考慮到旋轉變壓器在惡劣和惡劣的環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用。

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

本文將分析旋轉變壓器仿真器系統中的誤差貢獻，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變壓器仿真器中如此重要。然后，它將顯示現場應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品構建具有故障模擬和注入功能的高精度旋轉變壓器模擬器。最后，它將展示旋轉變壓器模擬器的一些功能。

旋轉變壓器仿真器系統中的錯誤貢獻

首先，本節將介紹理想的旋轉變壓器結構。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變壓器仿真器系統中需要高精度。

圖1.旋轉變壓器結構。

旋轉變壓器仿真器將模擬旋轉變壓器，如圖 1 所示，以恒定速度或位置連接到真實電機。對于經典或可變磁阻旋轉變壓器，包括轉子和定子。旋轉變壓器可以被認為是一種特殊的變壓器。在初級側，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包絡的頻率是恒定的，表示速度信息。

圖2.旋轉變壓器電信號。

對于ADI公司的所有RDC產品，解調信號用公式4表示。當φ（輸出數字角度）等于旋轉變壓器角度θ（轉子位置）時，將完成II型跟蹤環路。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際旋變器系統中，這五種非理想條件中的任何一種都可能發生并產生誤差。

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，解調后的剩余包絡信號可以很容易地顯示出來，如公式6所示。在II型跟蹤環路中將包絡信號驅動至零時，通過將公式6設置為等于零，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變為等式8，誤差項以弧度表示。

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

當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，解調后剩余的包絡信號可以表示為公式12，當正交項cos（wt）（sin（a）sin（θ）cos（φ））被忽略時。對于 a 很小的實際情況，cos（a） ≈ 1 – a 2/2.在II型跟蹤環路中將該信號驅動至零時，將公式10設置為零，可以找到位置誤差ε = θ – φ產生。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變為等式14，誤差項以弧度表示。

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

當共相移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。

在靜態工作條件下，共相移不會影響轉換器的精度，但由于轉子阻抗的電抗分量和目標信號，高速旋轉變壓器將產生速度電壓。速度電壓僅在速度下發生，而不是在靜態角度下發生，與目標信號正交。當共相移β時，跟蹤誤差可以近似為公式19，其中ωM是電機轉速和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變壓器信號不完全是90°正交。當兩個旋轉變壓器相位未以完美的空間正交加工或組裝時，就會發生這種情況。當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，解調后剩余的包絡信號可以很容易地表示為公式22。當您將等式 22 設置為零時，假設β很小，cos（β） ≈ 1 且 sin（β） ≈ β，則可以找到ε = θ – φ導致的位置誤差。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速率振蕩，而在45°的奇整數倍處達到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β = 0.0003弧度= 0.172°時，這在12位模式下可能導致約1 LBS誤差。

勵磁諧波

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

解調后剩余的包絡信號可以很容易地顯示出來，如公式26所示。在II型跟蹤環路中將該信號驅動至零。

將公式 26 設置為零，可以找到位置誤差 ε = θ – φ結果。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確性。

電感諧波

在現實世界中，不可能構建具有完美正弦和余弦位置函數的電感曲線的旋轉變壓器。通常，電感將包含諧波，而VR旋轉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。

解調后的剩余包絡信號如圖30所示。

在II型跟蹤環路中將該信號驅動至零，當諧波幅度較小時，Kn對于n>1<<1，誤差信息ε = θ – φ可以從公式31推導出來。

根據表達式，誤差對直流項比諧波效應更敏感，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。

旋轉變壓器仿真器系統中的誤差貢獻摘要

除上述誤差源外，耦合到SIN和COS線路的干擾、放大器失調誤差、偏置誤差等也可能導致系統誤差。表1顯示了旋轉變壓器仿真器系統中的錯誤源和貢獻摘要，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 1 LSB
勵磁諧波

RDC 系統中的故障類型

在實際的RDC系統中，可能會出現很多故障情況。以下各節將展示現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，可能存在隨機干擾導致另一個故障，或者某些故障可能同時發生。

接線錯誤故障

連接錯誤是指通過不正確的連接將旋轉變壓器激勵和SIN/COS對連接到RDC SIN/COS輸入和激勵輸出引腳。當發生錯誤連接時，RDC也可以解碼角和速度信息，但角度輸出數據將顯示一些跳躍，例如DAC輸出中的失調誤差。錯誤連接的情況和結果數據如圖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.旋轉變壓器連接錯誤和角度輸出。

相移故障

從誤差貢獻部分，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為是共相移的差值，在本節中，相移故障是指由共相移引起的故障。

常見的相移誤差貢獻如圖4所示。相位1是激勵濾波器延遲。第 2 階段是旋轉變壓器相移。階段 3 是線路延遲。相位4是SIN/COS濾波器延遲。在現場RDC系統中，當發生相移誤差時，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，總相位值可以達到30°。出于MP考慮，需要留出足夠的相位裕量。

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

圖4.相移誤差貢獻。

斷線故障

當旋轉變壓器的任何線路與 RDC 平臺接口斷開連接時，會發生斷開連接故障。隨著產品安全升級，線路斷開檢測總是被客戶提及。可以模擬此故障以將SIN/COS設置為零電壓。當斷開連接時，AD2S1210中可以觸發LOS/DOS/LOT故障。

幅度失配/超過故障

當SIN/COS的電路增益控制或旋變比不同時，就會發生幅度失配，這也意味著SIN/COS包絡的幅度值不同。當幅度接近AVDD時，將觸發幅度超過故障。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/關效應耦合。當信號與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導通/關耦合的干擾。

速度超過故障

當電速度高于旋轉變壓器解碼系統時，會發生速度超過故障。例如，在12位模式下，AD2S1210可以支持的最大速度為1250 SPS，當旋變器的電速度為1300 SPS時，將觸發速度超過故障。

旋轉變壓器模擬器系統架構和說明

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。幸運的是，ADI擁有豐富的精密產品組合，可供您選擇和構建旋轉變壓器仿真器系統。以下描述將展示如何構建高精度旋轉變壓器模擬器，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注：

用于數據分析和控制的過程控制平臺。

同步時鐘生成模塊為子系統生成同步時鐘。

故障信號生成模塊產生不同的故障信號。

SIN/COS 發生模塊生成調制的 SIN/COS 信號作為旋變器輸出。

信號捕獲模塊充當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置緩沖器和濾波電路。

電源模塊為 ADC、DAC、開關、放大器等組件提供電源。

圖7.旋轉變壓器模擬器框圖。

旋轉變壓器仿真器系統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輸出數據代碼，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，系統將同時重新捕獲激勵和SIN/COS信號，計算和調整SIN/COS相位/幅度，補償激勵和SIN/COS之間的相位誤差，使其等于零，并將SIN/COS幅度校準到相同水平。最后，系統將生成調制后的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達到98 dB時捕獲激勵和反饋信號。它非常適合同時進行高精度數據采集以進行相位和幅度校準。超低功耗、低失真ADA4940-2用作ADC驅動器。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漂移和電壓噪聲放大器的精密軌到軌運算放大器，用于構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，然后將其發送到數據采集模塊。

圖8.旋變器仿真器信號鏈。

整個旋轉變壓器仿真器系統通過外部 12 V 適配器供電，該適配器使用 DC-DC 轉換器和 LDO 穩壓器生成不同的電壓電平。詳細的電源信號鏈如圖9所示。ADP5071產生16 V正電壓和負電壓，但使用ADP7118和ADP7182可以產生更清晰、更穩定的15 V正電壓和負電壓。這些電源主要用于為DAC相關電路供電。同樣，使用ADP2300、ADP7118、ADM660和AD7182可產生清晰穩定的+3.3 V、+5 V、–5 V和–2 V電源。這些電源主要用于為ADC相關電路和詳細設計要求供電。

圖9.電源信號鏈。

旋轉變壓器模擬器臺架測試和結果

整個系統臺架測試如圖10所示。它包含一個旋轉變壓器仿真器板、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。

與標準旋變仿真器器件相比，該解決方案的性能如表2所示。在實際臺架測試中可以達到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。對于相位相關故障，0°至約360°范圍可以支持SIN/COS信號。對于幅度相關故障，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。

結論

雖然大多數RDC相關應用中都存在干擾，但在嚴重條件下可能會觸發許多類型的故障。當您構建自己的旋轉變壓器模擬器時，請遵循此解決方案，因為它不僅可以幫助您評估干擾下的系統性能，還可以像標準模擬器一樣校準和驗證您的產品。詳細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，以幫助進行一些功能安全驗證。

審核編輯：郭婷