工業(yè)旋轉(zhuǎn)變壓器傳感應(yīng)用的電氣設(shè)計(jì)要素

前言

旋轉(zhuǎn)變壓器是機(jī)械或模擬傳感器，可用來(lái)確定電機(jī)的絕對(duì)位置和速度。該類傳感器常用于工業(yè)，汽車(chē)和航空行業(yè)——特別是在電機(jī)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(dǎo)致其他旋轉(zhuǎn)感測(cè)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(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和要求，其中一些挑戰(zhàn)和要求常見(jiàn)于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用。其中兩個(gè)挑戰(zhàn)是：1)角位置和速度數(shù)據(jù)的絕對(duì)精度;2)最小化或消除電磁干擾(EMI)。

旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器的工業(yè)應(yīng)用

一些絕對(duì)旋轉(zhuǎn)傳感技術(shù)(如光編碼器)被多次選用于工業(yè)應(yīng)用。然而, 當(dāng)應(yīng)付惡劣環(huán)境或出于低成本考慮時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器是理想的選擇。伺服電機(jī)常用于工業(yè)領(lǐng)域，與旋轉(zhuǎn)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(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器與旋轉(zhuǎn)變壓器配合來(lái)實(shí)現(xiàn)角速度與位置測(cè)量的應(yīng)用包括：

· 數(shù)控(CNC)和注塑機(jī)

· 升降機(jī)

· 機(jī)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(yùn)輸

· 農(nóng)業(yè)和建筑設(shè)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(zhuǎn)變壓器傳感系統(tǒng)要求

精確和及時(shí)的旋轉(zhuǎn)變壓器角度輸出

在找到利用旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)減輕電磁干擾對(duì)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(zhuǎn)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(shù)字的轉(zhuǎn)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(duì)持續(xù)角進(jìn)行有限分割將導(dǎo)致定量錯(cuò)誤。例如，您可以使用一個(gè)12位分辨率的轉(zhuǎn)換器來(lái)提供角輸出。轉(zhuǎn)換器軸旋轉(zhuǎn)一圈被分為4096步(2^12對(duì)應(yīng)一個(gè)12位分辨率)。由于一度等于60分，所以旋轉(zhuǎn)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是系統(tǒng)精度和系統(tǒng)穩(wěn)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(duì)系統(tǒng)的每個(gè)部件進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定限制因素。系統(tǒng)中，典型的誤差精度是旋轉(zhuǎn)變壓器誤差和旋轉(zhuǎn)變壓器模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(RDC’s)誤差的總和。最常見(jiàn)的是，3-10角分就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器誤差。再加上5.27角分會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器模擬數(shù)字轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器應(yīng)用中會(huì)對(duì)系統(tǒng)精度和穩(wěn)定時(shí)間產(chǎn)生影響 [1]：

機(jī)械因素

· 傳感器的結(jié)構(gòu)(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(huì)不平衡，從而導(dǎo)致誤差

· 旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器未對(duì)準(zhǔn)：旋轉(zhuǎn)變壓器也許安裝錯(cuò)誤，導(dǎo)致系統(tǒng)靜態(tài)誤差

· 旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器的極的數(shù)量：由于每增加一對(duì)極就會(huì)多檢測(cè)360度，因此增加的極數(shù)會(huì)降低角誤差

電氣因素

· 旋轉(zhuǎn)變壓器模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

· 旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)輸入到角輸出的時(shí)間延遲，反應(yīng)快速的角變化穩(wěn)定時(shí)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(chǎng)或共模噪音)

穩(wěn)定時(shí)間

當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器的電機(jī)位置或輸出信號(hào)變化迅速時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間是RDC控制系統(tǒng)的快速性能指標(biāo)[2]。圖1顯示的一個(gè)是有階躍輸入變化(黑線)的RDC反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間的例子。藍(lán)色信號(hào)顯示的是對(duì)電路的正常模式響應(yīng)，紅色信號(hào)顯示的是加速模式過(guò)程中響應(yīng)(角快速變化)。為了在快速變化的條件下追蹤到旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角[4]。

圖 1：RDC階躍響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間

EMC/EMI影響旋轉(zhuǎn)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(yùn)行而不產(chǎn)生問(wèn)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(chǎn)品。在工業(yè)設(shè)備應(yīng)用中，變速驅(qū)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(zhǎng)達(dá)100nS。

電氣設(shè)備應(yīng)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(chǎng)

4. 傳導(dǎo)射頻干擾

5. 浪涌脈沖

限制條件由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)決定，例如IEC61800-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了包含AC/DC電機(jī)和控制電路的變速驅(qū)動(dòng)器的電磁兼容性要求。在這樣的環(huán)境下，任何設(shè)計(jì)都應(yīng)該遵守確定的基本電氣設(shè)計(jì)原則，以減輕噪聲影響[3]。

1. 電子PCB原理圖和布局設(shè)計(jì)：

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(cè)器信號(hào)上的共模噪音

c. 針對(duì)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(hào)返回路徑提供盡可能低的阻抗

2. 機(jī)械設(shè)計(jì)：

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(qū)動(dòng)器和感測(cè)器部件之間的電纜長(zhǎng)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(qū)動(dòng)器的電磁干擾免疫力要求

TI工程師測(cè)試IEC61800-3標(biāo)準(zhǔn)來(lái)獲取環(huán)境規(guī)范(表1)。該設(shè)計(jì)使用鎧裝連接器和鎧裝電纜(長(zhǎng)度>30m)。標(biāo)準(zhǔn)的定義見(jiàn)表2。

表1：IEC61800-3規(guī)定的變速驅(qū)動(dòng)器的EMC規(guī)范

表2：IEC61800-3通過(guò)性能標(biāo)準(zhǔn)

EMI結(jié)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(hào)的EDGE率可以產(chǎn)生諧波和互調(diào)失真。例如，一邊10ns的EDGE率和另一邊1ns的EDGE率導(dǎo)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(jì)算特定Edge Rate下的諧波頻率范圍的一般公式：

根據(jù)該公式，10nsEdge Rate對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的諧波頻率318MHZ(圖2)。如果頻率范圍擴(kuò)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(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)精度的整體影響：

1. 使用差分信號(hào)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(chǎn)生誤差之前傳入地下

3. 在RDC結(jié)構(gòu)中使用的模擬前端(AFE)可以過(guò)濾掉共模噪音

4. 爭(zhēng)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(guò)濾

所有導(dǎo)電的部件，如電纜、地、金屬外殼等，可以傳播輻射。電纜的轉(zhuǎn)移阻抗必須在頻率達(dá)到100MHz的范圍內(nèi)低于100 mΩ/m。最高的屏蔽效果可以使用金屬導(dǎo)管或波紋鋁屏蔽層實(shí)現(xiàn)。電纜路徑越長(zhǎng)，要求的轉(zhuǎn)移阻抗越低?？梢栽谛盘?hào)電纜中使用共模電感器，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(hào)。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(jié)論

工業(yè)電機(jī)位置傳感應(yīng)用中的獨(dú)特高精度與噪音挑戰(zhàn)，可以通過(guò)全面的設(shè)計(jì)考量和仔細(xì)的電子元件選擇來(lái)解決。設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)考慮系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間的規(guī)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(tǒng)精度。