作者：Ankur Verma，德州儀器應用工程師；Brian Rodriguez，德州儀器產品市場工程師 旋轉變壓器傳感器可應用于惡劣的環境，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，可用來確定電機的絕對位置和速度。該類傳感器常用于工業，汽車和航空行業——特別是在電機或傳感器可能會被污染的惡劣環境中。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和要求，其中一些挑戰和要求常見于大多數工業應用。其中兩個挑戰是：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）被多次選用于工業應用。然而, 當應付惡劣環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理論上與無限解析度一樣的模擬輸出。模擬到數字的轉換技術，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精度和系統穩定時間。后者主要指的是角輸出要花多久才能顯示出精確位置。需要對系統的每個部件進行評價，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。最常見的是，3-10角分就會出現一個旋轉變壓器誤差。再加上5.27角分會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對系統精度和穩定時間產生影響 [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，導致系統靜態誤差 ? 旋轉變壓器傳感器的極的數量：由于每增加一對極就會多檢測360度，因此增加的極數會降低角誤差 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間延遲，反應快速的角變化穩定時間 ? 模擬前端（AFE）部件的不平衡 ? 系統具備處理環境因素的能力（例如,外部磁場或共模噪音） 穩定時間 當旋轉變壓器的電機位置或輸出信號變化迅速時，穩定時間是RDC控制系統的快速性能指標[2]。圖1顯示的一個是有階躍輸入變化（黑線）的RDC反饋控制系統的穩定時間的例子。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]。 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境中運行而不產生問題（免疫力）。同樣地，系統發射脈沖一定不能干擾到范圍中的任何產品。在工業設備應用中，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器的電磁兼容性要求。在這樣的環境下，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標準來獲取環境規范（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。