具有故障注入功能的高精度旋转变压器模拟器系统

考虑到旋转变压器在恶劣和恶劣的环境中长期具有出色的可靠性和高精度性能，它们广泛用于EV、HEV、EPS、逆变器、伺服、铁路、高速列车、航空航天和其他需要位置和速度信息的应用。

许多旋变数字转换器（RDC），如ADI公司的AD2S1210和AD2S1205，在以前的系统中用于解码旋变器的信号，以获得数字位置和速度数据。 干扰和故障问题往往发生在客户的系统中，大多数时候他们希望评估干扰条件下角度和速度的精度性能，找到并验证根本原因，然后修复和优化系统。具有故障注入功能的高精度旋转变压器模拟器（模拟以恒定速度或位置连接到真实电机的旋转变压器）可以解决干扰和故障痛点，而无需建立复杂的电机控制系统。

本文将分析旋转变压器仿真器系统中的误差贡献，并提供一些误差计算示例，以帮助理解为什么高精度在旋转变压器仿真器中如此重要。然后，它将显示现场应用中干扰条件下的故障情况。接下来将介绍如何使用最新的高精度产品构建具有故障模拟和注入功能的高精度旋转变压器模拟器。最后，它将展示旋转变压器模拟器的一些功能。

旋转变压器仿真器系统中的错误贡献

首先，本节将介绍理想的旋转变压器结构。然后，将给出五种常见的非理想特性和误差分析方法，以帮助您理解为什么旋转变压器仿真器系统中需要高精度。

图1.旋转变压器结构。

旋转变压器仿真器将模拟旋转变压器，如图 1 所示，以恒定速度或位置连接到真实电机。对于经典或可变磁阻旋转变压器，包括转子和定子。旋转变压器可以被认为是一种特殊的变压器。在初级侧，如公式1所示，EXC是激励正弦输入信号。在副边，如公式2和公式3所示，SIN和COS是两个输出端的调制正弦信号。

哪里：

θ为轴角，ω为激励信号频率，A0是激励信号幅值，T是旋变变换比。

调制的SIN/COS信号如图2所示。对于不同象限中的恒定角θ，SIN/COS信号将具有同相和反相情况。对于恒定速度，SIN/COS包络的频率是恒定的，表示速度信息。

图2.旋转变压器电信号。

对于ADI公司的所有RDC产品，解调信号用公式4表示。当φ（输出数字角度）等于旋转变压器角度θ（转子位置）时，将完成II型跟踪环路。在具有幅度失配、相移、不完美正交、激励谐波和电感谐波的实际旋变器系统中，这五种非理想条件中的任何一种都可能发生并产生误差。

幅度失配

幅度失配是SIN和COS信号处于峰值幅度时的峰峰值幅度之差，COS为0°和180°，SIN为90°和270°。失配可能由旋变绕组的变化或SIN/COS输入的不平衡增益控制引起。为了确定幅度失配引起的位置误差，可以将公式3改写为公式5。

其中a表示SIN和COS信号之间的失配量，解调后的剩余包络信号可以很容易地显示出来，如公式6所示。在II型跟踪环路中将包络信号驱动至零时，通过将公式6设置为等于零，可以找到位置误差ε = θ – φ。然后我们可以接收误差信息，如公式7所示。

对于a很小的实际情况，位置误差也很小，这意味着sin（ε）≈ ε和θ+φ ≈2θ。因此，等式7变为等式8，误差项以弧度表示。

如公式8所示，误差项以两倍的旋转速率振荡，而最大误差为a/2，为45°的奇整数倍。假设幅度失配为0.3%，代入公式8中的变量，并使用45°的奇整数倍，最大误差将在公式9中表示，其中m是奇数。

当RDC模式为12位或约1 LSB时，误差以弧度计算，可通过公式10转换为LSB。

相移

相移是指差分相移和共相移。差分相移是旋变器SIN和COS信号之间的相移。共相移是激励参考信号与SIN和COS信号之间的相移。为了确定差分相移产生的位置误差，可以将公式3改写为公式11。

其中a表示差分相移，解调后剩余的包络信号可以表示为公式12，当正交项cos（wt）（sin（a）sin（θ）cos（φ））被忽略时。对于 a 很小的实际情况，cos（a） ≈ 1 – a 2/2.在II型跟踪环路中将该信号驱动至零时，将公式10设置为零，可以找到位置误差ε = θ – φ产生。然后我们可以得到误差信息，如公式13所示。

对于 θ ≈ φ，sin（θ）cos（φ），在 θ ≈ 45° 处最大为 0.5。因此，等式13变为等式14，误差项以弧度表示。

假设差分相移为4.44°，当RDC模式为12位时，可以使用公式15将其转换为LSB的误差约为1 LSB。

当共相移β时，公式2和公式3可以分别改写为公式16和公式17。

类似地，误差项可以用公式18表示。

在静态工作条件下，共相移不会影响转换器的精度，但由于转子阻抗的电抗分量和目标信号，高速旋转变压器将产生速度电压。速度电压仅在速度下发生，而不是在静态角度下发生，与目标信号正交。当共相移β时，跟踪误差可以近似为公式19，其中ωM是电机转速和ωE是激励速度。

如公式19所示，误差与旋变器速度和相移成正比。因此，一般来说，使用高旋转变压器激励频率是有益的。

不完美正交

不完全正交表示SIN/COS在这种情况下所指的两个旋转变压器信号不完全是90°正交。当两个旋转变压器相位未以完美的空间正交加工或组装时，就会发生这种情况。当β表示不完全正交的量时，等式2和等式3可以改写为等式20和等式21。

和以前一样，解调后剩余的包络信号可以很容易地表示为公式22。当您将等式 22 设置为零时，假设β很小，cos（β） ≈ 1 且 sin（β） ≈ β，则可以找到ε = θ – φ导致的位置误差。然后我们可以接收误差信息，如公式23所示。

如公式23所示，误差项以两倍的旋转速率振荡，而在45°的奇整数倍处达到β/2的最大误差。与幅度失配引起的误差相比，在这种情况下，平均误差不为零，峰值误差等于正交误差。从幅度失配示例中，当β = 0.0003弧度= 0.172°时，这在12位模式下可能导致约1 LBS误差。

励磁谐波

在前面的所有分析中，假设激励信号是理想的正弦波，不包含额外的谐波。在实际系统中，激励信号确实包含谐波。因此，等式2和等式3可以改写为等式24和等式25。

 

解调后剩余的包络信号可以很容易地显示出来，如公式26所示。在II型跟踪环路中将该信号驱动至零。

将公式 26 设置为零，可以找到位置误差 ε = θ – φ结果。然后我们可以得到误差信息，如公式27所示。

如果旋变器激励具有相同的谐波，则公式27的分子为零，不会产生位置误差。这意味着即使在非常大的值下，公共激励谐波对RDC的影响也可以忽略不计。但是，如果SIN或COS中的谐波成分不同，则产生的位置误差与公式8所示的幅度失配具有相同的功能形状。这将极大地影响位置的准确性。

电感谐波

在现实世界中，不可能构建具有完美正弦和余弦位置函数的电感曲线的旋转变压器。通常，电感将包含谐波，而VR旋转变压器将包含直流元件。因此，等式2和等式3可以分别改写为等式28和等式29，其中K0指示直流分量。

 

 

解调后的剩余包络信号如图30所示。

在II型跟踪环路中将该信号驱动至零，当谐波幅度较小时，Kn对于n>1<<1，误差信息ε = θ – φ可以从公式31推导出来。

根据表达式，误差对直流项比谐波效应更敏感，它与感性谐波幅值成正比。与此同时，n千电感谐波决定 （n – 1） 的幅度千位置误差的谐波。

旋转变压器仿真器系统中的误差贡献摘要

除上述误差源外，耦合到SIN和COS线路的干扰、放大器失调误差、偏置误差等也可能导致系统误差。表1显示了旋转变压器仿真器系统中的错误源和贡献摘要，包括1 LSB的12位模式的最差示例。另一种RDC分辨率模式可以通过参考表来计算。

 

错误源	错误表达式	描述	1 LSB 示例
幅度失配

	a = 幅度失配	0.003 幅度失配导致 1 LSB 误差
相移

	a = 差分相移	4.44° 差分相移贡献 1 LSB

	β = 共相移 ωM= 电机速度， ωE= 励磁速度
不完美正交		β = 与完美正交的角度偏差	0.172° 不完美正交贡献 1 LSB
励磁谐波

	一个快递 之 家一个锡= 谐波幅度
电感谐波

K0= 直流分量 Kn= 谐波幅度

 

RDC 系统中的故障类型

在实际的RDC系统中，可能会出现很多故障情况。以下各节将展示现场测试中的不同故障类型和一些故障信号，以及在使用第三部分中描述的旋转变压器仿真器解决方案时如何模拟故障类型。除了提到的故障类型外，可能存在随机干扰导致另一个故障，或者某些故障可能同时发生。

接线错误故障

连接错误是指通过不正确的连接将旋转变压器激励和SIN/COS对连接到RDC SIN/COS输入和激励输出引脚。当发生错误连接时，RDC也可以解码角和速度信息，但角度输出数据将显示一些跳跃，例如DAC输出中的失调误差。错误连接的情况和结果数据如图3所示。其中第一列显示EXC/SIN/COS引脚和输出角度，其余列显示连接错误情况。

图3.旋转变压器连接错误和角度输出。

相移故障

从误差贡献部分，我们知道相移包含差分相移和公共相移。考虑到差分相位可以认为是共相移的差值，在本节中，相移故障是指由共相移引起的故障。

常见的相移误差贡献如图4所示。相位1是激励滤波器延迟。第 2 阶段是旋转变压器相移。阶段 3 是线路延迟。相位4是SIN/COS滤波器延迟。在现场RDC系统中，当发生相移误差时，意味着相位1、2、3和4的总值大于44°。通常，旋变器相移误差为10°。在不良情况下，总相位值可以达到30°。出于MP考虑，需要留出足够的相位裕量。

当SIN/COS的相移不同时，可能会导致相移失配故障。如果发生这种情况，角度和速度精度将受到影响。

图4.相移误差贡献。

断线故障

当旋转变压器的任何线路与 RDC 平台接口断开连接时，会发生断开连接故障。随着产品安全升级，线路断开检测总是被客户提及。可以模拟此故障以将SIN/COS设置为零电压。当断开连接时，AD2S1210中可以触发LOS/DOS/LOT故障。

幅度失配/超过故障

当SIN/COS的电路增益控制或旋变比不同时，就会发生幅度失配，这也意味着SIN/COS包络的幅度值不同。当幅度接近AVDD时，将触发幅度超过故障。对于AD2S1210，这称为削波故障。一个良好的SIN/COS信号示例如图5所示。

图5.理想的 SIN/COS 信号。

IGBT干扰故障

图6.SIN/COS耦合IGBT干扰。

IGBT干扰意味着干扰信号与IGBT的开/关效应耦合。当信号与SIN/COS线耦合时，位置和速度性能会受到影响，角度值会有跳跃，速度的方向可能会改变。该场的示例如图6所示，其中通道1是SIN信号，通道2是COS信号，杂散表示与IGBT导通/关耦合的干扰。

速度超过故障

当电速度高于旋转变压器解码系统时，会发生速度超过故障。例如，在12位模式下，AD2S1210可以支持的最大速度为1250 SPS，当旋变器的电速度为1300 SPS时，将触发速度超过故障。

旋转变压器模拟器系统架构和说明

从第一部分，我们知道幅度和相位误差直接决定了解码角的性能和速度性能。幸运的是，ADI拥有丰富的精密产品组合，可供您选择和构建旋转变压器仿真器系统。以下描述将展示如何构建高精度旋转变压器模拟器，并讨论选择哪些器件。

如图 7 所示的模拟器框图有七个模块需要关注：

用于数据分析和控制的过程控制平台。

同步时钟生成模块为子系统生成同步时钟。

故障信号生成模块产生不同的故障信号。

SIN/COS 发生模块生成调制的 SIN/COS 信号作为旋变器输出。

信号捕获模块充当激励和反馈信号捕获模块。

SIN/COS 输出模块处理 SIN/COS 输出，包括缓冲器、增益和滤波器。

激励信号输入模块带有内置缓冲器和滤波电路。

电源模块为 ADC、DAC、开关、放大器等组件提供电源。

图7.旋转变压器模拟器框图。

旋转变压器仿真器系统的工作原理是让信号捕获模块对来自输入模块的激励信号进行采样，处理器将分析输入模块的频率和幅度。处理器将使用CORDIC算法计算SIN/COS DAC输出数据代码，并通过SIN/COS模块生成与激励输入相同的频率正弦信号。然后，系统将同时重新捕获激励和SIN/COS信号，计算和调整SIN/COS相位/幅度，补偿激励和SIN/COS之间的相位误差，使其等于零，并将SIN/COS幅度校准到相同水平。最后，系统将生成调制后的SIN/COS信号和故障信号，以模拟角度性能、速度和故障情况。

图8中的特定信号链显示了一个双通道16位SIM卡SAR ADC AD7380，用于在使能OSR且SNR达到98 dB时捕获激励和反馈信号。它非常适合同时进行高精度数据采集以进行相位和幅度校准。超低功耗、低失真ADA4940-2用作ADC驱动器。虽然采用高精度、低噪声20位DAC AD5791生成SIN/COS和故障信号，但出于较低分辨率和低成本考虑，建议使用AD5541A或AD5781代替AD5791。精密、可选增益差分放大器AD8475用作输入/输出缓冲器。AD8676和AD8599是一款具有超低失调漂移和电压噪声放大器的精密轨到轨运算放大器，用于构建有源滤波器和加法器电路。单电源、轨到轨、最大0.8 Ω双SPDT（ADG854）用于切换和选择SIN/COS信号，然后将其发送到数据采集模块。

图8.旋变器仿真器信号链。

整个旋转变压器仿真器系统通过外部 12 V 适配器供电，该适配器使用 DC-DC 转换器和 LDO 稳压器生成不同的电压电平。详细的电源信号链如图9所示。ADP5071产生16 V正电压和负电压，但使用ADP7118和ADP7182可以产生更清晰、更稳定的15 V正电压和负电压。这些电源主要用于为DAC相关电路供电。同样，使用ADP2300、ADP7118、ADM660和AD7182可产生清晰稳定的+3.3 V、+5 V、–5 V和–2 V电源。这些电源主要用于为ADC相关电路和详细设计要求供电。

图9.电源信号链。

旋转变压器模拟器台架测试和结果

整个系统台架测试如图10所示。它包含一个旋转变压器仿真器板、一个AD2S1210评估板和一个GUI。GUI 和台架测试图片如图 11 所示。AD2S1210 GUI用于直接评估旋变器仿真器的性能，特别是速度和角度性能。通过旋转变压器模拟器GUI，可以配置速度、角度性能和故障信号。

图 10.台架测试框图。

图 11.台架测试和图形用户界面。

禁用迟滞模式的16位AD2S1210的角和速度性能INL如图12所示。

图 12.角度/速度INL。

与标准旋变仿真器器件相比，该解决方案的性能如表2所示。在实际台架测试中可以达到0.006°角精度（使用AD5791时理论上为0.0004°），最大速度输出为3000 rps，速度精度为0.004 rps，可以轻松满足AD2S1210的10位至约16位模式。

 

产品/参数	北大西洋 5330A	北大西洋 5300A	此解决方案	需要AD2S1210
激励频率	47 赫兹至 10 千赫	360 赫兹至 20 千赫	2 kHz 至 20 kHz	2 kHz 至 20 kHz
角度精度	0.003° 至 ~0.015°	0.00055556° 至 ~0.0167°	优于 0.006° @ 12.2070 kHz 载波	0.0417° 和 1 LSB
速率范围	高达 277 转/秒	高达 278 转/秒	高达 3000 转/秒	高达 2500 rps @ 8.19 MHz 时钟
速率精度	±1%		0.004 转/分 （<150 转/分）	±0.0305 转/分 （<125 转/分）

 

该模拟器支持的故障模式如表3所示。对于相位相关故障，0°至约360°范围可以支持SIN/COS信号。对于幅度相关故障，0 V至约5 V范围可支持SIN/COS信号。超速、IGBT、断开和其他故障也可以通过使用此解决方案进行模拟。

 

故障模式	相移	相移失配	幅度失配	振幅超出	IGBT干扰	随机干扰	超越速度	断开
范围	0° 至 ~360°	0° 至 ~360°	0 V 至 ~5 V	0 V 至 ~5 V	✓	✓	0 转/分至 ~3000 转/分	✓

 

对于IGBT故障，图13显示了一个测试示例。将仿真器输出配置为 45°，然后在 SIN/COS 输出中添加周期性干扰信号。如AD2S1210评估板GUI的角和速度性能所示，角度性能在45°左右波动，同时速度将在0 rps左右波动。

图 13.IGBT干涉示例。

结论

虽然大多数RDC相关应用中都存在干扰，但在严重条件下可能会触发许多类型的故障。当您构建自己的旋转变压器模拟器时，请遵循此解决方案，因为它不仅可以帮助您评估干扰下的系统性能，还可以像标准模拟器一样校准和验证您的产品。详细的误差分析对于理解为什么需要精密模拟SIN/COS信号非常有帮助，并且可以模拟本文中讨论的所有故障类型，以帮助进行一些功能安全验证。

审核编辑：郭婷