通过基于符合EMC标准的旋转变压器传感器接口设计以提高工业驱动器的可靠性

旋转变压器在伺服驱动器等工业驱动器中提供准确、高可靠的位置反馈,特别是在带灰尘和温度高于150℃的恶劣工业环境中。旋转变压器是绝对机械角度传感器,作为可变耦合变压器工作。这意味着初级绕组和两个次级绕组之间的磁耦合量,根据通常安装在电机轴上的旋转元件(转子)的角位置而变化。旋转变压器可长时间承受恶劣条件,使其成为工业电机控制、伺服、机器人(包括服务机器人和制造机器人)、混合动力和全电动车辆的动力传动系单元,及其它许多需要精确的轴旋转应用的最佳选择。

在其设计中使用旋转变压器的工业驱动器制造商更多地关注设计的鲁棒性、绝对角度测量的可靠性和整体系统成本。因为旋转变压器包括用于输入和输出的差分信号,这极大地提高了它们抑制共模噪声的能力。电磁兼容性(EMC)在定义驱动鲁棒性方面起着重要作用。EMC必须符合特定标准。大多数工业伺服驱动器通常使用屏蔽电缆连接到电机及诸如旋转变压器的位置反馈传感器。电缆长度可为100m,甚至更长。电缆较长时,由变频器的脉冲宽度调制(PWM)开关感应的电缆屏蔽上的脉冲噪声电流,可耦合到旋转变压器的差分信号对中。极其快速的瞬变脉冲串 —— 如在〜10kV /μs范围内、带高dV / dt的开关逆变器电力电缆的串扰可以影响旋转变压器 - 数字转换器(RDC)的性能。

最近发布的EMC兼容单芯片旋转变压器 - 数字转换器(RDC)参考设计,通过具有12位角分辨率的单芯片PGA411-Q1提供了符合EMC标准的RDC的解决方案。请参见图1。

 

1:使用Piccolo™F28069M MCU LaunchPad™开发套件的TIDA-00363参考设计的简化系统框图

 

这个设计具有哪些优点?

  • 物料清单(BOM)和印刷电路板(PCB)尺寸整体降低。传统上讲,RDC需要附加的激励放大器,及用于激励放大器的电源来驱动正弦和余弦激励信号。附加的半导体部件会占用更多空间,并且在BOM中需要附加的额外无源部件。RDC参考设计使用高度集成的PGA411-Q1 RDC,其集成了一个激励放大器和升压电路为激励放大器供电。与竞争解决方案相比,PGA411-Q1具有150mA输出电流和可编程(10V-17V)升压电源,可使PCB尺寸减少60%。PGA411-Q1的可编程性和灵活性使设计人员可以使用各种旋转变压器。PGA411-Q1利用模拟乘法和减法及Type-II PI数字跟踪环路,进行角度和速度计算,而无需使用模数转换器。对于各种评估方法,该设计支持SPI接口(8MHz,3.3V I/O)、并行(12位)接口和ABZ / UVW编码器仿真输出接口。
  • EMC合规性。参考设计对IEC 61000-4-2,4-4和4-5(ESD,EFT和浪涌)进行了全面测试,其符合IEC 61800-3标准“可调速度和电功率驱动系统——第3部分:EMC要求和特定测试方法“中规定的测试级别和性能标准。设计符合这些标准,并且根据IEC 61800-3 EMC抗干扰要求超出两倍的电压要求。参见表1。  

 

 

 

1:根据IEC618000-3TIDA-00363 EMC抗扰度测试结果

 

  • 易于实时评估TI参考设计。使用TMS320F28069M微控制器上的示例固件,评估TMS320F28069M InstaSPIN-MOTION™ LaunchPad开发套件参考设计的性能。角度数据可通过USB虚拟COM端口,以16kHz采样率进行角度读取和寄存器配置。
  • 能够测量角度步进响应。许多驱动应用具有角度的动态变化;RDC应该能够响应这些变化。RDC参考设计针对两个小角度阶跃响应(1度和5度)进行测试。图2所示为1度变化的阶跃响应。角度在938μs内稳定到所需角度。

 

 

21度角度变化的阶跃响应

 

  • 测量的角度精度。角度精度测试使用两种励磁电压模式,7Vrms和4Vrms。图3所示为精度图。无论用于激励的模式和电压如何,角度精度都优于±2.5最低有效位(LSB)。

 

  

37Vrms4Vrms激励模式下的角度误差

 

  • 集成的灵活诊断。故障检测和诊断在定义电动机驱动安全方面起着至关重要的作用。 PGA411-Q1集成了故障检测功能,与市场上现有的离散解决方案相比,其提供了广泛的诊断覆盖范围。除此之外,现有解决方案使用固定的阈值进行诊断。这些固定阈值通常随系统而变化或移动。PGA411-Q1使您能够在4位分辨率内微调传感器输入和输出线路故障。最重要的故障与旋转变压器断开(旋转变压器的激励信号或正弦或余弦信号的开路、短路或接地错误)有关。这在RDC到主机处理器的串行接口上显示为错误。在图4中,这些潜在故障以红色突出显示。我们在TI根据这些故障完整测试了参考设计,而PGA411-Q1通过串行接口成功识别并报告了每个故障。

 

4:与旋转变压器和RDC相关的重要故障

 

解决了RDC应用的许多挑战,本参考设计提供了高度集成的EMC兼容解决方案,可轻松实时评估。

 

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