4Vrms，7Vrms 等。同時在應用過程中還需要給系統提供一個共模電壓，因此這就需要對 DAC 的輸出信號進行一定的放大。

勵磁放大前級電路：在對 DAC 輸出的勵磁信號進行功率放大前，往往需要利用運放搭建電路對 DAC 的輸出進行濾波以及施加共模電壓。

勵磁功率放大電路：將勵磁信號驅動能力放大，具體驅動能力需要看 Resolver 的規格。通常需要 100mA~300mA。

副邊信號調理電路：將轉子感應到的信號 VS/VC 進行濾波以及調理到 ADC 可以接受的信號范圍。

ADC（Analog-to-digital converter）：如基本原理所介紹，我們需要將 VS/VC/VR 的模擬信號轉換成數字信號，供 RDC 進行角度和速度的計算。

RDC（Resolver-to-digital converter）：執行算法，將轉子和定子的輸出和感應的數字信號執行算法，計算出速度和角度信息，并輸出給 DSP 的 CPU 進行電機算法參考。

可以看出，要實現旋變解碼，并不是一件容易的事情。TI 在汽車和工業電機方案上擁有十分豐富的經驗，并提供多種解決方案。本博文將主要向大家介紹兩種應用較廣的方案。第一個是基于 C2000 系列 DSP 的旋變軟件解碼方案，第二個是基于 TI PGA411-Q1 的高度集成的旋變接口芯片方案。

基于 C2000 的旋變軟件解碼方案

圖 2 展示了基于 C2000 架構的離散旋變軟解碼的硬件方案框圖。

圖 2

Boost 升壓電路：如前文所說，為達到 Resolver 的驅動電壓，通常需要將勵磁信號進行放大。在電動車應用開發中，通常采用 2 級架構得到。首先使用一顆 12V（低壓鉛蓄電池）轉換成 5V 的一級電源。然后再利用一顆 BOOST 升壓電源芯片將 5V 轉換成 15V（7-VRMS Mode）的電源。這里的選擇也較多，針對本應用并沒有太多的限制。優秀的工程師往往會結合電路中的其他運用與需求，在 ti.com 中尋找合適的電源芯片。這里推薦可以使用的一級降壓電源 LM63635-Q1 ，二級升壓 BOOST 電源 TPS61175-Q1 。

勵磁放大前級電路：汽車應用 EMI 環境復雜，為了保證勵磁功率放大電路不被干擾，保持信號完整性不失真，并增加一定的共模，工程師往往需要利用運放搭建勵磁放大前級電路。這里對運放的選擇主要要求較寬的 Bandwidth 以及較高的開環增益，以確保信號不失真。這里可推薦使用 OPA197 系列運放。其具有 10-MHz GBW，且 OPEN-LOOP GAIN 可達 143dB，可確保旋變解碼系統的精度要求。

勵磁功率放大電路：Resolver 的勵磁原邊線圈通常是有很低的 DCR（DC resistance 通常小于 100Ω），因此需要有一定的電流輸出能力才可以驅動 Resolver，通常是 100-300mA。同時，為了使 Resolver 得到更好的精度以及線性度，在這里的應用中還需要具備較高的 SR（壓擺率 Slew Rate）。傳統的解決方案是利用 Transistors 搭建 CLASS AB 功放電路，其電路復雜，可靠性低，且成本以及性能均差強人意。TI 針對工程師在此處的設計痛點，研發出 ALM2402F-Q1 ，這是一顆針對旋變勵磁應用設計的雙路運放。ALM2402F-Q1 芯片具有以下特點：

非常高的電流輸出能力，最大可支持 400mA 的持續電流輸出。完全滿足各類 resolver 的需求。

3.4V/us 的 SR。可以確保勵磁信號不失真。

內置 RF/EMI 濾波器。在逆變器這樣的復雜噪聲環境中可以更好的工作。

利用 ALM2402F-Q1 可以大大減少工程師的系統 BOM，提高系統的可靠性。并且 ALM2402F-Q1 所提供的電流能力以及 SR 可以滿足絕大部分的 Resolver。ALM2402F-Q1 后續還會推出同系列針對 Resolver 應用的產品。

Resolver 原邊繞組輸入信號、副邊繞組輸出信號調理方案：如圖 3 所示，在典型應用中，Resolver 的原邊勵磁輸入信號，副邊 Sin/Cos 繞組的輸出信號，我們都需要采集，并由差分信號轉換成單端信號提供給 ADC 以做后續算法的處理。因此這一部分需要所使用的運放具有差分信號輸入能力且為了獲得更精確的模擬信號，這里系統要求運放需要較低的增益誤差（Gain error）以及偏置（offset）。另外需要注意的是，由于汽車電機電磁環境復雜，為了獲得更佳準確的采樣信息，這里所使用的運放必須具有較高的 CMRR（Common-mode rejection ratio）。工程師可前往 ti.com 根據自己的應用需求挑選合適的運放。這里我們推薦使用 TLVx197-Q1， TLC2272-Q1 。

圖 3

ADC， DAC&RDC： TI C2000 集成了十分豐富的資源供開發者使用。上述所提到的需要使用的資源包括，3 路 ADC 一路 DAC，以及 RDC。本例中使用 TI C2000 TMS320F28069 。TI C2000 微控制器片內集成多達 4 個 12 位 /16 位 ADC 單元，3 路 12 位 DAC，其中 12 位 ADC 最高采樣率達到 12.5Msps，32 位 C28x DSP 核和協處理器 CLA 都可以用來實現旋變解碼算法。TI C2000 集成了十分豐富的資源供開發者使用。任何一個 C2000 產品都可以實現旋變解碼功能，具體還可以結合所開發電路的其他需求進行選擇。

TI 離散軟解碼方案具有體積小，成本低，精度高，設計靈活等優勢。TI DSP C2000 處理器的強大性能可直接用于電機控制做算法和驅動的實現。針對離散方案的旋變解碼前端設計，TI 提供了系統參考設計，TIDA-01527 。機智的工程師可前往 ti.com 搜索 TIDA-01527 下載該設計的相關資料。

PGA411-Q1 旋變接口芯片解碼方案

相比于上述的軟解碼離散方案，TI 還提供集成度更高的旋變解碼方案，可以極大簡化系統方案設計。這就是使用 TI 旋變接口芯片 PGA411-Q1 。如下框圖展示了使用 TI PGA411-Q1 的旋變解碼方案。

圖 4

可以看到在 MCU 和 Resolver 之間，僅用了一顆 PGA411-Q1 就完成旋變勵磁與解碼的工作，上述離散方案的電源芯片，運放芯片均不需要。這很大程度上是因為 PGA411-Q1 針對旋變應用的需求做了高度的集成。讓我們一起來看一下 PGA411-Q1 所集成擁有的內部資源，如圖 5 所示：

圖 5

DAC 電路：從框圖中我們可以看出 PGA411-Q1 擁有兩個 DAC。其中一個就是產生勵磁正弦信號的 DAC。該 DAC 通過寄存器配置，可設置生成 10kHz 到 20kHz 的正弦勵磁信號。另外一顆 DAC 還可將運算出來的角度信息進行模擬輸出，供工程師調試使用。

Boost 升壓電路：PGA411-Q1 內部集成了一顆 Boost Regulator。最大可提供 150mA 的輸出電流。Boost 的輸入可與 PGA411-Q1 的 5-V 電源軌 VCC 共享，不需要額外的一級電源。Boost 的輸出可以通過 SPI 設置調節。4-VRMS 的電壓范圍在 9.5V-13.5V，7-VRMS 的電壓在 13.5V-17.5V。

勵磁放大前級電路與勵磁功率放大電路： PGA411-Q1 內部集成了 Exciter Preamplifier and Power Amplifier。具體可參考圖 6。利用 TI 內部集成的 Exciter Preamplifier，工程師可以根據實際應用設置勵磁信號的共模電壓，然后提供給 PGA411-Q1 內部集成的功放模塊進行功率放大。PGA411-Q1 內部的 Power Amplifier 輸出電流的能力最大可達 145mA，可以滿足大部分的 Resolver。若工程師發現你們所使用的 Resolver 需要更大的驅動電流，則建議更換 Resolver。不過 PGA411-Q1 針對無法更換 Resolver 的應用場景也有解決方案，工程師可以 disable Power amplifier， Preamplifier 的輸出可以直接從 ORS Pin 得到，只需要將上述 C2000 方案中的勵磁功率放大電路的 ALM2402F-Q1 移植到這里與 ORS 連接即可。這樣的組合就將驅動能力提升至 400mA。

圖 6

副邊信號調理電路：如圖 7 所展示，PGA411-Q1 內部集成了 AFE（Analog Front-End）。Resolver 的勵磁信號以及輸出的 SIN/COS 信號均可通過 PGA411-Q1 內部集成的 AFE 進行信號調理。通過 SPI 可以配置 AFE 的 Gain 從 0.75-3.5。AFE 內部 ADC 分辨率為 10bit 和 12bit， 可通過寄存器進行設置。

圖 7

RDC（resolver-to-digital converter）：PGA411-Q1 內置 RDC，可對 AFE 的輸入進行 TYPE II PI 數字回路補償，并且具有自動偏移校正等功能。并可將運算的結果通過三種格式進行輸出：Parallel， Encoder， SPI。可以滿足市面上大部分的 DSP 或者其他處理模塊的接口要求。

除此之外，得益于 PGA411-Q1 的高度集成化，PGA411-Q1 還可對各個功能模塊進行診斷和報錯功能。從圖 5 中我們可以看出，PGA411-Q1 對 AFE，勵磁功放，內部 LDO 以及 BOOST 等模塊，都添加了診斷模塊，每個模塊的狀態都可通過內部寄存器讀取。這大大簡化了工程師的外部硬件開發設計。并且 PGA411-Q1 是按照 ISO26262 流程開發的器件，專為功能安全項目定制，可提供完善的功能安全文檔。TI 基于 PGA411-Q1 也有一些系統方案設計可供研發工程師進行參考，TIDA-07507， TIDA-00796 。請點擊 ti.com 搜索相應的設計代碼下載相關資料。

C2000 的離散旋變解碼方案，系統成本更有優勢，方案更加靈活，可拓展性強。而基于 PGA411-Q1 的旋變解碼方案，集成度更高，有豐富的診斷檢測和保護功能。不少優秀的工程師在功能安全項目的設計中，將兩種方案同時使用，進行冗余設計。
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