《電子技術(shù)應(yīng)用》
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工業(yè)旋轉(zhuǎn)變壓器傳感應(yīng)用的電氣設(shè)計(jì)要素

2016-09-06
作者:Ankur Verma,,德州儀器應(yīng)用工程師;Brian Rodriguez,,德州儀器產(chǎn)品市場(chǎng)工程師

  旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器可應(yīng)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(zhuǎn)變壓器是機(jī)械或模擬傳感器,,可用來確定電機(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、電動(dòng)滑板車,、電動(dòng)輪椅等)

  ·鐵路運(yùn)輸

  ·農(nóng)業(yè)和建筑設(shè)備

  ·公共汽車和重型卡車

  ·高爾夫球車和低速電動(dòng)車

  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),,通過將輸出分割成塊或步驟的程度來限制解析度。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],。

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  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避免干擾

  d.使用雙鎧裝來降低輻射干擾

  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)的定義見表2,。

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

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  表2:IEC61800-3通過性能標(biāo)準(zhǔn)

  EMI結(jié)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(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:

  (1)

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  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,。

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  圖 2:10MHz方波頻譜

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  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,。可以在信號(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,。

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  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),,可以通過全面的設(shè)計(jì)考量和仔細(xì)的電子元件選擇來解決。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。

  參考文獻(xiàn)

  1.Verma, Ankur; Chellamuthu, Anand.“用于電動(dòng)車輛的旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)考慮,”TI模擬應(yīng)用期刊,, 1Q 2016

  2.Irfan Ahmed, “使用TMS320系列數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的PID和直進(jìn)式控制器的實(shí)現(xiàn) (SPRA083),,”TI應(yīng)用報(bào)告,1997

  3.Martin Staebler, “為電機(jī)位置編碼器設(shè)計(jì)一個(gè)符合電磁兼容性(EMC)的接口 – 第1部分,”TI電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制博客,2015年8月31日

  4.R Mancini, “TI運(yùn)放基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)指南,,”ISBN:978-0-7506-7701-1.Elsevier 2003

  補(bǔ)充閱讀

  ·Verma, Ankur; Panacek, J..“PGA411-Q1 PCB設(shè)計(jì)指南,,”TI應(yīng)用報(bào)告 (SLAA697), 2016年3月

  ·Verma, Ankur; Xu, F. “PGA411-Q1故障排除指南,”TI應(yīng)用報(bào)告(SLAA687), 2016年2月

  ·A. Verma, F. Xu, J.Panacek.“PGA411-Q1任意主機(jī)系統(tǒng)的逐步初始化,,(SLAA688)” Mar’16, TI應(yīng)用報(bào)告,,2016年3月

  ·下載PGA411-Q1數(shù)據(jù)表


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