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(shù)據(jù)
前言
旋轉變壓器是機械或模擬傳感器，可用來確定電機的絕對位置和速度。該類傳感器常用于工業(yè)，汽車和航空行業(yè)——特別是在電機或傳感器可能會被污染的惡劣環(huán)境中。常見的污染物包括：油、污垢、食物顆粒，甚至是可能導致其他旋轉感測技術無法實施的極端溫度。特定的最終產品具有獨特的設計挑戰(zhàn)和要求，其中一些挑戰(zhàn)和要求常見于大多數(shù)工業(yè)應用。其中兩個挑戰(zhàn)是：1）角位置和速度數(shù)據(jù)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（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，旋轉變壓器是理想的選擇。伺服電機常用于工業(yè)領域，與旋轉變壓器以及其他類型的位置傳感器相連接。通常使用伺服電機和伺服驅動器與旋轉變壓器配合來實現(xiàn)角速度與位置測量的應用包括：
·數(shù)控（CNC）和注塑機
·升降機
·機械手臂
·電動交通工具（電動自行車、電動滑板車、電動輪椅等）
·鐵路運輸
·農業(yè)和建筑設備
·公共汽車和重型卡車
·高爾夫球車和低速電動車
主要的旋轉變壓器傳感系統(tǒng)要求
精確和及時的旋轉變壓器角度輸出
在找到利用旋轉變壓器來減輕電磁干擾對工業(yè)系統(tǒng)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理論上與無限解析度一樣的模擬輸出。模擬到數(shù)字的轉換技術，通過將輸出分割成塊或步驟的程度來限制解析度。對持續(xù)角進行有限分割將導致定量錯誤。例如，您可以使用一個12位分辨率的轉換器來提供角輸出。轉換器軸旋轉一圈被分為4096步（2^12對應一個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(tǒng)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關鍵點是系統(tǒng)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定時間。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(tǒng)的每個部件進行評價，以確定限制因素。系統(tǒng)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(shù)字轉換（RDC’s）誤差的總和。最常見的是，3-10角分就會出現(xiàn)一個旋轉變壓器誤差。再加上5.27角分會出現(xiàn)旋轉變壓器模擬數(shù)字轉換誤差，則我們可以得出精確的誤差出現(xiàn)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對系統(tǒng)精度和穩(wěn)定時間產生影響 [1]：
機械因素
·傳感器的結構（零位電壓、變壓比等）
·傳感器規(guī)格隨溫度的變化
·線圈不平衡：正弦和余弦線圈輸出電壓可能會不平衡，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(tǒng)靜態(tài)誤差
·旋轉變壓器傳感器的極的數(shù)量：由于每增加一對極就會多檢測360度，因此增加的極數(shù)會降低角誤差
電氣因素
·旋轉變壓器模擬-數(shù)字轉換結構
·旋轉變壓器信號輸入到角輸出的時間延遲，反應快速的角變化穩(wěn)定時間
·模擬前端（AFE）部件的不平衡
·系統(tǒng)具備處理環(huán)境因素的能力（例如,外部磁場或共模噪音）
穩(wěn)定時間
當旋轉變壓器的電機位置或輸出信號變化迅速時，穩(wěn)定時間是RDC控制系統(tǒng)的快速性能指標[2]。圖1顯示的一個是有階躍輸入變化（黑線）的RDC反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定時間的例子。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快速的旋轉角[4]。
圖 1：RDC階躍響應穩(wěn)定時間
EMC/EMI影響旋轉變壓器系統(tǒng)
電磁兼容性（EMC）指的是：電子系統(tǒng)要怎樣在電磁環(huán)境中運行而不產生問題（免疫力）。同樣地，系統(tǒng)發(fā)射脈沖一定不能干擾到范圍中的任何產品。在工業(yè)設備應用中，變速驅動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)射或干擾的主要來源。IGBT切換時間可長達100nS。
電氣設備應該不受高頻現(xiàn)象影響，例如：
1.靜電放電（ESD）
2.快速瞬變（也稱為EFT）
3.輻射電磁場
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(guī)定了包含AC/DC電機和控制電路的變速驅動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.分別進行電源和模擬接地
b.使用模擬濾波器來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：最小化驅動器和感測器部件之間的電纜長度
c.使用鎧裝雙絞電源和控制電纜來避免干擾
d.使用雙鎧裝來降低輻射干擾
變速驅動器的電磁干擾免疫力要求
TI工程師測試IEC61800-3標準來獲取環(huán)境規(guī)范（表1）。該設計使用鎧裝連接器和鎧裝電纜（長度>30m）。標準的定義見表2。
表1：IEC61800-3規(guī)定的變速驅動器的EMC規(guī)范
表2：IEC61800-3通過性能標準
EMI結果來自哪里？
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作為一個計算特定Edge Rate下的諧波頻率范圍的一般公式：
(1)
根據(jù)該公式，10nsEdge Rate對應的諧波頻率大約為31.8MHz。圖3顯示：最后一個重要的諧波頻率為30MHZ。同時，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(tǒng)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.鎧裝線纜噪音在影響傳感器電路和產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天線角色的環(huán)路
屏蔽和過濾
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現(xiàn)。電纜路徑越長，要求的轉移阻抗越低?？梢栽谛盘栯娎|中使用共模電感器，以在一個特定功率上抑制共模干擾。一個理想的共模電感器不會一直差模信號。Faraday Cage（法拉第籠）技術是另一個常用的控制輻射干擾的方法。
圖 4：抑制共模噪音的扼流實例
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(zhàn)，可以通過全面的設計考量和仔細的電子元件選擇來解決。設計旋轉變壓器時，設計師應考慮系統(tǒng)穩(wěn)定時間的規(guī)范、有關EMI/EMC的芯片性能以及這些因素如何影響整體的系統(tǒng)精度。
參考文獻
1.Verma, Ankur; Chellamuthu, Anand.“用于電動車輛的旋轉變壓器轉數(shù)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(shù)字信號處理器（DSP）的PID和直進式控制器的實現(xiàn) (SPRA083)，”TI應用報告，1997
3.Martin Staebler, “為電機位置編碼器設計一個符合電磁兼容性（EMC）的接口 – 第1部分,”TI電機驅動與控制博客，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(tǒng)的逐步初始化，(SLAA688)” Mar’16, TI應用報告，2016年3月
·下載PGA411-Q1數(shù)據(jù)表