Design of a Resolver Interface for traction inverters in an advanced microcontroller family

In electric traction motor control applications, accurate information on the angular position of the rotor is vital to obtain precise torque and speed control. Resolvers are the state-of-the-art position sensors used in this field thanks to their reliability in harsh environments and their immunity to common-mode disturbances. After appropriate excitation by a sinusoidal signal, they provide two output signals that always allow the absolute angular position to be detected. Because decoding these output signals is not straightforward, application-specific integrated circuits (ICs) have been developed to derive the angular position of the motor. However, to eliminate the cost of an external IC and provide improved performance, space savings, and flexibility, manufacturers are beginning to include resolver signal processing directly into microcontrollers due to the elevated level of Systems-on-Chip (SoC) integration. This thesis project, realised in collaboration with the Department of Automotive and Discrete Group (ADG) - Digital Automotive Products R&D of STMicroelectronics, presents the development of a new digital IP, called Resolver Interface, to be embedded in the next generation of microcontrollers for electrification. In addition to the integration with the rest of the microcontroller for the IP setting and the acquisition of the signals to be processed by two system-level Sigma-Delta ADCs, the Resolver Interface is responsible for generating the excitation signal for the resolver and demodulating the sensor output signals for envelope extraction by the so-called "integral method". A new flexible PWM technique for the generation of the resolver excitation sine wave is proposed, which enables a real-time generation of the duty cycle values along with high frequency resolution and efficient area occupancy. In addition, a novel real-time synchronisation technique is presented for the rectification of resolver output signals, which ensures the self-synchronisation capability of the IP and support for external delays greater than half of the excitation period. This document delves into the various stages of development of this new digital IP, starting from specification through RTL Design, Verification, and Synthesis. The above innovative techniques adopted in this thesis project resulted in two patent proposals, currently filed with the Patent Office of STMicroelectronics: Sine-wave generation based on a flexible PWM technique (ST Ref: 23-AG-1126) and Real-time synchronization technique for rectification of Resolver feedbacks (ST Ref: 23-AG-1125).

Nelle applicazioni di controllo dei motori elettrici di trazione, informazioni accurate sulla posizione angolare del rotore sono fondamentali per ottenere un controllo preciso della coppia e della velocità. I resolver sono i sensori di posizione più utilizzati in questo campo grazie alla loro affidabilità in ambienti rumorosi e alla loro immunità ai disturbi di modo comune. A fronte di una opportuna eccitazione tramite un segnale sinusoidale, forniscono due segnali di uscita che consentono sempre di rilevare la posizione angolare assoluta. Poiché la demodulazione di questi segnali non è semplice, sono stati sviluppati circuiti integrati specifici per ricavare la posizione angolare del motore. Tuttavia, per eliminare il costo del circuito integrato esterno e fornire migliori prestazioni, risparmio di spazio e flessibilità, i produttori hanno iniziato a includere l'elaborazione dei segnali del resolver direttamente nei microcontrollori, grazie all'elevato livello di integrazione dei System on Chip (SoC). Questo progetto di tesi, realizzato in collaborazione con il dipartimento di Automotive and Discrete Group (ADG) - Digital Automotive Products R&D di STMicroelectronics, presenta lo sviluppo di una nuova IP digitale, chiamata Resolver Interface, da incorporare nella prossima generazione di microcontrollori per l'elettrificazione. Oltre all’integrazione con il resto del microcontrollore per la configurazione e l’acquisizione dei segnali da elaborare tramite l’ausilio di due ADC Sigma-Delta di sistema, il Resolver Interface è responsabile della generazione del segnale di eccitazione del resolver e della demodulazione dei segnali di uscita per l'estrazione dell'inviluppo attraverso il cosiddetto "metodo integrale". In particolare, viene proposta una nuova tecnica flessibile PWM per la generazione dell'onda sinusoidale di eccitazione del resolver, consentendo la generazione in tempo reale dei valori del duty cycle insieme a un'elevata risoluzione in frequenza e un'efficiente occupazione di area. Inoltre, viene presentata un'innovativa tecnica di sincronizzazione in tempo reale per la rettifica dei segnali di uscita del resolver, che conferisce all’IP la capacità di auto-sincronizzazione e il supporto di ritardi esterni superiori alla metà del periodo di eccitazione. Questo documento approfondisce le diverse fasi di sviluppo di questa nuova IP digitale, a partire dalle specifiche fino alla progettazione RTL, alla verifica e alla sintesi. Le suddette tecniche innovative sviluppate in questo progetto di tesi hanno dato vita a due proposte di brevetto, attualmente depositate presso il Patent Office di STMicroelectronics: Sine-wave generation based on a flexible PWM technique (ST Ref: 23-AG-1126) e Real-time synchronization technique for rectification of Resolver feedbacks (ST Ref: 23-AG-1125).