提高 電機驅(qū)動中HEVEV 旋轉(zhuǎn)變壓器的效率

高效的電機控制是電動汽車必不可少的部分，電動汽車一般采用永磁交流電機（PMAC）或感應(yīng)電機。這兩種類型都有優(yōu)點，也有取舍。

PMAC 電機可以使用旋轉(zhuǎn)變壓器或編碼器。分解器將機械運動轉(zhuǎn)換為與絕對旋轉(zhuǎn)位置有關(guān)的電氣信息。它由一個初級繞組和兩個次級繞組組成。次級繞組相對于彼此成 90 度角位于定子上，而初級繞組位于轉(zhuǎn)子上。測量精度的缺乏直接影響電機的效率。其他類型的電機，例如可變磁阻，在定子上具有所有三個繞組。

當在初級繞組上施加勵磁電流時，正弦/余弦次級繞組將輸出相同頻率的信號，同時相位相差 90 度。您可以使用兩個次級繞組的大小來計算軸相對于定子的準確位置。

圖 1 顯示了帶有 ALM2402F-Q1 的基于旋轉(zhuǎn)變壓器的電路示例。

圖 1：使用 ALM2402F-Q1 的基于旋轉(zhuǎn)變壓器的電路 

精密測量的關(guān)鍵規(guī)格

旋轉(zhuǎn)變壓器的性能很大程度上取決于組件的選擇。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的初級線圈具有低輸入阻抗（低至 100 Ω），因此通常需要勵磁驅(qū)動器具有高輸出電流能力，以便在初級繞組上產(chǎn)生大電壓。這可以通過分立解決方案實現(xiàn)——選擇運算放大器（op amp）和雙極結(jié)型晶體管，將所需的驅(qū)動電流提高到 200 mA 以上。但是，諸如 ALM2402F-Q1 之類的集成解決方案可提供更好的失調(diào)電壓匹配，從而提高精度，從而提供更好的效率。 

表 1 列出了基于旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用的典型要求。

表 1：基于旋轉(zhuǎn)變壓器的測量的典型參數(shù)

選擇合適的設(shè)備來驅(qū)動初級線圈的關(guān)鍵任務(wù)之一是確保激勵放大器的最小壓擺率，從而避免壓擺引起的失真。公式 1 將激勵電壓計算為正弦/余弦幅度與衰減之比：

(3.3/0.4) = 8.25 Vp-p (1)

公式 2 表示避免失真的最小壓擺率：

SR = 2 * π * Vp * f = [(2 * 3.14 * (8.25 / 2) * 20000)] / 1E6 (2)

公式 2 產(chǎn)生 0.52 V/μs。

圖 2 顯示了激勵放大器所需的最小壓擺率。

圖 2：激勵放大器所需的最小壓擺率與頻率的關(guān)系

 基于旋轉(zhuǎn)變壓器的測量方法

旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種常用方法：帶有微控制器 (MCU) 的基于軟件的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (RDC) 和集成電路 RDC。MCU 生成脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號，該信號被調(diào)制為正弦波。然后有源低通濾波器濾除 PWM 載波頻率并去除系統(tǒng)中不需要的諧波，只留下初級電路的激勵頻率分量。有源高通濾波器去除直流偏移。

一旦信號被濾除，就需要使用高輸出電流放大器進行調(diào)節(jié)，這也可以通過使用低噪聲運算放大器（如 OPA2197）以及 BJT 晶體管或集成雙功率放大器（如 ALM2402F 雙運放）的分立解決方案實現(xiàn)放大器 ALM2402F 不僅提供高輸出電流 (400 mA)，還提供熱關(guān)斷和電流限制，以及集成的過熱故障標志。

另一個感興趣的領(lǐng)域是上述電路的模擬前端部分，它包括三個差分放大器。第一個放大器監(jiān)控激勵放大器的輸出，以檢測由低通濾波器（通過 MCU）引起的相位滯后，或可能由激勵放大器引起的故障條件。另外兩個放大器用于緩沖來自旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組的正弦和余弦信號。圖 3 顯示了一個示例，它代表了基于旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用的典型模擬前端。

圖 3：典型的旋轉(zhuǎn)變壓器前端

設(shè)計一個好的差分放大器的關(guān)鍵是用于增益控制的外部電阻的匹配。雖然 OPA2197-Q1 等分立運算放大器提供非常好的直流性能（低輸入失調(diào)電壓和漂移），但共模抑制將取決于電阻匹配。一對 0.005% 匹配電阻達到 86 dB。

小號afety（ASIL）要求

設(shè)計旋轉(zhuǎn)變壓器電路的另一個重要方面是需要遵守功能安全標準。盡管許多行業(yè)有多項標準，但汽車硬件工程師必須遵守國際標準化組織 26262 安全要求，以支持汽車安全完整性等級 (ASIL) A 至 ASIL D。ASIL 是電動助力轉(zhuǎn)向等應(yīng)用設(shè)計的關(guān)鍵部分、變速箱、制動系統(tǒng)和高級駕駛員輔助系統(tǒng)。遵守功能安全標準的重點是在發(fā)生故障時降低風險。如果電機控制系統(tǒng)發(fā)生故障，電路的功能安全部分可以檢測到故障情況并做出相應(yīng)的響應(yīng)以解決問題。實現(xiàn)安全電路的一種方法是在旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)電路的勵磁部分使用兩個組件作為冗余。一個集成的，例如 ALM2402F-Q1，

近年來，旋轉(zhuǎn)變壓器變得越來越流行，因為它們可以在惡劣的環(huán)境中運行、耐高溫并提供準確的測量結(jié)果。然而，選擇電子元件需要格外小心，因為它們通常與旋轉(zhuǎn)變壓器本身相距一段距離，這使得抗噪性和共模抑制比對于實現(xiàn)理想的性能至關(guān)重要。