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]。
圖 1：RDC階躍響應穩定時間
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。
表1：IEC61800-3規定的變速驅動器的EMC規范
表2：IEC61800-3通過性能標準
EMI結果來自哪里？
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。電子信號的EDGE率可以產生諧波和互調失真。例如，一邊10ns的EDGE率和另一邊1ns的EDGE率導致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作為一個計算特定Edge Rate下的諧波頻率范圍的一般公式：
(1)
根據該公式，10nsEdge Rate對應的諧波頻率大約為31.8MHz。圖3顯示：最后一個重要的諧波頻率為30MHZ。同時，1ns的Edge Rate對應的諧波頻率318MHZ（圖2）。如果頻率范圍擴展到300MHZ以外，顯示的諧波仍很明顯，但卻在相關頻率上迅速變小。
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旋轉變壓器系統精度的整體影響：
1.使用差分信號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生誤差之前傳入地下
3.在RDC結構中使用的模擬前端（AFE）可以過濾掉共模噪音
4.爭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天線角色的環路
屏蔽和過濾
所有導電的部件，如電纜、地、金屬外殼等，可以傳播輻射。電纜的轉移阻抗必須在頻率達到100MHz的范圍內低于100 mΩ/m。最高的屏蔽效果可以使用金屬導管或波紋鋁屏蔽層實現。電纜路徑越長，要求的轉移阻抗越低。可以在信號電纜中使用共模電感器，以在一個特定功率上抑制共模干擾。一個理想的共模電感器不會一直差模信號。Faraday Cage（法拉第籠）技術是另一個常用的控制輻射干擾的方法。
圖 4：抑制共模噪音的扼流實例
結論
工業電機位置傳感應用中的獨特高精度與噪音挑戰，可以通過全面的設計考量和仔細的電子元件選擇來解決。設計旋轉變壓器時，設計師應考慮系統穩定時間的規范、有關EMI/EMC的芯片性能以及這些因素如何影響整體的系統精度。
參考文獻
1.Verma, Ankur; Chellamuthu, Anand.“用于電動車輛的旋轉變壓器轉數字轉換器設計考慮,”TI模擬應用期刊， 1Q 2016
2.Irfan Ahmed, “使用TMS320系列數字信號處理器（DSP）的PID和直進式控制器的實現 (SPRA083)，”TI應用報告，1997
3.Martin Staebler, “為電機位置編碼器設計一個符合電磁兼容性（EMC）的接口 – 第1部分,”TI電機驅動與控制博客，2015年8月31日
4.R Mancini, “TI運放基礎與設計指南，”ISBN:978-0-7506-7701-1.Elsevier 2003
補充閱讀
·Verma, Ankur; Panacek, J..“PGA411-Q1 PCB設計指南，”TI應用報告 (SLAA697), 2016年3月
·Verma, Ankur; Xu, F. “PGA411-Q1故障排除指南，”TI應用報告(SLAA687), 2016年2月
·A. Verma, F. Xu, J.Panacek.“PGA411-Q1任意主機系統的逐步初始化，(SLAA688)” Mar’16, TI應用報告，2016年3月
·下載PGA411-Q1數據表