具有故障注入功能的高精度旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器系統(tǒng)

考慮到旋轉(zhuǎn)變壓器在惡劣和惡劣的環(huán)境中長期具有出色的可靠性和高精度性能，它們廣泛用于EV、HEV、EPS、逆變器、伺服、鐵路、高速列車、航空航天和其他需要位置和速度信息的應(yīng)用。

許多旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC），如ADI公司的AD2S1210和AD2S1205，在以前的系統(tǒng)中用于解碼旋變器的信號，以獲得數(shù)字位置和速度數(shù)據(jù)。 干擾和故障問題往往發(fā)生在客戶的系統(tǒng)中，大多數(shù)時候他們希望評估干擾條件下角度和速度的精度性能，找到并驗(yàn)證根本原因，然后修復(fù)和優(yōu)化系統(tǒng)。具有故障注入功能的高精度旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器（模擬以恒定速度或位置連接到真實(shí)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器）可以解決干擾和故障痛點(diǎn)，而無需建立復(fù)雜的電機(jī)控制系統(tǒng)。

本文將分析旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器系統(tǒng)中的誤差貢獻(xiàn)，并提供一些誤差計算示例，以幫助理解為什么高精度在旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器中如此重要。然后，它將顯示現(xiàn)場應(yīng)用中干擾條件下的故障情況。接下來將介紹如何使用最新的高精度產(chǎn)品構(gòu)建具有故障模擬和注入功能的高精度旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器。最后，它將展示旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器的一些功能。

旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器系統(tǒng)中的錯誤貢獻(xiàn)

首先，本節(jié)將介紹理想的旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)。然后，將給出五種常見的非理想特性和誤差分析方法，以幫助您理解為什么旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器系統(tǒng)中需要高精度。

圖1.旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)。

旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器將模擬旋轉(zhuǎn)變壓器，如圖 1 所示，以恒定速度或位置連接到真實(shí)電機(jī)。對于經(jīng)典或可變磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器，包括轉(zhuǎn)子和定子。旋轉(zhuǎn)變壓器可以被認(rèn)為是一種特殊的變壓器。在初級側(cè)，如公式1所示，EXC是激勵正弦輸入信號。在副邊，如公式2和公式3所示，SIN和COS是兩個輸出端的調(diào)制正弦信號。

哪里：

θ為軸角，ω為激勵信號頻率，A0是激勵信號幅值，T是旋變變換比。

調(diào)制的SIN/COS信號如圖2所示。對于不同象限中的恒定角θ，SIN/COS信號將具有同相和反相情況。對于恒定速度，SIN/COS包絡(luò)的頻率是恒定的，表示速度信息。

圖2.旋轉(zhuǎn)變壓器電信號。

對于ADI公司的所有RDC產(chǎn)品，解調(diào)信號用公式4表示。當(dāng)φ（輸出數(shù)字角度）等于旋轉(zhuǎn)變壓器角度θ（轉(zhuǎn)子位置）時，將完成II型跟蹤環(huán)路。在具有幅度失配、相移、不完美正交、激勵諧波和電感諧波的實(shí)際旋變器系統(tǒng)中，這五種非理想條件中的任何一種都可能發(fā)生并產(chǎn)生誤差。

幅度失配

幅度失配是SIN和COS信號處于峰值幅度時的峰峰值幅度之差，COS為0°和180°，SIN為90°和270°。失配可能由旋變繞組的變化或SIN/COS輸入的不平衡增益控制引起。為了確定幅度失配引起的位置誤差，可以將公式3改寫為公式5。

其中a表示SIN和COS信號之間的失配量，解調(diào)后的剩余包絡(luò)信號可以很容易地顯示出來，如公式6所示。在II型跟蹤環(huán)路中將包絡(luò)信號驅(qū)動至零時，通過將公式6設(shè)置為等于零，可以找到位置誤差ε = θ – φ。然后我們可以接收誤差信息，如公式7所示。

對于a很小的實(shí)際情況，位置誤差也很小，這意味著sin（ε）≈ ε和θ+φ ≈2θ。因此，等式7變?yōu)榈仁?，誤差項以弧度表示。

如公式8所示，誤差項以兩倍的旋轉(zhuǎn)速率振蕩，而最大誤差為a/2，為45°的奇整數(shù)倍。假設(shè)幅度失配為0.3%，代入公式8中的變量，并使用45°的奇整數(shù)倍，最大誤差將在公式9中表示，其中m是奇數(shù)。

當(dāng)RDC模式為12位或約1 LSB時，誤差以弧度計算，可通過公式10轉(zhuǎn)換為LSB。

相移

相移是指差分相移和共相移。差分相移是旋變器SIN和COS信號之間的相移。共相移是激勵參考信號與SIN和COS信號之間的相移。為了確定差分相移產(chǎn)生的位置誤差，可以將公式3改寫為公式11。

其中a表示差分相移，解調(diào)后剩余的包絡(luò)信號可以表示為公式12，當(dāng)正交項cos（wt）（sin（a）sin（θ）cos（φ））被忽略時。對于 a 很小的實(shí)際情況，cos（a） ≈ 1 – a 2/2.在II型跟蹤環(huán)路中將該信號驅(qū)動至零時，將公式10設(shè)置為零，可以找到位置誤差ε = θ – φ產(chǎn)生。然后我們可以得到誤差信息，如公式13所示。

對于 θ ≈ φ，sin（θ）cos（φ），在 θ ≈ 45° 處最大為 0.5。因此，等式13變?yōu)榈仁?4，誤差項以弧度表示。

假設(shè)差分相移為4.44°，當(dāng)RDC模式為12位時，可以使用公式15將其轉(zhuǎn)換為LSB的誤差約為1 LSB。

當(dāng)共相移β時，公式2和公式3可以分別改寫為公式16和公式17。

類似地，誤差項可以用公式18表示。

在靜態(tài)工作條件下，共相移不會影響轉(zhuǎn)換器的精度，但由于轉(zhuǎn)子阻抗的電抗分量和目標(biāo)信號，高速旋轉(zhuǎn)變壓器將產(chǎn)生速度電壓。速度電壓僅在速度下發(fā)生，而不是在靜態(tài)角度下發(fā)生，與目標(biāo)信號正交。當(dāng)共相移β時，跟蹤誤差可以近似為公式19，其中ωM是電機(jī)轉(zhuǎn)速和ωE是激勵速度。

如公式19所示，誤差與旋變器速度和相移成正比。因此，一般來說，使用高旋轉(zhuǎn)變壓器激勵頻率是有益的。

不完美正交

不完全正交表示SIN/COS在這種情況下所指的兩個旋轉(zhuǎn)變壓器信號不完全是90°正交。當(dāng)兩個旋轉(zhuǎn)變壓器相位未以完美的空間正交加工或組裝時，就會發(fā)生這種情況。當(dāng)β表示不完全正交的量時，等式2和等式3可以改寫為等式20和等式21。

和以前一樣，解調(diào)后剩余的包絡(luò)信號可以很容易地表示為公式22。當(dāng)您將等式 22 設(shè)置為零時，假設(shè)β很小，cos（β） ≈ 1 且 sin（β） ≈ β，則可以找到ε = θ – φ導(dǎo)致的位置誤差。然后我們可以接收誤差信息，如公式23所示。

如公式23所示，誤差項以兩倍的旋轉(zhuǎn)速率振蕩，而在45°的奇整數(shù)倍處達(dá)到β/2的最大誤差。與幅度失配引起的誤差相比，在這種情況下，平均誤差不為零，峰值誤差等于正交誤差。從幅度失配示例中，當(dāng)β = 0.0003弧度= 0.172°時，這在12位模式下可能導(dǎo)致約1 LBS誤差。

勵磁諧波

在前面的所有分析中，假設(shè)激勵信號是理想的正弦波，不包含額外的諧波。在實(shí)際系統(tǒng)中，激勵信號確實(shí)包含諧波。因此，等式2和等式3可以改寫為等式24和等式25。

解調(diào)后剩余的包絡(luò)信號可以很容易地顯示出來，如公式26所示。在II型跟蹤環(huán)路中將該信號驅(qū)動至零。

將公式 26 設(shè)置為零，可以找到位置誤差 ε = θ – φ結(jié)果。然后我們可以得到誤差信息，如公式27所示。

如果旋變器激勵具有相同的諧波，則公式27的分子為零，不會產(chǎn)生位置誤差。這意味著即使在非常大的值下，公共激勵諧波對RDC的影響也可以忽略不計。但是，如果SIN或COS中的諧波成分不同，則產(chǎn)生的位置誤差與公式8所示的幅度失配具有相同的功能形狀。這將極大地影響位置的準(zhǔn)確性。

電感諧波

在現(xiàn)實(shí)世界中，不可能構(gòu)建具有完美正弦和余弦位置函數(shù)的電感曲線的旋轉(zhuǎn)變壓器。通常，電感將包含諧波，而VR旋轉(zhuǎn)變壓器將包含直流元件。因此，等式2和等式3可以分別改寫為等式28和等式29，其中K0指示直流分量。

解調(diào)后的剩余包絡(luò)信號如圖30所示。

在II型跟蹤環(huán)路中將該信號驅(qū)動至零，當(dāng)諧波幅度較小時，Kn對于n>1<<1，誤差信息ε = θ – φ可以從公式31推導(dǎo)出來。

根據(jù)表達(dá)式，誤差對直流項比諧波效應(yīng)更敏感，它與感性諧波幅值成正比。與此同時，n千電感諧波決定 （n – 1） 的幅度千位置誤差的諧波。

旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器系統(tǒng)中的誤差貢獻(xiàn)摘要

除上述誤差源外，耦合到SIN和COS線路的干擾、放大器失調(diào)誤差、偏置誤差等也可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。表1顯示了旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器系統(tǒng)中的錯誤源和貢獻(xiàn)摘要，包括1 LSB的12位模式的最差示例。另一種RDC分辨率模式可以通過參考表來計算。

	β = 共相移 ωM= 電機(jī)速度， ωE= 勵磁速度
不完美正交		β = 與完美正交的角度偏差	0.172° 不完美正交貢獻(xiàn) 1 LSB
勵磁諧波

RDC 系統(tǒng)中的故障類型

在實(shí)際的RDC系統(tǒng)中，可能會出現(xiàn)很多故障情況。以下各節(jié)將展示現(xiàn)場測試中的不同故障類型和一些故障信號，以及在使用第三部分中描述的旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器解決方案時如何模擬故障類型。除了提到的故障類型外，可能存在隨機(jī)干擾導(dǎo)致另一個故障，或者某些故障可能同時發(fā)生。

接線錯誤故障

連接錯誤是指通過不正確的連接將旋轉(zhuǎn)變壓器激勵和SIN/COS對連接到RDC SIN/COS輸入和激勵輸出引腳。當(dāng)發(fā)生錯誤連接時，RDC也可以解碼角和速度信息，但角度輸出數(shù)據(jù)將顯示一些跳躍，例如DAC輸出中的失調(diào)誤差。錯誤連接的情況和結(jié)果數(shù)據(jù)如圖3所示。其中第一列顯示EXC/SIN/COS引腳和輸出角度，其余列顯示連接錯誤情況。

圖3.旋轉(zhuǎn)變壓器連接錯誤和角度輸出。

相移故障

從誤差貢獻(xiàn)部分，我們知道相移包含差分相移和公共相移。考慮到差分相位可以認(rèn)為是共相移的差值，在本節(jié)中，相移故障是指由共相移引起的故障。

常見的相移誤差貢獻(xiàn)如圖4所示。相位1是激勵濾波器延遲。第 2 階段是旋轉(zhuǎn)變壓器相移。階段 3 是線路延遲。相位4是SIN/COS濾波器延遲。在現(xiàn)場RDC系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生相移誤差時，意味著相位1、2、3和4的總值大于44°。通常，旋變器相移誤差為10°。在不良情況下，總相位值可以達(dá)到30°。出于MP考慮，需要留出足夠的相位裕量。

當(dāng)SIN/COS的相移不同時，可能會導(dǎo)致相移失配故障。如果發(fā)生這種情況，角度和速度精度將受到影響。

圖4.相移誤差貢獻(xiàn)。

斷線故障

當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器的任何線路與 RDC 平臺接口斷開連接時，會發(fā)生斷開連接故障。隨著產(chǎn)品安全升級，線路斷開檢測總是被客戶提及?？梢阅M此故障以將SIN/COS設(shè)置為零電壓。當(dāng)斷開連接時，AD2S1210中可以觸發(fā)LOS/DOS/LOT故障。

幅度失配/超過故障

當(dāng)SIN/COS的電路增益控制或旋變比不同時，就會發(fā)生幅度失配，這也意味著SIN/COS包絡(luò)的幅度值不同。當(dāng)幅度接近AVDD時，將觸發(fā)幅度超過故障。對于AD2S1210，這稱為削波故障。一個良好的SIN/COS信號示例如圖5所示。

圖5.理想的 SIN/COS 信號。

IGBT干擾故障

圖6.SIN/COS耦合IGBT干擾。

IGBT干擾意味著干擾信號與IGBT的開/關(guān)效應(yīng)耦合。當(dāng)信號與SIN/COS線耦合時，位置和速度性能會受到影響，角度值會有跳躍，速度的方向可能會改變。該場的示例如圖6所示，其中通道1是SIN信號，通道2是COS信號，雜散表示與IGBT導(dǎo)通/關(guān)耦合的干擾。

速度超過故障

當(dāng)電速度高于旋轉(zhuǎn)變壓器解碼系統(tǒng)時，會發(fā)生速度超過故障。例如，在12位模式下，AD2S1210可以支持的最大速度為1250 SPS，當(dāng)旋變器的電速度為1300 SPS時，將觸發(fā)速度超過故障。

旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器系統(tǒng)架構(gòu)和說明

從第一部分，我們知道幅度和相位誤差直接決定了解碼角的性能和速度性能。幸運(yùn)的是，ADI擁有豐富的精密產(chǎn)品組合，可供您選擇和構(gòu)建旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器系統(tǒng)。以下描述將展示如何構(gòu)建高精度旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器，并討論選擇哪些器件。

如圖 7 所示的模擬器框圖有七個模塊需要關(guān)注：

用于數(shù)據(jù)分析和控制的過程控制平臺。

同步時鐘生成模塊為子系統(tǒng)生成同步時鐘。

故障信號生成模塊產(chǎn)生不同的故障信號。

SIN/COS 發(fā)生模塊生成調(diào)制的 SIN/COS 信號作為旋變器輸出。

信號捕獲模塊充當(dāng)激勵和反饋信號捕獲模塊。

SIN/COS 輸出模塊處理 SIN/COS 輸出，包括緩沖器、增益和濾波器。

激勵信號輸入模塊帶有內(nèi)置緩沖器和濾波電路。

電源模塊為 ADC、DAC、開關(guān)、放大器等組件提供電源。

圖7.旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器框圖。

旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器系統(tǒng)的工作原理是讓信號捕獲模塊對來自輸入模塊的激勵信號進(jìn)行采樣，處理器將分析輸入模塊的頻率和幅度。處理器將使用CORDIC算法計算SIN/COS DAC輸出數(shù)據(jù)代碼，并通過SIN/COS模塊生成與激勵輸入相同的頻率正弦信號。然后，系統(tǒng)將同時重新捕獲激勵和SIN/COS信號，計算和調(diào)整SIN/COS相位/幅度，補(bǔ)償激勵和SIN/COS之間的相位誤差，使其等于零，并將SIN/COS幅度校準(zhǔn)到相同水平。最后，系統(tǒng)將生成調(diào)制后的SIN/COS信號和故障信號，以模擬角度性能、速度和故障情況。

圖8中的特定信號鏈顯示了一個雙通道16位SIM卡SAR ADC AD7380，用于在使能OSR且SNR達(dá)到98 dB時捕獲激勵和反饋信號。它非常適合同時進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集以進(jìn)行相位和幅度校準(zhǔn)。超低功耗、低失真ADA4940-2用作ADC驅(qū)動器。雖然采用高精度、低噪聲20位DAC AD5791生成SIN/COS和故障信號，但出于較低分辨率和低成本考慮，建議使用AD5541A或AD5781代替AD5791。精密、可選增益差分放大器AD8475用作輸入/輸出緩沖器。AD8676和AD8599是一款具有超低失調(diào)漂移和電壓噪聲放大器的精密軌到軌運(yùn)算放大器，用于構(gòu)建有源濾波器和加法器電路。單電源、軌到軌、最大0.8 Ω雙SPDT（ADG854）用于切換和選擇SIN/COS信號，然后將其發(fā)送到數(shù)據(jù)采集模塊。

圖8.旋變器仿真器信號鏈。

整個旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器系統(tǒng)通過外部 12 V 適配器供電，該適配器使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和 LDO 穩(wěn)壓器生成不同的電壓電平。詳細(xì)的電源信號鏈如圖9所示。ADP5071產(chǎn)生16 V正電壓和負(fù)電壓，但使用ADP7118和ADP7182可以產(chǎn)生更清晰、更穩(wěn)定的15 V正電壓和負(fù)電壓。這些電源主要用于為DAC相關(guān)電路供電。同樣，使用ADP2300、ADP7118、ADM660和AD7182可產(chǎn)生清晰穩(wěn)定的+3.3 V、+5 V、–5 V和–2 V電源。這些電源主要用于為ADC相關(guān)電路和詳細(xì)設(shè)計要求供電。

圖9.電源信號鏈。

旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器臺架測試和結(jié)果

整個系統(tǒng)臺架測試如圖10所示。它包含一個旋轉(zhuǎn)變壓器仿真器板、一個AD2S1210評估板和一個GUI。GUI 和臺架測試圖片如圖 11 所示。AD2S1210 GUI用于直接評估旋變器仿真器的性能，特別是速度和角度性能。通過旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器GUI，可以配置速度、角度性能和故障信號。

圖 10.臺架測試框圖。

圖 11.臺架測試和圖形用戶界面。

禁用遲滯模式的16位AD2S1210的角和速度性能INL如圖12所示。

圖 12.角度/速度INL。

與標(biāo)準(zhǔn)旋變仿真器器件相比，該解決方案的性能如表2所示。在實(shí)際臺架測試中可以達(dá)到0.006°角精度（使用AD5791時理論上為0.0004°），最大速度輸出為3000 rps，速度精度為0.004 rps，可以輕松滿足AD2S1210的10位至約16位模式。

該模擬器支持的故障模式如表3所示。對于相位相關(guān)故障，0°至約360°范圍可以支持SIN/COS信號。對于幅度相關(guān)故障，0 V至約5 V范圍可支持SIN/COS信號。超速、IGBT、斷開和其他故障也可以通過使用此解決方案進(jìn)行模擬。

對于IGBT故障，圖13顯示了一個測試示例。將仿真器輸出配置為 45°，然后在 SIN/COS 輸出中添加周期性干擾信號。如AD2S1210評估板GUI的角和速度性能所示，角度性能在45°左右波動，同時速度將在0 rps左右波動。

圖 13.IGBT干涉示例。

結(jié)論

雖然大多數(shù)RDC相關(guān)應(yīng)用中都存在干擾，但在嚴(yán)重條件下可能會觸發(fā)許多類型的故障。當(dāng)您構(gòu)建自己的旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器時，請遵循此解決方案，因?yàn)樗粌H可以幫助您評估干擾下的系統(tǒng)性能，還可以像標(biāo)準(zhǔn)模擬器一樣校準(zhǔn)和驗(yàn)證您的產(chǎn)品。詳細(xì)的誤差分析對于理解為什么需要精密模擬SIN/COS信號非常有幫助，并且可以模擬本文中討論的所有故障類型，以幫助進(jìn)行一些功能安全驗(yàn)證。

審核編輯：郭婷