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作者：Ankur Verma，德州儀器應用工程師；Brian Rodriguez，德州儀器產(chǎn)品市場(chǎng)工程師 旋轉變壓器傳感器可應用于惡劣的環(huán)境，幫助獲得精確的角位置和速度數據 前言 旋轉變壓器是機械或模擬傳感器，可用來(lái)確定電機的絕對位置和速度。該類(lèi)傳感器常用于工業(yè)，汽車(chē)和航空行業(yè)——特別是在電機或傳感器可能會(huì )被污染的惡劣環(huán)境中。常見(jiàn)的污染物包括：油、污垢、食物顆粒，甚至是可能導致其他旋轉感測技術(shù)無(wú)法實(shí)施的極端溫度。特定的最終產(chǎn)品具有獨特的設計挑戰和要求，其中一些挑戰和要求常見(jiàn)于大多數工業(yè)應用。其中兩個(gè)挑戰是：1）角位置和速度數據的絕對精度；2）最小化或消除電磁干擾（EMI）。 旋轉變壓器傳感器的工業(yè)應用 一些絕對旋轉傳感技術(shù)（如光編碼器）被多次選用于工業(yè)應用。然而, 當應付惡劣環(huán)境或出于低成本考慮時(shí)，旋轉變壓器是理想的選擇。伺服電機常用于工業(yè)領(lǐng)域，與旋轉變壓器以及其他類(lèi)型的位置傳感器相連接。通常使用伺服電機和伺服驅動(dòng)器與旋轉變壓器配合來(lái)實(shí)現角速度與位置測量的應用包括： • 數控（CNC）和注塑機 • 升降機 • 機械手臂 • 電動(dòng)交通工具（電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)滑板車(chē)、電動(dòng)輪椅等） • 鐵路運輸 • 農業(yè)和建筑設備 • 公共汽車(chē)和重型卡車(chē) • 高爾夫球車(chē)和低速電動(dòng)車(chē) 主要的旋轉變壓器傳感系統要求 精確和及時(shí)的旋轉變壓器角度輸出 在找到利用旋轉變壓器來(lái)減輕電磁干擾對工業(yè)系統的影響的方法之前，重要的是要先理解為什么精確的位置控制是必不可少的。旋轉變壓器提供一個(gè)理論上與無(wú)限解析度一樣的模擬輸出。模擬到數字的轉換技術(shù)，通過(guò)將輸出分割成塊或步驟的程度來(lái)限制解析度。對持續角進(jìn)行有限分割將導致定量錯誤。例如，您可以使用一個(gè)12位分辨率的轉換器來(lái)提供角輸出。轉換器軸旋轉一圈被分為4096步（2^12對應一個(gè)12位分辨率）。由于一度等于60分，所以旋轉一圈（360度）等于21600角分（60x360）。則每步的間隔為5.27角分（21600/4096）。系統不可能提供比5.27角分更好的信息。 決定正確角位置的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是系統精度和系統穩定時(shí)間。后者主要指的是角輸出要花多久才能顯示出精確位置。需要對系統的每個(gè)部件進(jìn)行評價(jià)，以確定限制因素。系統中，典型的誤差精度是旋轉變壓器誤差和旋轉變壓器模擬數字轉換（RDC’s）誤差的總和。最常見(jiàn)的是，3-10角分就會(huì )出現一個(gè)旋轉變壓器誤差。再加上5.27角分會(huì )出現旋轉變壓器模擬數字轉換誤差，則我們可以得出精確的誤差出現范圍是8.27-15.27角分。因此，選擇正確的RDC很重要。以下因素在典型的旋轉變壓器應用中會(huì )對系統精度和穩定時(shí)間產(chǎn)生影響 [1]： 機械因素 • 傳感器的結構（零位電壓、變壓比等） • 傳感器規格隨溫度的變化 • 線(xiàn)圈不平衡：正弦和余弦線(xiàn)圈輸出電壓可能會(huì )不平衡，從而導致誤差 • 旋轉變壓器傳感器未對準：旋轉變壓器也許安裝錯誤，導致系統靜態(tài)誤差 • 旋轉變壓器傳感器的極的數量：由于每增加一對極就會(huì )多檢測360度，因此增加的極數會(huì )降低角誤差 電氣因素 • 旋轉變壓器模擬-數字轉換結構 • 旋轉變壓器信號輸入到角輸出的時(shí)間延遲，反應快速的角變化穩定時(shí)間 • 模擬前端（AFE）部件的不平衡 • 系統具備處理環(huán)境因素的能力（例如,外部磁場(chǎng)或共模噪音） 穩定時(shí)間 當旋轉變壓器的電機位置或輸出信號變化迅速時(shí)，穩定時(shí)間是RDC控制系統的快速性能指標[2]。圖1顯示的一個(gè)是有階躍輸入變化（黑線(xiàn)）的RDC反饋控制系統的穩定時(shí)間的例子。藍色信號顯示的是對電路的正常模式響應，紅色信號顯示的是加速模式過(guò)程中響應（角快速變化）。為了在快速變化的條件下追蹤到旋轉角，加速模式幫助控制回路很容易跟蹤到一個(gè)快速的旋轉角[4]。 
圖 1：RDC階躍響應穩定時(shí)間 EMC/EMI影響旋轉變壓器系統 電磁兼容性（EMC）指的是：電子系統要怎樣在電磁環(huán)境中運行而不產(chǎn)生問(wèn)題（免疫力）。同樣地，系統發(fā)射脈沖一定不能干擾到范圍中的任何產(chǎn)品。在工業(yè)設備應用中，變速驅動(dòng)器和控制電路是主要干擾源。功率元件的快速切換，例如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和微控制器，是高頻發(fā)射或干擾的主要來(lái)源。IGBT切換時(shí)間可長(cháng)達100nS。 電氣設備應該不受高頻現象影響，例如： 1. 靜電放電（ESD） 2. 快速瞬變（也稱(chēng)為EFT） 3. 輻射電磁場(chǎng) 4. 傳導射頻干擾 5. 浪涌脈沖 限制條件由工業(yè)標準決定，例如IEC61800-3標準規定了包含AC/DC電機和控制電路的變速驅動(dòng)器的電磁兼容性要求。在這樣的環(huán)境下，任何設計都應該遵守確定的基本電氣設計原則，以減輕噪聲影響[3]。 1. 電子PCB原理圖和布局設計： a. 分別進(jìn)行電源和模擬接地 b. 使用模擬濾波器來(lái)消除感測器信號上的共模噪音 c. 針對高頻干擾（如：鐵氧體磁珠）的高頻、低阻抗濾波器 d. 最小化回環(huán)面積，以便接地可以為信號返回路徑提供盡可能低的阻抗 2. 機械設計： a. 使用鎧裝的電纜和連接器（例如DB-9鎧裝連接器） b. 布線(xiàn)：最小化驅動(dòng)器和感測器部件之間的電纜長(cháng)度 c. 使用鎧裝雙絞電源和控制電纜來(lái)避免干擾 d. 使用雙鎧裝來(lái)降低輻射干擾 變速驅動(dòng)器的電磁干擾免疫力要求 TI工程師測試IEC61800-3標準來(lái)獲取環(huán)境規范（表1）。該設計使用鎧裝連接器和鎧裝電纜（長(cháng)度>30m）。標準的定義見(jiàn)表2。 表1：IEC61800-3規定的變速驅動(dòng)器的EMC規范
表2：IEC61800-3通過(guò)性能標準
EMI結果來(lái)自哪里？ 任何高dl/dt或dV/dt都可能作為電磁干擾（EMI）的重要潛在源頭。電子信號的EDGE率可以產(chǎn)生諧波和互調失真。例如，一邊10ns的EDGE率和另一邊1ns的EDGE率導致10MHz的方波。這展示了增加的諧波含量如何伴隨具有更快Edge Rate的方波。使用等式1作為一個(gè)計算特定Edge Rate下的諧波頻率范圍的一般公式：
根據該公式，10nsEdge Rate對應的諧波頻率大約為31.8MHz。圖3顯示：最后一個(gè)重要的諧波頻率為30MHZ。同時(shí)，1ns的Edge Rate對應的諧波頻率318MHZ（圖2）。如果頻率范圍擴展到300MHZ以外，顯示的諧波仍很明顯，但卻在相關(guān)頻率上迅速變小。
圖 2：10MHz方波頻譜
圖 3：31.8MHz方波頻譜 這些方法可以幫助降低噪音對旋轉變壓器系統精度的整體影響： 1. 使用差分信號幫助減少電纜中的電氣噪音 2. 鎧裝線(xiàn)纜噪音在影響傳感器電路和產(chǎn)生誤差之前傳入地下 3. 在RDC結構中使用的模擬前端（AFE）可以過(guò)濾掉共模噪音 4. 爭取獲得具有盡可能低阻抗的接近完美的接地方式 5. 盡可能縮小扮演EMI天線(xiàn)角色的環(huán)路 屏蔽和過(guò)濾 所有導電的部件，如電纜、地、金屬外殼等，可以傳播輻射。電纜的轉移阻抗必須在頻率達到100MHz的范圍內低于100 mΩ/m。最高的屏蔽效果可以使用金屬導管或波紋鋁屏蔽層實(shí)現。電纜路徑越長(cháng)，要求的轉移阻抗越低�？梢栽谛盘栯娎|中使用共模電感器，以在一個(gè)特定功率上抑制共模干擾。一個(gè)理想的共模電感器不會(huì )一直差模信號。Faraday Cage（法拉第籠）技術(shù)是另一個(gè)常用的控制輻射干擾的方法。
圖 4：抑制共模噪音的扼流實(shí)例 結論 工業(yè)電機位置傳感應用中的獨特高精度與噪音挑戰，可以通過(guò)全面的設計考量和仔細的電子元件選擇來(lái)解決。設計旋轉變壓器時(shí)，設計師應考慮系統穩定時(shí)間的規范、有關(guān)EMI/EMC的芯片性能以及這些因素如何影響整體的系統精度。 參考文獻 1. Verma, Ankur; Chellamuthu, Anand.“用于電動(dòng)車(chē)輛的旋轉變壓器轉數字轉換器設計考慮,”TI模擬應用期刊， 1Q 2016 2. Irfan Ahmed, “使用TMS320系列數字信號處理器（DSP）的PID和直進(jìn)式控制器的實(shí)現 (SPRA083)，”TI應用報告，1997 3. Martin Staebler, “為電機位置編碼器設計一個(gè)符合電磁兼容性（EMC）的接口 – 第1部分,”TI電機驅動(dòng)與控制博客，2015年8月31日 4. R Mancini, “TI運放基礎與設計指南，”ISBN:978-0-7506-7701-1.Elsevier 2003 補充閱讀 • Verma, Ankur; Panacek, J..“PGA411-Q1 PCB設計指南，”TI應用報告 (SLAA697), 2016年3月 • Verma, Ankur; Xu, F. “PGA411-Q1故障排除指南，”TI應用報告(SLAA687), 2016年2月 • A. Verma, F. Xu, J.Panacek.“PGA411-Q1任意主機系統的逐步初始化，(SLAA688)” Mar’16, TI應用報告，2016年3月 • 下載PGA411-Q1數據表 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
