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【Analog Devices 的 AD2S1210】如何使用旋转变压器精确确定电机角位置和速度

工业电机、伺服器、机器人和车辆传动系统等机械系统的电子监测和控制对于提高效率、可靠性和安全性非常重要。但是,有效控制需要精确确定旋转角度和速度,而电噪声和恶劣环境使之极具挑战性。解决方案在于由精密轴角数字 (R/D) 转换器和运算放大器支持的旋转变压器。

本文简要讨论了有关实现精确轴测量和控制的问题,以及旋转变压器成为众多应用上佳选择的原因。然后,文章将展示旋转变压器、R/D 转换器(例如来自 Analog Devices 的 AD2S1210),以及适当的激励放大器和滤波器电路的组合如何构成稳健的高精度位置和速度测量及控制系统。

旋转变压器结构

旋转变压器是一种机电器件,可将机械运动转换为模拟电子信号。它本质上是一个旋转的变压器,其交流电压输出随轴的角位置而变化。旋转变压器的两个元件是固定定子,及在定子内旋转的单绕组转子。旋转变压器初级绕组位于定子上,次级绕组位于转子上(图 1)。

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图 1:可变磁阻旋转变压器具有两个输入端子(R1、R2)、两个正弦输出端子(S1、S3)和两个余弦输出端子(S2、S4)。(图片来源:Analog Devices)

多数旋转变压器电压的规格介于 2 Vrms 与 40 Vrms 之间,频率从 50 赫兹 (Hz) 到 20 千赫兹 (kHz)。初级和次级绕组信号幅度之间的变压比介于 0.2 伏/伏 (V/V) 至 1 V/V 之间。通常,高性能旋转变压器需要高输入电压,高输入电压反过来又需要更高功率的电子器件,来满足高输出范围和更快的压摆率条件。角度精度范围从 5 弧分到 0.5 弧分,其中一度为 60 弧分,一弧分为 60 弧秒。

在图 1 中,转子绕组的交流基准激励电压(VR = E0SIN(wt))施加于 R1 和 R2 之间。任意定子绕组上的感应电压幅度与角 θ(转子线圈轴和定子线圈轴之间的角)的正弦成正比。在转子交流基准电压为 E0 sinωt 时,定子的端输出电压为:

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两个定子输出信号是经正弦和余弦调制的轴角。下图是激励正弦信号的图形,在 90° 和 270° 具有最大幅度,正弦和余弦输出信号的最大幅度出现在 0° 和 180°(图 2)。

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图 2:旋转变压器电输入 (R1 – R2) 和输出信号。两个定子输出信号是经正弦和余弦调制的轴角。(图片来源:Analog Devices)

在航空电子、汽车以及要求在宽温度范围内具有高稳定性的关键工业应用中,完整的高性能 R/D 电路可以精确测量角位置和速度(图 3)。

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图 3:高性能 R/D 电路,带差分输出端子 (EXC:/EXC) 和差分正弦和余弦输入端子(SIN:SINLO、COS:COSLO)。注意,EXC 等于图 5 中的 EXE。(图片来源:Analog Devices)

在图 3 中,R/D 电路包含一个旋转变压器转子驱动器电路,具有两种工作模式:低功耗和高性能。在低功耗模式下,系统采用 +6 伏单电源供电,功耗不到 100 毫安 (mA)。整个系统为旋转变压器提供 3.2 Vrms(9.2 伏峰-峰)的电压。在高性能状态下,系统采用 +12 伏单电源供电,可为旋转变压器提供 6.4 Vrms(18 伏峰-峰)的电压。

R/D 电路输出到旋转变压器转子及旋转变压器定子到 R/D 电路 SIN/COS 输入之间设有三阶有源滤波器,尽量减少系统量化噪声的影响。在 10 位模式下,R/D 电路的最大跟踪速率为 3125 转/秒 (RPS),分辨率等于 21 弧分。在 16 位模式下,R/D 电路的最大跟踪速率为 156.25 RPS,分辨率为 19.8 弧秒。

信号链设计考虑因素

Analog Devices 的 AD2S1210WDSTZRL7 R/D 电路具有一个可编程的 10、12、14 或 16 位数模转换器 (DAC) 及一个 10、12、14 或 16 位模数转换器 (ADC),两个三阶低通滤波器和一个旋转变压器。第一个三阶滤波器位于 R/D 转换器到 R1 和 R2 旋转变压器转子端的传输通道上。第二个三阶低通滤波器收集 S1 和 S3 处的正弦旋转变压器定子信号,S2 和 S4 处的余弦信号。一般来说,系统需要足够的带宽、足够的输出驱动能力,以及用于在低功耗和高性能配置之间进行切换的选项。

在此电路中,R/D 电路的内部 DAC 生成 3.6 伏峰峰值的 10、12、14 或 16 位正弦激励信号,电压范围 3.2 至 4.0 伏。

在 AD2S1210 的输出端,有一个低通三阶滤波器,其包含一个 Analog Devices 的 AD8692ARMZ-REEL 轨至轨运算放大器和一个 Analog Devices 的 AD8397ARDZ-REEL7 轨至轨高输出电流放大器。

采用 +5 V 电源供电,双通道 AD8692 低噪声 CMOS 运算放大器的输出范围为 0.29 至 4.6 伏。该放大器周围的电阻器和电容器实现了三个巴特沃斯滤波器极点中的两个。AD8397 高输出电流放大器支持低功耗模式(相比具有可切换增益级和更高供电电压能力的高性能模式),并实现了低通滤波器的第三个极点。在 +6 伏电源供电的情况下,AD8397 的输出范围为 0.18 至 5.87 伏。供电电压为 +12 伏时,输出电压范围为 0.35 至 11.7 伏。

在定子的输出端,Analog Devices 的四通道 AD8694ARUZ-REEL 低噪声 CMOS 轨至轨运算放大器连接至旋转变压器的 SIN(S1 和 S3)和 COS(S2 和 S4)引脚。AD8694 与双通道 AD8692 属于同一系列,在 +5 电源下输出电压范围为 0.37 至 4.6 伏。对于旋转变压器的正弦和余弦信号,AD2S1210 R/D 转换器差分输入(SIN、SOLO、COS、COSLO)的峰峰信号范围典型值为 3.15 伏,范围为 2.3 至 4.0 伏。

理想情况下,在该系统中,总信号链相移范围等于 n × 180° − 44° ≤ φ ≤ n × 180° + 44°,其中 n 是整数。

R/D 电路细节

信号链设计考虑因素包括幅度和频率,以及稳定性和相移,而旋转变压器转子绕组阻抗模型包含阻性元件和电感元件。

AD2S1210 R/D 电路激励信号范围为 2 kHz 到 20 kHz,增量为 250 Hz。AD8397 施加到转子的激励信号与非理想的电感和电阻分量交互。典型的电阻和电抗分量为 50 欧姆 (Ω) 至 200 Ω,及 0 Ω 至 200 Ω。标准转子激励电压可高达 20 伏峰-峰 (7.1 Vrms),因此必须考虑旋转变压器驱动器的最大电流和最大功耗。为了适应这种接口,AD8397 采用高输出电流(采用 ±12 V 电源时,输入 32 Ω 负载的峰值电流为 310 mA)、宽电源范围 (24 V)、低热阻封装(8 引脚 SOIC EP 封装,θJA = 47.2°C/瓦 (W))和轨至轨输出电压。

旋转变压器激励三阶滤波器和驱动器电路

AD2S1210 内部 DAC 生成激励输出信号 (EXC),这会产生量化噪声和失真(图 4)。

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图 4:在 AD2S1210 EXC 激励输出引脚上测量的 10 kHz 输出信号。(图片来源:Analog Devices)

如果未经过滤,AD2S1210 EXC 引脚上的图 4 输出噪声将通过旋转变压器传播并反馈至 AD2S1210 SIN、SINLO、COS 和 COSLO 引脚。

此外,必须特别注意激励电路中的增益和信号电平,以使 AD8397 输出驱动器不会饱和。AD2S1210 输出信号的滤波器和功率放大级可满足旋转变压器电感输入级的严格要求(图 5)。

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图 5:R/D 电路 EXC 输出端子和 R1 输入端子之间的激励驱动器和滤波器电路。注意,此处的 EXE 等于图 2 中的 EXC。(图片来源:Analog Devices)

在图 4 中,AD8692 滤波器电路的直流增益为 -1 V/V。Analog Devices 的 ADG1612BRUZ-REEL 四通道 SPST 开关 S1 闭合,以创建具有高 VCC (≥ +12 V) 的高性能模式条件。在 S1 闭合的情况下,AD8397 激励级的增益约为 2.5 V/V。2.5 V/V 的增益可以由 4.0 伏峰-峰 EXE 输入产生 10 伏峰-峰输出。对于 S1 断开时的低功耗模式,增益等于 1.28 V/V。在这种配置中,4.0 伏峰-峰 EXE 输入产生 5.12 伏峰-峰输出。

AD8692 的配置是多反馈 (MFB) 三阶巴特沃斯低通滤波器。根据一般的经验,放大器增益带宽积 (GBWP) 至少为 -3 分贝 (dB) 有源滤波器截止频率的 20 倍。在图 5 中,截止频率为 88 kHz,而 AD8692 的 GBWP 为 10 MHz,是截止频率的 113 倍。通常,该电路的相移为 180° ± 15°。在图 4 的电路中,滤波器的 -3 dB 截止频率为 88 kHz;10 kHz 下的相移在为 -13°。

双通道 AD8692 运算放大器用作三阶有源巴特沃斯滤波器,可降低驱动信号噪声(图 6)。

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图 6:在 R/D 转换器输出信号通过激励驱动器和滤波器之后,信号上的噪声明显降低,即可用于 R1 处的旋转变压器输入。(图片来源:Analog Devices)

图 6 中的数据表明 AD2S1210 的内部 DAC 量化噪声明显降低。

与此类似,SIN(S1 和 S3)和 COS(S2 和 S4)接收器电路使用两个四通道 AD8694 运算放大器作为有源噪声滤波器。AD2S1210 EXC 引脚(CH1 黄色)到 SIN 输入引脚(CH2 蓝色)之间的总相移约为 40°,低于 44° 的最大设计值(图 7)。

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图 7:模拟驱动器和滤波器的信号进入旋转变压器输入、旋转变压器以及模拟滤波器而返回到 R/D 转换器,这会导致信号相移。示波器屏幕截图显示了 AD2S1210 EXC 和 SIN 引脚之间的相移。(图片来源:Analog Devices)

系统性能

本文的评估电路使用 Analog Devices EVAL-CN0276-SDPZ 电路板和 Analog Devices EVAL-SDP-CB1Z 系统平台控制器板(图 8)。

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图 8:对应于图 4、6、7、10 和 11 的测试设置功能示意图。(图片来源:Analog Devices)

在图 8 中,借助两个板之间的 120 针配接连接器,可以进行快速设置和电路性能评估。

EVAL-CN0276-SDPZ 包含完整的电路,而 EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B) 与 CN-0276 评估软件协同交换来自 EVAL-CN0276-SDPZ 的数据(图 9)。

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图 9:EVAL-CN0276-SDPZ 印刷电路板包含完整的 R/D 转换器电路。(图片来源:Analog Devices)

对于系统整体噪声测量,旋转变压器 Tamagawa TS2620N21E11 的固定位置可生成输出码直方图。AD2S1210 的 10 位和 16 位角度精度模式输出码直方图显示了发送 DAC 和接收 ADC 的组合(图 10 和图 11)。在本文中,TS2620N21E11 旋转变压器具有 0° 相移和 0.5 的变压比。旋转变压器的正弦 (SIN) 和余弦 (COS) 输出负载相等,至少为旋转变压器输出阻抗的 20 倍。

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图 10:10 位角度精度模式 EXE 发送,16 位 ADC 分辨率 SIN/COS 接收。(图片来源:Analog Devices)

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图 11:16 位角度精度模式 EXC 发送,16 位 ADC 分辨率 SIN/COS 接收。(图片来源:Analog Devices)

在图 10 和图 11 中,VCC 等于 12 伏,这使得 R/D 转换器的全部 16 位均处于高性能模式。

总结

旋转变压器与 R/D 转换器(如 Analog Devices 的 AD2S1210)组合使用可创建高精度、稳健的位置和速度控制系统,适合潜在恶劣环境中的电机控制应用。

为了获得最佳的整体性能,需要结合使用 AD8694 与 AD8397 来创建缓冲器/滤波器电路,以放大激励信号并为旋转变压器提供适当的驱动,同时过滤并反馈次级信号。借助 AD2S1210 的可变分辨率、基准电压生成和片上诊断功能,R/D 转换器可为旋转变压器应用提供理想的解决方案。

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