作者：Nandin Xu
简介
由于旋转变压器能够在苛刻和恶劣的环境中长期坚持超卓的可靠性和高精度功用，因而被广泛用在EV、HEV、EPS、变频器、伺服、铁路、高铁、航空航天，以及其他需求获取方位和速度信息的运用。
在上面的体系中，许多旋转变压器转化芯片（RDC），例如ADI公司的AD2S1210和AD2S1205用来获取数字方位和速度数据。客户的体系会呈现搅扰和毛病问题，许多时分，他们都想评价视点和速度在受搅扰条件下的精度功用，找出和验证引发问题的根本原因，然后修正和优化体系。带毛病注入功用的高精度旋转变压器仿真体系（模仿衔接到以恒速运转或方位固定的实在电机的旋转变压器）能够处理搅扰和毛病问题，而无需树立杂乱的电机操控体系。
本文将首要剖析旋转变压器仿真体系中的差错奉献，并给出一些差错核算示例，协助您了解为何高精度关于旋转变压器仿真器如此重要。然后展现现场运用搅扰条件下的毛病示例。接下来，介绍怎么运用最新的高精度产品，构建具有毛病仿真和注入功用的高精度旋转变压器仿真器。最终，将展现旋转变压器仿真器能完结的功用。
旋转变压器仿真体系中的差错奉献
首要，本节将介绍抱负的旋转变压器结构。然后，将给出五个常见的非抱负特性和差错剖析办法，协助您了解为什么旋转变压器仿真器体系需求高精度。
如图1所示，旋转变压器仿真器将模仿衔接到以恒速运转或方位固定的实在电机的旋转变压器。经典款或可变磁阻旋转变压器包括转子和定子。能够将旋转变压器视为一种特别的变压器。在初级侧，如方程式1所示，EXC表明正弦鼓励输入信号。在次级侧，如方程式2和方程式3所示，SIN和COS表明两个输出端的调制的正余弦信号。
其间：
θ是轴角，ω是鼓励信号频率，A0是鼓励信号崎岖，T是旋转变压器变比。
调制的SIN/COS信号如图2所示。关于不同象限中的安稳角θ，SIN/COS信号会呈现同相和反相状况。关于恒速，SIN/COS包络的频率是安稳的，指示速度信息。
图1.旋转变压器结构
图2.旋转变压器电气信号
关于ADI的一切RDC产品，解调信号如方程式4表明。当φ（输出数字视点）等于旋转变压器的视点θ（转子的方位）时，Type II盯梢环路完结。在实在旋转变压器体系中，崎岖失配、相移、不彻底正交、谐波鼓励和感应谐波这五种非抱负状况都有或许发生，导致呈现差错。
崎岖失配
崎岖失配是SIN和COS信号到达峰值崎岖（COS为0°和180°，SIN为90°和270°）时，它们的峰峰值崎岖之差。旋转变压器绕组的差异或许SIN/COS信号的不平衡增益操控都或许导致失配。为了确认崎岖失配引起的方位差错，能够将方程式3更改为方程式5。
其间a表明SIN和COS信号之间的失配量，解调之后余下的包络信号则能够如方程式6所示轻松显现。经过将方程式6设置为等于0来促进Type II盯梢环路中的包络信号归0时，能够发现方位差错ε = θ – φ。然后咱们能够得到差错信息，如方程式7所示。
在实在状况中，假如a很小，方位差错也很小，意味着sin（ε） ≈ ε，θ + φ ≈ 2θ。所以，方程式7变成方程式8，差错项用弧度表明。
如方程式8所示，差错项按两倍滚动速度崎岖，最大差错a/2在45°的奇整数倍时到达。假定崎岖失配为0.3%，代入方程式8中的变量，并运用45°的奇整数倍，最大差错将在方程式9中表明，其间m是一个奇整数。
当RDC形式为12位时，能够经过方程式10将按弧度核算的差错转化为LSB，约为1LSB。
相移
相移包括差模相移和共模相移。差模相移是旋转变压器的SIN和COS信号之间的相移。共模相移是鼓励参阅信号与SIN和COS信号之间的相移。为了确认差模相移引起的方位差错，能够将方程式3更改为方程式11。
其间a表明差模相移，当正交项cos（wt）（sin（a）sin（θ）cos（φ））被疏忽时，解调之后余下的包络信号能够运用方程式12表明。在实在状况下，当a很小时，cos（a） ≈ 1 – a2/2。经过将方程式10设置为等于0来促进Type II盯梢环路中的包络信号归0时，能够发现由此导致的方位差错ε = θ – φ。然后咱们能够取得差错信息，如方程式13所示。
θ ≈ φ时，在θ ≈ 45°时，sin（θ）cos（φ）的最大值为0.5。所以，方程式13变成方程式14，差错项用弧度表明。
假定差模相移为4.44°，当RDC形式为12位时，能够运用方程式15转化为LSB的差错值约为1 LSB。
当共模相移为β时，能够将方程式2和3别离改写为方程式16和17。
相同，差错项能够用方程式18表明。
在静态作业条件下，共模相移不会影响转化器的精度，但由于转子阻抗和方针信号的无功重量，运动中的旋转变压器会发生速度电压。速度电压坐落方针信号象限内，它仅在运动时发生，在静态视点下并不存在。当共模相移为β时，盯梢差错简直能够用方程式19表明，其间ωM是电机速度，ωE是鼓励速度。
如方程式19所示，差错与旋转变压器的速度和相移成正比。因而，一般来说，运用高旋转变压器鼓励频率大有裨益。
不彻底正交
不彻底正交表明在这种状况下SIN/COS所指的两个旋转变压器信号并不是准确的90°正交。当两个旋转变压器相位并不是以彻底空间正交的方法加工或安装时，就会发生这种状况。当β表明不彻底正交的量时，能够将方程式2和3别离改写为方程式20和21。
和之前相同，解调之后余下的包络信号能够如方程式22所示轻松显现。当您将方程式22的值设置为0，假定β很小，cos（β） ≈ 1，sin（β） ≈ β时，能够发现有此导致的方位差错ε = θ – φ。然后咱们能够接纳差错信息，如方程式23所示。
如方程式23所示，当β/2的最大差错到达45°的奇整数倍时，差错项按两倍滚动速度崎岖。与崎岖失配引起的差错比较，在本例中，平均差错为非零，峰值差错等于正交差错。在崎岖失配示例中，当β = 0.0003，弧度= 0.172°时，在12位形式下或许发生约1 LBS差错。
谐波鼓励
在前面的剖析中，假定鼓励信号是一个抱负的正弦信号，不包括附加谐波。在实践体系中，鼓励信号的确含有谐波。因而，方程式2和方程式3能够改写为方程式24和方程式25。
解调之后余下的包络信号能够如方程式26所示轻松显现。在Type II盯梢环路中促进此信号归零。
将方程式26设置为0，能够发现由此导致的方位差错ε = θ – φ。然后咱们能够取得差错信息，如方程式27所示。
假如旋转变压器鼓励具有相同的谐波，则方程式27的分子为零，不发生方位差错。这意味着即便值十分大时，共鼓励谐波对RDC的影响也能够疏忽不计。可是，假如SIN或COS中的谐波含量不同，所发生的方位差错与方程式8所示的崎岖失配具有相同的函数形状。这会严峻影响方位精度。
感应谐波
实践上，不或许树立一个电感曲线是方位的完美正弦和余弦函数的旋转变压器。正常状况下，电感中包括谐波，VR旋转变压器包括直流重量。因而，方程式2和方程式3能够别离改写为方程式28和方程式29，其间K0表明直流重量。
解调之后余下的包络信号能够如方程式30所示。
在Type II盯梢环路中，促进此信号归零，在谐波崎岖较小，n 》 1且Kn 《《 1时，可利用方程式31核算差错信息ε = θ – φ。
依据这个方程式，比较谐波效应，差错对直流项更为灵敏，它与感应谐波崎岖成正比。与此一起，第n个电感谐波决议了方位差错的第（n – 1）个谐波的崎岖。
旋转变压器仿真器体系中的差错奉献总结
除了上述差错源外，耦合到SIN和COS线的搅扰、扩大器的失调差错、偏置差错等也会导致发生体系差错。旋转变压器仿真器体系的差错源和奉献总结如表1所示，其间包括12位形式1 LSB这个最差的示例。也能够参阅该表，核算另一种RDC分辨率形式的值。
表1.旋转变压器仿真器体系中的差错源和奉献总结
RDC体系中的毛病类型
在实在的RDC体系中，会呈现很多毛病状况。以下章节将显现现场测验期间呈现的不同毛病类型和一些毛病信号，以及怎么运用第三节介绍的旋转变压器仿真器处理方案来模仿毛病类型。除上述毛病类型外，还或许存在随机搅扰，导致呈现另一毛病，或许一起发生一些其他毛病。
错接毛病
错接是指经过不正确的衔接将旋转变压器鼓励和SIN/COS对衔接到RDC SIN/COS输入和鼓励输出引脚。错接发生时，RDC也能够解码视点和速度信息，可是视点输出数据会显现跳变，就像DAC输出中的偏置差错。请参阅图3，检查错接事例和成果数据。其间，榜首列显现EXC/SIN/COS引脚和输出视点，其他列显现错接状况。
图3.旋转变压器错接和视点输出
相移毛病
从差错奉献章节，咱们了解了相移包括差模相移和共模相移。鉴于差模相位能够被视为共模相移的差，所以，在本节中，相移毛病是指由共模相移引起的毛病。
请参阅图4，检查共模相移差错奉献。相位1表明鼓励滤波器推迟。相位2表明旋转变压器相移。相位3表明线路推迟。相位4表明SIN/COS滤波器推迟。在现场RDC体系中，当相移差错发生时，意味着相位1、相位2、相位3和相位4的总值大于44°。正常状况下，旋转变压器相移差错为10°。非正常状况下，总相位差错能够到达30°。出于量产考虑，需求留下满意的相位裕度。
当SIN/COS的相移不一起，会引起相移失配毛病。假如发生这种状况，视点和速度精度将会遭到影响。
图4.相移差错奉献
断开毛病
当旋转变压器的任何线路与RDC渠道接口断开衔接时，就会发生断开毛病。跟着产品的安全水平不断提高，线路断开检测再三遭到客户重视。咱们能够模仿这个毛病，将SIN/COS设置为零电压。发生衔接断开的状况时，能够在AD2S1210中触发LOS/DOS/LOT毛病。
崎岖失配/超限毛病
当电路增益操控或SIN/COS的旋转变压器比值不一起，会发生崎岖失配，这也意味着SIN/COS包络的崎岖值不同。当崎岖挨近AVDD时，会触发崎岖超限毛病。关于AD2S1210，这被称为削波毛病。请参阅图5，检查不错的SIN/COS信号示例。
图5.抱负的SIN/COS信号
IGBT搅扰毛病
图6.SIN/COS耦合IGBT搅扰
IGBT搅扰是指搅扰信号与IGBT开关的开/关效应相耦合。当信号与SIN/COS线耦合时，方位和速度功用会受影响，视点值会发生跳变，速度方向或许改变。图6所示为一个现场示例，其间通道1是SIN信号，通道2是COS信号，毛刺表明搅扰与IGBT开关耦合。
超速毛病
当电视点的速度高于旋转变压器解码体系的速度时，就会发生超速毛病。例如，在12位形式下，AD2S1210所能支撑的最大速度为1250 SPS，当旋转变压器电视点的速度为1300 SPS时，就会触发超速毛病。
旋转变压器仿真器体系架构和描绘
从榜首节，咱们知道崎岖和相位差错会直接决议解码视点和速度功用。走运的是，ADI供给巨大的精细产品组合，您能够从中挑选适宜的产品来构建旋转变压器仿真器体系。下面的描绘将展现怎么构建高精度的旋转变压器仿真器，并评论应挑选哪些器材。
关于图7所示的仿真器框图，有7个模块需求留意：
1. 用于数据剖析和操控的进程操控渠道。
2. 同步时钟生成模块，为子体系生成同步时钟。
3. 毛病信号生成模块，生成不同的毛病信号。
4. SIN/COS生成模块，生成经过调制的SIN/COS信号作为旋转变压器输出。
5. 信号收集模块，作为鼓励和反应信号收集模块。
6. SIN/COS输出模块，处理包括缓冲区、增益和滤波器的SIN/COS输出。
7. 鼓励信号输入模块，自带缓冲和滤波电路。
8. 电源模块，为ADC、DAC、开关、扩大器等元器材供给电源。
旋转变压器仿真器体系作业时，让信号收集模块从输入模块收集鼓励信号样本，然后由处理器剖析其频率和崎岖。处理器运用CORDIC算法核算SIN/COS DAC输出数据代码，然后经过SIN/COS模块生成与鼓励输入相同频率的正弦信号。体系将一起收集鼓励和SIN/COS信号，核算并调整SIN/COS相位/崎岖，补偿鼓励和SIN/COS之间的相位差错，使其等于零，然后将SIN/COS崎岖校准到相同水平。最终，体系将生成经过调制的SIN/COS信号和毛病信号，以模仿视点功用、速度和毛病状况。
图7.旋转变压器仿真器框图
图8中所示的信号链显现了一个双16位sim SAR ADC AD7380，用于在OSR使能，SNR能够到达98 dB时收集鼓励和反应信号。它十分合适一起进行高精度的相位和崎岖校准数据收集。超低功耗、低失真的ADA4940-2被作为ADC驱动器。选用高精度、低噪声的20位DAC AD5791来生成SIN/COS信号和毛病信号，从下降分辨率和本钱方面考虑，能够运用AD5541A或AD5781来替代AD5791。高精度、可选增益差分扩大器AD8475被用作输入/输出缓冲器。具有超低失调漂移和电压噪声扩大功用的高精度轨对轨运算扩大器AD8676和AD8599用于构建有源滤波器和加法电路。最大电阻0.8 Ω的单电源轨对轨双SPDTADG854用于开关和挑选SIN/COS信号，然后发送至数据收集模块。
图8.旋转变压器仿真器信号链
整个旋转变压器仿真器体系经过外部的12 V适配器供电，该适配器运用直流-直流转化器和LDO稳压器，供给不同的电压电平。参阅图9，检查具体的电源信号链。运用ADP5071能够发生正负16 V电压，但运用ADP7118和ADP7182能够生成更明晰、更安稳的正负15 V电压。这些电源首要用于为DAC相关电路供电。相同，能够运用ADP2300、ADP7118、ADM660和AD7182生成明晰安稳的+3.3 V、+5 V、-5 V和-2 V电源。这些电源首要用于为ADC相关电路供电，且满意具体的规划要求。
图9.电源信号链
旋转变压器仿真器渠道测验和成果
参阅图10，检查完好的体系渠道测验。它包括一个旋转变压器仿真器板、一个AD2S1210评价板和一个GUI。请参见图11，检查GUI和渠道测验图。AD2S1210 GUI用于直接评价旋转变压器仿真器的功用，尤其是视点和速度功用。经过旋转变压器仿真器GUI，能够装备速度、视点功用和毛病信号。
图10.试验测验框图
图11.试验测验和GUI
图12.视点/速度INL
参阅图12，检查已禁用迟滞形式的16位AD2S1210的视点和速度功用INL。
请参阅表2，检查与规范旋转变压器仿真器器材比较，此处理方案的功用数据。运用AD5791得出的理论视点精度为0.0004°，在实践基准测验中，视点精度为0.006°，最大速度输出为3000 rps，速度精度为0.004 rps，很简单满意AD2S1210在10为至约16位形式下的要求。
参阅表3，检查此仿真器支撑的毛病形式。关于与相位相关的毛病，0°至大约360°的规模能够支撑SIN/COS信号。关于与崎岖相关的毛病，0 V到大约5 V的规模能够支撑SIN/COS信号。此处理方案还能够用于模仿超速、IGBT、衔接断开等毛病。
图13.IGBT搅扰示例
参阅图13，检查关于IGBT毛病的测验示例。将仿真器输出装备为45°，然后在SIN/COS输出中增加周期性搅扰信号。从AD2S1210评价板GUI显现的视点和速度功用能够看出，视点功用在45°左右动摇，而速度则在0 rps左右动摇。
定论
大多数RDC相关运用中都存在搅扰，搅扰严峻时会触发多种类型的毛病。当您构建自己的旋转变压器仿真器时，请遵从此处理方案，由于它不仅能够协助您评价搅扰条件下的体系功用，还能够像规范仿真器相同校准和验证您的产品。具体的差错剖析能够协助您了解为什么需求准确的模仿SIN/COS信号；能够模仿本文评论的一切毛病类型，以协助进行一些功用安全验证。
参阅
Boyes， Geoffrey。“自整角机和旋转变压器转化。”ADI公司，1980年。
Hanselman， Duane C。“用于高精度旋转变压器数字转化的旋转变压器信号要求。”IEEE Trans.Ind.Electron.，第37卷第6期，1990年12月。
Lynch， Michael。“高精细电压源。”ADI公司，2017年10月。
O’Meara， Shane。AD7380评价套件。ADI公司，2019年。
Symczak、Jakub、Shane O’Meara、Johnny Gealon和Christopher Nelson De La Rama “精细旋变数字转化器丈量角方位和速度。”ADI公司，2014年3月。
称谢
十分感谢ADI实习生Edward Luo、运用工程师Shane O ‘Meara、Steven Xie、Karl Wei和Michael Lynch对本文的规划和测验作业提出的建议和支撑。
作者简介
Nandin Xu是ADI上海公司的一名运用工程师。他担任中国市场RDC、阻隔调节器和精细DAC产品的技能支撑作业。他结业于武汉华中科技大学，并取得操控科学与操控技能硕士学位，于2013年参加ADI公司。业余时间他热爱篮球和足球。
