芯科集成CX3288系列车规MCU在旋转变压器的应用

来源：芯科集成

背景

旋转变压器（Resolver），又称解算器或回转变压器，是一种模拟式角位移传感器，能够将机械转角转换为电信号输出。它的历史可以追溯到20世纪初，最早应用于军事领域，特别是火炮控制系统和雷达天线定位。二战期间，旋转变压器因其高可靠性和抗干扰能力在军事装备中得到广泛应用。

20世纪50年代后，随着工业自动化的发展，旋转变压器逐渐进入民用领域，特别是需要精确位置反馈的伺服系统、数控机床和机器人等高端装备。与光电编码器相比，旋转变压器具有更强的环境适应能力，能够在高温、高湿、强振动和强电磁干扰等恶劣条件下稳定工作。

基本原理

工作原理：旋转变压器工作时，转子绕组通以高频交流励磁信号（通常为几千赫兹到几十千赫兹），在定子绕组中感应出与转子角度位置相关的电压信号。理想情况下，两个定子绕组的输出电压可表示为：

Vs = V₀·sin(ωt)·sinθ

Vc = V₀·sin(ωt)·cosθ

其中：

·V₀为信号幅值

·ω为励磁角频率

·θ为转子机械转角

通过检测这两个正交信号的幅值比，即可解算出转子的角度位置。

技术发展与演变

旋转变压器技术经历了多个发展阶段：

·传统旋转变压器: 早期产品体积较大，采用接触式滑环供电，存在磨损和可靠性问题。随着材料科学和制造工艺的进步，逐步发展出无刷旋转变压器，通过附加的旋转变压器耦合能量，消除了物理接触，大幅提高了使用寿命。

·多极旋转变压器: 传统单极旋转变压器每转只能提供一个完整周期（360°电气角对应360°机械角）。多极旋转变压器通过增加极对数，实现了更高的电气分辨率，例如极对数为n的旋转变压器，电气角θ_e与机械角θ_m的关系为：θ_e = n·θ_m。这使得在不提高制造精度的情况下，通过电气细分可获得更高的角度分辨率。

·数字式旋转变压器: 随着数字信号处理技术的发展，出现了将模拟信号处理电路集成在传感器内部的数字输出型旋转变压器，简化了系统集成难度。这类产品通常提供数字接口（如SPI、SSI或EtherCAT），可直接输出数字角度值。

·集成化与微型化: 现代旋转变压器趋向于小型化和集成化，出现了与电机一体化的设计，以及针对特定应用（如电动汽车驱动电机）优化的专用产品。同时，新材料如纳米晶合金的应用进一步提高了性能并减小了体积。

应用领域

旋转变压器凭借其独特优势，在多个领域得到广泛应用：

·航空航天: 飞行控制系统的舵面位置反馈、惯性导航平台的稳定控制、航空发动机的转子位置监测等。在极端环境下，旋转变压器的可靠性远高于光电编码器。

·军事装备: 坦克炮塔定位、导弹发射架控制、舰载雷达天线位置反馈等。其抗电磁干扰能力特别适合战场环境。

·工业自动化: 数控机床的转台定位、工业机器人的关节位置反馈、高精度伺服系统等。在重工业环境中，粉尘、油污和振动不影响其性能。

·新能源汽车: 电动汽车驱动电机的位置和速度检测。电机转子位置检测精度直接影响转矩输出和能效, 高压大电流环境下需抵抗强电磁干扰, 汽车要求-40℃到150℃的宽温工作能力, 8-10年或15万公里以上的使用寿命。旋转变压器耐高温、抗干扰的特点完美匹配电机控制需求。

·能源领域: 风力发电机变桨系统、水轮机导叶控制等。大型设备的长期可靠运行需要旋转变压器的稳定支持。

解码方法与信号处理

·专用解码芯片：专用集成电路（ASIC）如AD2S系列等，采用Type II跟踪环路技术，实时跟踪角度变化。其基本原理是通过反馈系统不断调整内部角度估计值φ，使得估计角度误差逐步趋近于0。当系统收敛时，φ即为估计的角度值。这类芯片具有响应快、抗干扰强的特点，但带宽和分辨率通常固定。

·峰值检测法： 峰值检测法基于旋变输出信号的瞬时幅值与转子角度之间的三角函数关系。通过提取包络线峰值，消除励磁载波ωt的影响后，角度可通过反正切运算求得。

·锁相环法：构建二阶非线性控制系统，类似AD2S系列解码芯片原理。系统输入E·sin(ωt)·sin(θ-ψ)通过典型II型系统闭环调节（θ为电机实际角度，ψ为软件估算角度），可将初始信号中的高频信号滤除，最终使θ-ψ趋近于0，解出电机角度。

·积分法： 利用正交信号在整数周期内的积分特性, 通过解调-积分过程消除高频载波，保留反映转子位置的低频包络信息，再进行反正切运算求得角度信息。

芯科CX3288旋变解码

芯科集成CX3288系列是基于RISC-V内核的高性能车规MCU，支持浮点运算指令，主频达到300+MHz，Flash容量为512K~8MB，设计符合AEC-Q100 Grade1和功能安全ISO26262 ASIL-B的要求。

CX3288AE有42路12bit高精度ADC通道，支持差分连续采样，最高可达2Mbps采样率，轻松实现对旋转变压器输出差分信号的高速精准采样。支持DMA，实现旋变输入信号的采样结果实时传输，简化外部电路设计和用户代码的实现。得益于高主频和浮点指令的支持，CX3288拥有不俗的性能满足数据处理场景，运算周期较常规的MCU大幅缩短。获取采样结果后转为实际信号电压，参与后续闭环环节的计算调节，既快速又准确地解算出电机实际角度。

芯科集成

结语

旋转变压器作为一种经典的角位移传感器，历经近一个世纪的发展，依然在众多关键领域保持着不可替代的地位。其独特的抗干扰能力、环境适应性和可靠性，使其在工业4.0和智能制造时代仍具有旺盛的生命力。随着信号处理技术的进步和应用需求的多样化，旋转变压器技术将持续创新，在更广阔的领域发挥作用。未来，传统旋转变压器与新型传感器技术的融合，可能会催生出更具竞争力的新一代位置检测解决方案。