电动汽车旋变传感器原理及检测

修电车的

当前电动汽车领域，主流的电机控制系统普遍采用基于DSP芯片构建。其中，大多数DSP芯片选用TI公司的TMS320系列。以比亚迪E5纯电动汽车为例，其电机控制系统便采用了TMS320F28335芯片，该系统的基本控制原理如图所示。
DSP具备高速计算能力，这一特性使其能够高效完成复杂的信号处理和控制算法。在电机控制系统中，它可以显著提高采样频率，精准控制电力电子外围设备，进而实现电机的高性能控制。
电机控制专用的DSP配备了丰富的外围功能模块，为电机控制工作带来了诸多便利。例如其PWM模块，能够产生高分辨率的PWM波形，并且具备多达6路的输出能力。
在永磁同步电机的矢量控制技术中，电机位置传感器所提供的电机转子位置信息起着至关重要的作用，该信息直接关系到电机能否正常运行。而旋转变压器作为一种电机位置信息传感器，因其具备适应恶劣环境的能力，能够确保在车辆复杂的工作环境下稳定、可靠地工作。

励磁输入电压公式：

Ve=Esin(ωt)

正弦输出电压公式：

Vs=KEsin(ωt)sinθ

余弦输出电压公式：

Vc=KEsin(ωt)cosθ

磁阻式旋变传感器的结构与工作原理
旋变传感器从本质上来说是一种变压器，它主要由定子和转子两部分组成。定子上设置了励磁绕组以及正弦、余弦绕组，在空间布局方面，正弦绕组和余弦绕组相互之间呈90度的夹角。转子与电机轴安装在一起，会和电机轴保持同步转动。并且，转子磁极的形状经过了特殊设计，这使得气隙磁场近似呈正弦形分布。
当转子转动时，气隙中的磁导率会发生周期性变化，这种变化的周期与转子的极对数是一致的。在励磁线圈中输入具有恒定频率的正弦交流电后，依据互感定律，正弦绕组和余弦绕组中会输出与输入同频率的正弦波，具体情况如图2所示。
图中，θ代表旋变转子角度；ω表示励磁载波频率；E为励磁输入峰值电压；K则是旋变的变压比。一般而言，车用励磁线圈的信号频率大约在10kHz左右。正弦绕组和余弦绕组输出的信号与励磁信号频率相同，且和转子的转速没有关系。不过，转子的转速会对正弦和余弦信号的幅值大小产生影响，其幅值大小变化的快慢与转子转速成正比。
由于余弦绕组在空间位置上与正弦绕组相差90度，所以这两个信号的幅值大小呈现相反的变化趋势。当正弦信号幅值为零时，余弦信号幅值达到最大；而当余弦信号幅值为零时，正弦信号幅值达到最大，这可以从图2中线圈S和线圈C的波形清晰地观察到。

在吉利EV450上实车检测的波形如图3所示。采用双通道示波器显示，绿色A通道是正弦绕组输出信号，黄色B通道是余弦绕组输出信号，信号频率10kHz，最大值2.32V，峰值相连的波形在相位上差了90度。

旋变RDC转换器工作原理
1、旋变硬件解码转换器
在现代电动汽车领域，旋变-数字转换芯片RDC常与旋转变压器传感器直接相连。目前，相关应用主要围绕AD公司的解码芯片AD2S1200系列开展。以较为常用的AD2S1205芯片为例，它是一款具备完整功能的12位分辨率跟踪分解器数字转换器。
这款芯片内置可编程正弦波振荡器，能够为旋变提供正弦波激励。其工作频率范围为8.192MHz±25%。采用TypeII跟踪环路，可对输入信号进行跟踪，最大跟踪速率达到1250rps[2]。同时，该芯片具备系统故障检测功能，能够检测旋变信号丢失、输入信号超出范围或者位置信号跟踪丢失等问题。
在输入电压方面，其正弦和余弦输入端支持3.15Vp-p±27%的差分输入电压。而且，它拥有可编程激励频率的特性，通过利用频率选择引脚（FS1和FS2脚），可以便捷地将激励频率设置为10kHz、12kHz、15kHz或者20kHz[3]。该芯片的引脚功能管脚图如图4所示。

AD2S1205 转换器工作原理
AD2S1205采用TypeII跟踪闭环原理工作。环路连续跟踪旋变的位置和速度，而不需要外部转换和等待状态。当旋变的位置旋转了相当于最低有效位的角度时，跟踪闭环输出更新1LSB。转换器产生的输出角（φ）反馈并与输入角（θ）进行比较，借此来跟踪轴角（θ），两个角度之间的差异即误差，如果转换器正确跟踪输入角则该值趋于0。为了测量误差，将S3−S1乘以cosφ，并将S2−S4与sinφ相乘。

Esin(ωt)×sinθcosφ (对于 S3−S1)-<4>

Esin(ωt)×cosθsinφ (对于 S2−S4)-<5>

二者的差值为：

Esin(ωt)×(sinθcosφ−cosθsinφ) -<6>

利用内部产生的合成基准信号来解调该信号，得到下式：

E(sinθcosφ−cosθsinφ)--<7>

公式（4）等效于 Esin（θ−φ）；当 θ−φ 的值（角误差）较小时，Esin（θ−φ）约等于 E（θ−φ），其中 θ−φ为角度误差，E（θ−φ）是转子的角误差与转换器的数字角输出之间的差值[5]。
AD2S1205 将位置寄存器中的角度与来自旋变器的正余弦输入信号进行比较，产生一个监控信号。该监控信号的产生方式与“工作原理”部分所述的误差信号相似。输入的 sinθ 信号和 cosθ 信号分别与正弦输出角和余弦输出角相乘，再将乘积相加：监控信号=(A1×sinθ×sinφ)+ (A2×cosθ×cosφ) （8）
其中：A1 为正弦输入信号的幅度（A1×sinθ）。
A2 为余弦输入信号的幅度（A2×cosθ）。
θ 表示旋变角度。φ 表示存储在位置寄存器中的角度。公式（8）显示的是解调之后的情形，且载波信号 sin（ωt）已被移除。此外，对于匹配的输入信号即没有发生故障时），A1=A2。当 A1=A2 且转换器正确跟踪（因此，θ=φ）时，输出的监视信号的幅度为 A1（监控信号=（A1×（sin2θ+cos2θ）=A1）。当A1≠A2 时，监控信号的幅度以两倍的轴旋转速率A1 与 A2 之间变化。监视信号用于检测输入信号是否降级或丢失。故障检测电路引脚说明见表1：

旋变传感器的检修方法
故障现象
以2019款吉利帝豪EV450为例，当启动车辆时，上电指示READY灯不亮，车辆无法接入高压电，动力系统故障警告灯亮起，同时车辆无法进行挂挡操作。此时，连接道通909解码仪对动力系统展开检测，读取到的故障码如图5所示。

故障检测
针对旋变传感器的故障检测，可分为静态检测和动态检测两种方式。
静态检测：主要测量旋变内部励磁绕组、正弦绕组以及余弦绕组的阻值，判断其是否与厂家规定的标准值相符。同时，检查这三个绕组与电机控制器之间的线路连接是否正常。
动态检测：重点测量车辆旋变三个绕组输出的正弦波形状况。查看波形是否正常，有无发生畸变；检查波形的幅值变化是否处于正常范围之内；核实波形的频率是否符合相关标准。以吉利帝豪EV450为例，旋变传感器的正常数据如下表所示。

旋变传感器的6根信号线，任意一根出现断路或对地短路，或者出现互短，都会产生如图5所示的对应故障码。依据上表，完成静态测量和动态测量后，故障现象和故障码没有消除，可以确定电机控制器内部电路出现故障，对MCU总成进行维修或者更换。
故障排除与总结
找到故障点恢复后，需进行复检。车辆恢复，打开点火开关，车辆正常上电，可挂挡行驶，故障排除。连接诊断仪，再次读取故障码，清除历史故障码。