工業(yè)電機、伺服器、機器人和車輛傳動系統(tǒng)等機械系統(tǒng)的電子監(jiān)測和控制對于提高效率、可靠性和安全性非常重要。但是，有效控制需要精確確定旋轉(zhuǎn)角度和速度，而電噪聲和惡劣環(huán)境使之極具挑戰(zhàn)性。解決方案在于由精密軸角數(shù)字 (R/D) 轉(zhuǎn)換器和運算放大器支持的旋轉(zhuǎn)變壓器。
本文簡要討論了有關實現(xiàn)精確軸測量和控制的問題，以及旋轉(zhuǎn)變壓器成為眾多應用上佳選擇的原因。然后，文章將展示旋轉(zhuǎn)變壓器、R/D 轉(zhuǎn)換器（例如來自 Analog Devices 的 AD2S1210），以及適當?shù)募罘糯笃骱蜑V波器電路的組合如何構成穩(wěn)健的高精度位置和速度測量及控制系統(tǒng)。
旋轉(zhuǎn)變壓器結構
旋轉(zhuǎn)變壓器是一種機電器件，可將機械運動轉(zhuǎn)換為模擬電子信號。它本質(zhì)上是一個旋轉(zhuǎn)的變壓器，其交流電壓輸出隨軸的角位置而變化。旋轉(zhuǎn)變壓器的兩個元件是固定定子，及在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)的單繞組轉(zhuǎn)子。旋轉(zhuǎn)變壓器初級繞組位于定子上，次級繞組位于轉(zhuǎn)子上（圖 1）。
圖 1：可變磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器具有兩個輸入端子（R1、R2）、兩個正弦輸出端子（S1、S3）和兩個余弦輸出端子（S2、S4）。（圖片來源：Analog Devices）
多數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器電壓的規(guī)格介于 2 Vrms 與 40 Vrms 之間，頻率從 50 赫茲 (Hz) 到 20 千赫茲 (kHz)。初級和次級繞組信號幅度之間的變壓比介于 0.2 伏/伏 (V/V) 至 1 V/V 之間。通常，高性能旋轉(zhuǎn)變壓器需要高輸入電壓，高輸入電壓反過來又需要更高功率的電子器件，來滿足高輸出范圍和更快的壓擺率條件。角度精度范圍從 5 弧分到 0.5 弧分，其中一度為 60 弧分，一弧分為 60 弧秒。
在圖 1 中，轉(zhuǎn)子繞組的交流基準激勵電壓（VR = E0SIN(wt)）施加于 R1 和 R2 之間。任意定子繞組上的感應電壓幅度與角 θ（轉(zhuǎn)子線圈軸和定子線圈軸之間的角）的正弦成正比。在轉(zhuǎn)子交流基準電壓為 E0 sinωt 時，定子的端輸出電壓為：
R1 – R2 = E0 sinωt 等式1
S3 – S1 = T x E0 sinωt x sin θ 等式2
S2 – S4 = T x E0 sinωt x sin(θ + 90°) = T x E0 sinωt x cosθ 等式3
兩個定子輸出信號是經(jīng)正弦和余弦調(diào)制的軸角。下圖是激勵正弦信號的圖形，在 90° 和 270° 具有最大幅度，正弦和余弦輸出信號的最大幅度出現(xiàn)在 0° 和 180°（圖 2）。
圖 2：旋轉(zhuǎn)變壓器電輸入 (R1 – R2) 和輸出信號。兩個定子輸出信號是經(jīng)正弦和余弦調(diào)制的軸角。（圖片來源：Analog Devices）
在航空電子、汽車以及要求在寬溫度范圍內(nèi)具有高穩(wěn)定性的關鍵工業(yè)應用中，完整的高性能 R/D 電路可以精確測量角位置和速度（圖 3）。
圖 3：高性能 R/D 電路，帶差分輸出端子 (EXC:/EXC) 和差分正弦和余弦輸入端子（SIN:SINLO、COS:COSLO）。注意，EXC 等于圖 5 中的 EXE。（圖片來源：Analog Devices）
在圖 3 中，R/D 電路包含一個旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子驅(qū)動器電路，具有兩種工作模式：低功耗和高性能。在低功耗模式下，系統(tǒng)采用 +6 伏單電源供電，功耗不到 100 毫安 (mA)。整個系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)變壓器提供 3.2 Vrms（9.2 伏峰-峰）的電壓。在高性能狀態(tài)下，系統(tǒng)采用 +12 伏單電源供電，可為旋轉(zhuǎn)變壓器提供 6.4 Vrms（18 伏峰-峰）的電壓。
R/D 電路輸出到旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子及旋轉(zhuǎn)變壓器定子到 R/D 電路 SIN/COS 輸入之間設有三階有源濾波器，盡量減少系統(tǒng)量化噪聲的影響。在 10 位模式下，R/D 電路的最大跟蹤速率為 3125 轉(zhuǎn)/秒 (RPS)，分辨率等于 21 弧分。在 16 位模式下，R/D 電路的最大跟蹤速率為 156.25 RPS，分辨率為 19.8 弧秒。
信號鏈設計考慮因素
Analog Devices 的 AD2S1210WDSTZRL7 R/D 電路具有一個可編程的 10、12、14 或 16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 及一個 10、12、14 或 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，兩個三階低通濾波器和一個旋轉(zhuǎn)變壓器。第一個三階濾波器位于 R/D 轉(zhuǎn)換器到 R1 和 R2 旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子端的傳輸通道上。第二個三階低通濾波器收集 S1 和 S3 處的正弦旋轉(zhuǎn)變壓器定子信號，S2 和 S4 處的余弦信號。一般來說，系統(tǒng)需要足夠的帶寬、足夠的輸出驅(qū)動能力，以及用于在低功耗和高性能配置之間進行切換的選項。
在此電路中，R/D 電路的內(nèi)部 DAC 生成 3.6 伏峰峰值的 10、12、14 或 16 位正弦激勵信號，電壓范圍 3.2 至 4.0 伏。
在 AD2S1210 的輸出端，有一個低通三階濾波器，其包含一個 Analog Devices 的 AD8692ARMZ-REEL 軌至軌運算放大器和一個 Analog Devices 的 AD8397ARDZ-REEL7 軌至軌高輸出電流放大器。
采用 +5 V 電源供電，雙通道 AD8692 低噪聲 CMOS 運算放大器的輸出范圍為 0.29 至 4.6 伏。該放大器周圍的電阻器和電容器實現(xiàn)了三個巴特沃斯濾波器極點中的兩個。AD8397 高輸出電流放大器支持低功耗模式（相比具有可切換增益級和更高供電電壓能力的高性能模式），并實現(xiàn)了低通濾波器的第三個極點。在 +6 伏電源供電的情況下，AD8397 的輸出范圍為 0.18 至 5.87 伏。供電電壓為 +12 伏時，輸出電壓范圍為 0.35 至 11.7 伏。
在定子的輸出端，Analog Devices 的四通道 AD8694ARUZ-REEL 低噪聲 CMOS 軌至軌運算放大器連接至旋轉(zhuǎn)變壓器的 SIN（S1 和 S3）和 COS（S2 和 S4）引腳。AD8694 與雙通道 AD8692 屬于同一系列，在 +5 電源下輸出電壓范圍為 0.37 至 4.6 伏。對于旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦和余弦信號，AD2S1210 R/D 轉(zhuǎn)換器差分輸入（SIN、SOLO、COS、COSLO）的峰峰信號范圍典型值為 3.15 伏，范圍為 2.3 至 4.0 伏。
理想情況下，在該系統(tǒng)中，總信號鏈相移范圍等于 n × 180° ? 44° ≤ φ ≤ n × 180° + 44°，其中 n 是整數(shù)。
R/D 電路細節(jié)
信號鏈設計考慮因素包括幅度和頻率，以及穩(wěn)定性和相移，而旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組阻抗模型包含阻性元件和電感元件。
AD2S1210 R/D 電路激勵信號范圍為 2 kHz 到 20 kHz，增量為 250 Hz。AD8397 施加到轉(zhuǎn)子的激勵信號與非理想的電感和電阻分量交互。典型的電阻和電抗分量為 50 歐姆 (Ω) 至 200 Ω，及 0 Ω 至 200 Ω。標準轉(zhuǎn)子激勵電壓可高達 20 伏峰-峰 (7.1 Vrms)，因此必須考慮旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動器的最大電流和最大功耗。為了適應這種接口，AD8397 采用高輸出電流（采用 ±12 V 電源時，輸入 32 Ω 負載的峰值電流為 310 mA）、寬電源范圍 (24 V)、低熱阻封裝（8 引腳 SOIC EP 封裝，θJA = 47.2°C/瓦 (W)）和軌至軌輸出電壓。
旋轉(zhuǎn)變壓器激勵三階濾波器和驅(qū)動器電路
AD2S1210 內(nèi)部 DAC 生成激勵輸出信號 (EXC)，這會產(chǎn)生量化噪聲和失真（圖 4）。
圖 4：在 AD2S1210 EXC 激勵輸出引腳上測量的 10 kHz 輸出信號。（圖片來源：Analog Devices）
如果未經(jīng)過濾，AD2S1210 EXC 引腳上的圖 4 輸出噪聲將通過旋轉(zhuǎn)變壓器傳播并反饋至 AD2S1210 SIN、SINLO、COS 和 COSLO 引腳。
此外，必須特別注意激勵電路中的增益和信號電平，以使 AD8397 輸出驅(qū)動器不會飽和。AD2S1210 輸出信號的濾波器和功率放大級可滿足旋轉(zhuǎn)變壓器電感輸入級的嚴格要求（圖 5）。
圖 5：R/D 電路 EXC 輸出端子和 R1 輸入端子之間的激勵驅(qū)動器和濾波器電路。注意，此處的 EXE 等于圖 2 中的 EXC。（圖片來源：Analog Devices）
在圖 4 中，AD8692 濾波器電路的直流增益為 -1 V/V。Analog Devices 的 ADG1612BRUZ-REEL 四通道 SPST 開關 S1 閉合，以創(chuàng)建具有高 VCC (≥ +12 V) 的高性能模式條件。在 S1 閉合的情況下，AD8397 激勵級的增益約為 2.5 V/V。2.5 V/V 的增益可以由 4.0 伏峰-峰 EXE 輸入產(chǎn)生 10 伏峰-峰輸出。對于 S1 斷開時的低功耗模式，增益等于 1.28 V/V。在這種配置中，4.0 伏峰-峰 EXE 輸入產(chǎn)生 5.12 伏峰-峰輸出。
AD8692 的配置是多反饋 (MFB) 三階巴特沃斯低通濾波器。根據(jù)一般的經(jīng)驗，放大器增益帶寬積 (GBWP) 至少為 -3 分貝 (dB) 有源濾波器截止頻率的 20 倍。在圖 5 中，截止頻率為 88 kHz，而 AD8692 的 GBWP 為 10 MHz，是截止頻率的 113 倍。通常，該電路的相移為 180° ± 15°。在圖 4 的電路中，濾波器的 -3 dB 截止頻率為 88 kHz；10 kHz 下的相移在為 -13°。
雙通道 AD8692 運算放大器用作三階有源巴特沃斯濾波器，可降低驅(qū)動信號噪聲（圖 6）。
圖 6：在 R/D 轉(zhuǎn)換器輸出信號通過激勵驅(qū)動器和濾波器之后，信號上的噪聲明顯降低，即可用于 R1 處的旋轉(zhuǎn)變壓器輸入。（圖片來源：Analog Devices）
圖 6 中的數(shù)據(jù)表明 AD2S1210 的內(nèi)部 DAC 量化噪聲明顯降低。
與此類似，SIN（S1 和 S3）和 COS（S2 和 S4）接收器電路使用兩個四通道 AD8694 運算放大器作為有源噪聲濾波器。AD2S1210 EXC 引腳（CH1 黃色）到 SIN 輸入引腳（CH2 藍色）之間的總相移約為 40°，低于 44° 的最大設計值（圖 7）。
圖 7：模擬驅(qū)動器和濾波器的信號進入旋轉(zhuǎn)變壓器輸入、旋轉(zhuǎn)變壓器以及模擬濾波器而返回到 R/D 轉(zhuǎn)換器，這會導致信號相移。示波器屏幕截圖顯示了 AD2S1210 EXC 和 SIN 引腳之間的相移。（圖片來源：Analog Devices）
系統(tǒng)性能
本文的評估電路使用 Analog Devices val-CN0276-SDPZ/eval-CN0276-SDPZ-ND/4571727">eval-CN0276-SDPZ 電路板和 Analog Devices val-SDP-CB1Z/eval-SDP-CB1Z-ND/2606896">eval-SDP-CB1Z 系統(tǒng)平臺控制器板（圖 8）。
圖 8：對應于圖 4、6、7、10 和 11 的測試設置功能示意圖。（圖片來源：Analog Devices）
在圖 8 中，借助兩個板之間的 120 針配接連接器，可以進行快速設置和電路性能評估。
eval-CN0276-SDPZ 包含完整的電路，而 eval-SDP-CB1Z (SDP-B) 與 val/user-guides/circuits-from-the-lab/cn0276" target="_blank">CN-0276 評估軟件協(xié)同交換來自 eval-CN0276-SDPZ 的數(shù)據(jù)（圖 9）。
圖 9：eval-CN0276-SDPZ 印刷電路板包含完整的 R/D 轉(zhuǎn)換器電路。（圖片來源：Analog Devices）
對于系統(tǒng)整體噪聲測量，旋轉(zhuǎn)變壓器 Tamagawa TS2620N21E11 的固定位置可生成輸出碼直方圖。AD2S1210 的 10 位和 16 位角度精度模式輸出碼直方圖顯示了發(fā)送 DAC 和接收 ADC 的組合（圖 10 和圖 11）。在本文中，TS2620N21E11 旋轉(zhuǎn)變壓器具有 0° 相移和 0.5 的變壓比。旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦 (SIN) 和余弦 (COS) 輸出負載相等，至少為旋轉(zhuǎn)變壓器輸出阻抗的 20 倍。
圖 10：10 位角度精度模式 EXE 發(fā)送，16 位 ADC 分辨率 SIN/COS 接收。（圖片來源：Analog Devices）
圖 11：16 位角度精度模式 EXC 發(fā)送，16 位 ADC 分辨率 SIN/COS 接收。（圖片來源：Analog Devices）
在圖 10 和圖 11 中，VCC 等于 12 伏，這使得 R/D 轉(zhuǎn)換器的全部 16 位均處于高性能模式。
總結
旋轉(zhuǎn)變壓器與 R/D 轉(zhuǎn)換器（如 Analog Devices 的 AD2S1210）組合使用可創(chuàng)建高精度、穩(wěn)健的位置和速度控制系統(tǒng)，適合潛在惡劣環(huán)境中的電機控制應用。
為了獲得最佳的整體性能，需要結合使用 AD8694 與 AD8397 來創(chuàng)建緩沖器/濾波器電路，以放大激勵信號并為旋轉(zhuǎn)變壓器提供適當?shù)尿?qū)動，同時過濾并反饋次級信號。借助 AD2S1210 的可變分辨率、基準電壓生成和片上診斷功能，R/D 轉(zhuǎn)換器可為旋轉(zhuǎn)變壓器應用提供理想的解決方案。
