Genaue Bestimmung der Motorwinkelposition und -geschwindigkeit mit einem Resolver

Die elektronische Überwachung und Steuerung von mechanischen Systemen wie Industriemotoren, Servos, Robotik und Fahrzeug-Antriebssträngen ist wichtig für die Steigerung von Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Eine effektive Steuerung erfordert jedoch eine hochgenaue Bestimmung der Winkelposition und Rotationsgeschwindigkeit, was aufgrund der rauen und elektrisch verrauschten Umgebung nicht einfach ist. Die Lösung ist ein von einem präzisen Resolver/Digital-Wandler (R/D-Wandler) und Operationsverstärkern unterstützter Resolver.

Dieser Artikel erläutert kurz, was für eine präzise Wellenmessung und -steuerung wichtig ist und warum Resolver für viele Anwendungen eine gute Option sind. Anschließend wird gezeigt, wie die Kombination aus einem Resolver, einem R/D-Wandler wie dem AD2S1210 von Analog Devices und geeigneten Treiberverstärker- und Filterschaltungen zu einem hochpräzisen und robusten Positions- und Geschwindigkeitsmess- und Steuersystem werden kann.

Aufbau eines Resolvers

Ein Resolver ist eine elektromechanische Komponente, die mechanische Bewegung in ein analoges elektronisches Signal umwandelt. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um einen Drehtransformator mit einem Wechselspannungsausgang, der der Winkelposition der Welle folgt. Ein Resolver besteht aus zwei Elementen: Ein Rotor mit einer Wicklung rotiert im feststehenden Stator. Die Primärwicklung befindet sich im Stator, die Sekundärwicklung auf dem Rotor (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Resolver mit variabler Reluktanz hat zwei Eingänge (R1, R2), zwei Sinusausgänge (S1, S3) und zwei Cosinusausgänge (S2, S4). (Bildquelle: Analog Devices)

Die meisten Resolverspannungen liegen zwischen 2 Volt eff and 40 Volt eff, bei Frequenzen von 50 Hertz (Hz) bis 20 Kilohertz (kHz). Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Amplituden des Primär- und Sekundärwicklungssignals liegt zwischen 0,2 Volt/Volt (V/V) und 1 V/V. Im Allgemeinen benötigt ein Hochleistungsresolver hohe Eingangsspannungen, die wiederum Elektronikbauteile mit höherer Leistung erfordern, um einen hohen Ausgangsbereich und schnellere Anstiegsgeschwindigkeiten zu erzielen. Winkelgenauigkeiten reichen von 5 Bogenminuten bis zu 0,5 Bogenminuten, wobei 60 Bogenminuten ein Grad und 60 Bogensekunden eine Bogenminute sind.

In Abbildung 1 liegt die AC-Anregungs-Referenzspannung (V_R = E₀sin(ωt)) für die Rotorwicklung zwischen R1 und R2 an. Die Größe der induzierten Spannung ist bei jeder Statorwicklung proportional zum Sinus des Winkels θ zwischen der Rotorwicklungsachse und der Statorwicklungsachse. Bei einer AC-Rotor-Referenzspannung von E₀sin(ωt) gelten für die Spannungen an den Statorausgängen folgende Gleichungen:

R1 – R2 = E₀sin(ωt)                                                                                Gl. 1

S3 – S1 = T x E₀sin(ωt) x sin θ                                                               Gl. 2

S2 – S4 = T x E₀sin(ωt) x sin(θ + 90°) = T x E₀sin(ωt) x cos θ               Gl. 3

Die beiden Statorausgangssignale sind der durch den Sinus und den Cosinus modulierte Wellenwinkel. Abbildung 2 zeigt die grafische Darstellung des Anregungssignals und der Sinus- und Cosinus-Ausgangssignale. Das Sinussignal hat die maximale Amplitude bei 90° und 270° und das Cosinussignal bei 0° und 180°.

Abbildung 2: Elektrische Eingangssignale (R1 – R2) und Ausgangssignale eines Resolvers. Die beiden Statorausgangssignale sind der durch den Sinus und den Cosinus modulierte Wellenwinkel. (Bildquelle: Analog Devices)

Eine vollständige Hochleistungs-R/D-Schaltung misst präzise Winkelpositionen und -geschwindigkeiten in der Avionik, in der Automobiltechnik und in kritischen industriellen Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit über einen breiten Temperaturbereich erfordern (Abbildung 3).

Abbildung 3: Hochleistungs-R/D-Schaltung mit Differenzausgängen (EXC:/EXC) und sinus- und cosinusförmigen Differenzeingängen (SIN:SINLO, COS:COSLO). Hinweis: EXC entspricht EXE in Abbildung 5. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 3 hat die R/D-Schaltung einen Resolverrotortreiber mit zwei Betriebsmodi: Niedrigleistung und Hochleistung. Im Niedrigleistungsstatus arbeitet das einzelne +6-Volt-Versorgungssystem mit einem Stromverbrauch von unter 100 Milliampere (mA). Das gesamte System versorgt den Resolver mit 3,2 Volt effektiv (9,2 Volt Spitze-Spitze). Im Hochleistungsstatus arbeitet das System mit einer einzelnen +12-Volt-Versorgung und versorgt den Resolver mit 6,4 Volt effektiv (18 Volt Spitze-Spitze).

Die aktiven Filter dritter Ordnung am Ausgang der R/D-Schaltung zum Resolverrotor und an den Resolverstatorausgängen zu den SIN/COS-Eingängen der R/D-Schaltung minimieren das Quantisierungsrauschen des Systems. Die maximale Tracking-Rate der R/D-Schaltung beträgt im 10-Bit-Modus 3125 Umdrehungen pro Sekunde (1/s), wobei die Auflösung 21 Bogenminuten entspricht. Im 16-Bit-Modus beträgt die Tracking-Rate 156,25 Umdrehungen pro Sekunde, mit einer Auflösung von 19,8 Bogensekunden.

Überlegungen zum Signalkettendesign

Die R/D-Schaltung AD2S1210WDSTZRL7 von Analog Devices verfügt über einen programmierbaren 10-, 12-, 14- oder 16-Bit-Digital-Analog-Wandler (DAC) und 10-, 12-, 14- oder 16-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC), zwei Tiefpassfilter dritter Ordnung und einen Resolver. Der erste Filter dritter Ordnung befindet sich am Ausgang des R/D-Wandlers zu den Resolverrotorklemmen R1 und R2. Der zweite Tiefpassfilter dritter Ordnung nimmt das sinusförmige Resolverstatorsignal an S1 und S3 und das cosinusförmige Signal an S2 und S4 auf. Das System benötigt in der Regel eine große Bandbreite, eine ausreichende Ausgangstreiberleistung und die Möglichkeit, zwischen Niedrigleistungs- und Hochleistungskonfigurationen zu wechseln.

In dieser Schaltung erzeugt der interne DAC der R/D-Schaltung ein sinusförmiges 10-, 12-, 14- oder 16-Bit-Anregungssignal mit 3,6 Volt Spitze-Spitze und einem Bereich von 3,2 bis 4,0 Volt.

Am Ausgang des AD2S1210 befindet sich ein Tiefpassfilter dritter Ordnung, der den Rail-to-Rail-Operationsverstärker AD8692ARMZ-REEL und den Rail-to-Rail-Hochleistungsstromverstärker AD8397ARDZ-REEL7 von Analog Devices enthält.

Mit einer +5-Volt-Versorgung beträgt der Ausgangsbereich des rauscharmen dualen CMOS-Operationsverstärkers 0,29 bis 4,6 Volt. Die diesen Verstärker umgebenden Widerstände und Kondensatoren implementieren zwei der drei Butterworth-Filterpole. Der Hochleistungsstromverstärker AD8397 ermöglicht die Implementierung des Niedrigleistungsmodus gegenüber dem Hochleistungsmodus, mit einer schaltbaren Verstärkungsstufe und der Option, eine höhere Versorgungsspannung aufzunehmen, sowie dem dritten Pol des Tiefpassfilters. Bei einer +6-Volt-Spannungsversorgung des AD8397 liegt der Ausgangsbereich bei 0,18 bis 5,87 Volt. Bei einer Versorgungsspannung von +12 liegt der Ausgangsspannungsbereich bei 0,35 bis 11,7 Volt.

Auf der Ausgangsseite des Stators stellt der rauscharme CMOS-Rail-to-Rail-Operationsverstärker AD8694ARUZ-REEL von Analog Devices eine Verbindung zu den SIN-Pins (S1 und S3) und den COS-Pins (S2 und S4) des Resolvers her. Der AD8694, der aus derselben Familie stammt wie der duale AD8692, hat bei einer Spannungsversorgung von +5 Volt einen Ausgangsspannungsbereich von 0,37 bis 4,6 Volt. Die Differenzeingänge des R/D-Wandlers AD2S1210 (SIN, SOLO, COS, COSLO) verfügen über einen Spitze-Spitze-Signalbereich für die sinus- und cosinusförmigen Resolversignale von in der Regel 3,15 Volt, mit einem Bereich von 2,3 bis 4,0 Volt.

Im Idealfall beträgt in diesem System der gesamte Signalketten-Phasenverschiebungswinkel n × 180° − 44° ≤ φ ≤ n × 180° + 44°, wobei n eine Ganzzahl ist.

Details zur R/D-Schaltung

Beim Signalkettendesign sind Amplitude und Frequenz sowie Stabilität und Phasenverschiebung zu berücksichtigen, wobei das Impedanzmodell der Resolverrotorwicklung resistive und induktive Elemente beinhaltet.

Der Anregungssignalbereich der AD2S1210 R/D-Schaltung beträgt 2 kHz bis 20 kHz, in Schritten von 250 Hz. Mit dem angewandten Anregungssignal des Rotors vom AD8397 kann auch eine Schnittstelle zu einer nicht-idealen Induktor- und Widerstandskomponente hergestellt werden. Eine typische resistive und reaktive Komponente hat 50 Ohm (Ω) bis 200 Ω; und 0 Ω bis 200 Ω. Übliche Rotor-Anregungsspannungen können durchaus 20 Volt Spitze-Spitze (7,1 Volt effektiv) betragen. Deshalb ist es unabdingbar, den Höchststrom und die maximale Leistungsaufnahme des Resolvertreibers zu berücksichtigen. Zur Unterstützung dieser Schnittstelle hat der AD8397 einen hohen Ausgangsstrom (Spitzenstrom 310 mA bei 32-Ω-Lasten an ±12 Volt-Versorgungen), einen breiten Versorgungsbereich (24 Volt), ein Gehäuse mit geringem Wärmewiderstand (8-Pin SOIC EP, θ_JA = 47,2 °C/Watt (W)) und Rail-to-Rail-Ausgangsspannung.

Resolver-Anregungsfilter dritter Ordnung und Treiberschaltungen

Der interne DAC des AD2S1210 erzeugt die Anregungsausgangssignale (EXC), was Quantisierungsrauschen und -verzerrung verursacht (Abbildung 4).

Abbildung 4: 10-kHz-Ausgangssignal, gemessen am Anregungsausgangspin des AD2S1210 EXC. (Bildquelle: Analog Devices)

Bleibt das Ausgangsrauschen am EXC-Pin des AD2S1210 in Abbildung 4 ungefiltert, verbreitet es sich durch den Resolver und kommt wieder bei den SINLO-, COS- und COSLO-Pins des AD2S1210 an.

Es ist auch sorgfältig auf die Verstärkungs- und Signalpegel in der Anregungsschaltung zu achten, damit der Ausgangstreiber des AD8397 nicht gesättigt wird. Die Filter- und Leistungsverstärkerstufe des AD2S1210-Ausgangssignals erfüllt die rigorosen Anforderungen der induktiven Eingangsstufe des Resolvers (Abbildung 5).

Abbildung 5: Anregungstreiber- und Filterschaltung zwischen dem EXC-Ausgang der R/D-Schaltung und dem R1-Eingang. Hinweis: EXE entspricht EXC in Abbildung 2. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 4 beträgt die DC-Verstärkung der AD8692-Filterschaltung -1 V/V. Der Quad-SPST-Schalter S1 ADG1612BRUZ-REEL von Analog Devices schließt, um den Hochleistungsmodus mit einer hohen VCC (≥ +12 V) zu erzeugen. Bei geschlossenem S1 beträgt die Verstärkung der AD8397-Treiberstufe ca. 2,5 V/V. Die Verstärkung von 2,5 V/V kann aus einem EXE-Eingang von 4,0 Volt Spitze-Spitze einen Ausgang mit 10 Volt Spitze-Spitze erzeugen. Für den Niedrigleistungsmodus, wenn S1 offen ist, beträgt die Verstärkung 1,28 V/V. In dieser Konfiguration erzeugt ein EXE-Eingang von 4,0 Volt Spitze-Spitze einen Ausgang mit 5,12 Volt Spitze-Spitze.

Die Konfiguration des AD8692 ist ein Butterworth-Tiefpassfilter dritter Ordnung mit mehrfacher Rückkopplung (MFB). Als allgemeine Faustregel gilt: Das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (GBWP) ist mindestens das Zwanzigfache der -3-dB-Grenzfrequenz des aktiven Filters. In Abbildung 5 beträgt die Grenzfrequenz 88 kHz, und das GBWP des AD8692 beträgt 10 MHz, sprich das 113-Fache der Grenzfrequenz. In der Regel beträgt die Phasenverschiebung dieser Schaltung 180° ±15°. In der Schaltung von Abbildung 4 beträgt die -3-dB-Grenzfrequenz des Filters 88 kHz und die Phasenverschiebung ist -13° bei 10 kHz.

Der duale Operationsverstärker AD8692 dient als Butterworth-Filter dritter Ordnung, um das Treibersignalrauschen zu reduzieren (Abbildung 6).

Abbildung 6: Nachdem das Ausgangssignal des R/D-Wandlers durch den Anregungstreiber und Filter gelaufen ist, ist das Rauschen auf dem Signal deutlich reduziert und bereit zur Resolvereingabe an R1. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Daten in Abbildung 6 zeigen ein signifikant reduziertes Quantisierungsrauschen des internen DAC im AD2S1210.

Auf ähnliche Weise nutzen die SIN-Empfängerschaltungen (S1 und S3) und COS-Empfängerschaltungen (S2 und S4) zwei Quad-AD8694-Operationsverstärker als aktiven Rauschfilter. Die gesamte Phasenverschiebung zwischen dem EXC-Pin des AD2S1210 (CH1 gelb) und dem SIN- Eingangspin (CH2 blau) beträgt ca. 40 Grad und liegt damit unter dem maximalen Auslegungswert von 44 Grad (Abbildung 7).

Abbildung 7: Es liegt eine Signalphasenverschiebung vor, die durch den Analogtreiber und den Filter hin zum Resolvereingang, den Resolver selbst und den Analogfilter zurück zum R/D-Wandler verursacht wird. Der Oszilloskop-Screenshot zeigt die Phasenverschiebung zwischen dem EXC-Pin und dem SIN-Pin des AD2S1210. (Bildquelle: Analog Devices)

Systemleistung

Die Evaluierungsschaltung für diesen Artikel verwendet die Platine EVAL-CN0276-SDPZ von Analog Devices und die Systemplattform-Steuerplatine EVAL-SDP-CB1Z von Analog Devices (Abbildung 8).

Abbildung 8: Funktionsschaltbild des Testaufbaus gemäß den Abbildungen 4, 6, 7, 10 und 11. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 8 ermöglichen 120-Pin-Steckverbinder zwischen den zwei Karten einen schnellen Aufbau und eine rasche Evaluierung der Schaltungsleistung.

Die EVAL-CN0276-SDPZ enthält die gesamte Schaltung. Die Datenübertragung von der EVAL-CN0276-SDPZ zu einem PC erfolgt über die die EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B) in Verbindung mit der Evaluierungssoftware CN-0276 (Abbildung 9).

Abbildung 9: Die EVAL-CN0276-SDPZ-Platine enthält die komplette Schaltung für den R/D-Wandler. (Bildquelle: Analog Devices)

Mit dem Wert für das Gesamtsystemrauschen, einer festen Position zum Resolver, einem Tamagawa TS2620N21E11, wird ein Ausgangscode-Histogramm generiert. Das Ausgangshistogramm des AD2S1210 mit Codes für die 10-Bit- und 16-Bit-Winkelgenauigkeitsmodi zeigt die Werte des sendenden DAC und des empfangenden ADC (Abbildungen 10 und 11). In diesem Artikel hat der Resolver TS2620N21E11 eine Phasenverschiebung von 0 Grad und ein Übersetzungsverhältnis von 0,5. Die sinus- (SIN) und cosinusförmigen (COS) Ausgangslasten des Resolvers sind gleich und betragen mindestens das Zwanzigfache der Ausgangsimpedanz des Resolvers.

Abbildung 10: EXE sendet mit 10-Bit-Winkelgenauigkeitsmodus, SIN/COS empfängt mit 16-Bit-ADC-Auflösung. (Bildquelle: Analog Devices)

Abbildung 11: EXC sendet mit 16-Bit-Winkelgenauigkeitsmodus, SIN/COS empfängt mit 16-Bit-ADC-Auflösung. (Bildquelle: Analog Devices)

In den Abbildungen 10 und 11 entspricht VCC 12 Volt, sodass die gesamten 16 Bit des R/D-Wandlers im Hochleistungsmodus sind.

Fazit

Durch die Kombination von Resolvern mit einem R/D-Wandler wie dem AD2S1210 von Analog Devices ergibt sich ein robustes Positions- und Geschwindigkeitssteuersystem mit hoher Präzision für Motorsteuerungsanwendungen in potenziell problematischen Umgebungen.

Für eine optimale Gesamtleistung werden AD8694 und AD8397 kombiniert. Somit stehen Puffer-/Filterschaltungen zur Verfügung, die die Anregungssignale verstärken und eine geeignete Ansteuerung für den Resolver bereitstellen sowie die Sekundärsignale filtern und rückführen. Dank der variablen Auflösung des AD2S1210, Referenzerzeugung und On-Chip-Diagnose bietet der R/D-Wandler eine ideale Lösung für Resolveranwendungen.