旋轉(zhuǎn)變壓器的取舍以及如何通過數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片降低信號鏈誤差？

一般來說電機(jī)是沒辦法直接傳遞位置信號和速度信號的，如果想要準(zhǔn)確地獲取電機(jī)角度信息和速度信息來完成高精度的控制就必須依賴于采集角度的傳感器件。這一類器件里有很多很多不同原理不同特性的傳感，光電編碼、霍爾傳感等等。旋轉(zhuǎn)變壓器也是其中一種。

旋轉(zhuǎn)變壓器是一類很常見的角位置傳感器，在伺服電機(jī)、PMSM電機(jī)應(yīng)用中提供位置和速度反饋。如果從機(jī)械設(shè)備的角度看，旋轉(zhuǎn)變壓器由靜止的定子和可移動的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，從電氣角度來看，它可以看作由為轉(zhuǎn)子供電的變壓器和用于測定角度的輔助變壓器構(gòu)成。在工業(yè)環(huán)境中旋轉(zhuǎn)變壓器的信號輸出可以不受振動粉塵油污的影響，適合在惡劣環(huán)境下使用，另外旋轉(zhuǎn)變壓器能提供單圈的絕對位置，但需要額外的電子裝置進(jìn)行信號處理和記錄旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器在機(jī)器人應(yīng)用上都很常見，在筆者見過的大部分KUKA、ABB機(jī)器人的伺服電機(jī)上都配備了旋轉(zhuǎn)變壓器。

電氣角度下的旋轉(zhuǎn)變壓

上面說到，從電氣角度看，旋轉(zhuǎn)變壓器由為轉(zhuǎn)子供電的變壓器和用于測定角度的輔助變壓器構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)變壓器的第一個變壓器采用同心設(shè)計，在功能上與電機(jī)運(yùn)動的角度值無關(guān)。第二個變壓器會隨電機(jī)運(yùn)動的角度變化，由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成。這兩個變壓器元件的繞組設(shè)計會使凹槽中的繞組數(shù)量與正弦值相對應(yīng)。

如果給轉(zhuǎn)子繞組通電，則產(chǎn)生正弦磁通量，它將以轉(zhuǎn)子和定子相對角度位置函數(shù)的形式在定子線圈中產(chǎn)生電壓。兩個電壓的振幅對應(yīng)于正弦或余弦。因此，可以使用合適的求值電路獲取絕對角度數(shù)據(jù)。

（圖源：Jamagawa）

旋轉(zhuǎn)變壓器的極對數(shù)表示了轉(zhuǎn)子和定子繞組的正弦分布在一次旋轉(zhuǎn)中的重復(fù)頻率。極對數(shù)越高，旋轉(zhuǎn)變壓器的機(jī)械精度越高。對于多極對，絕對角度數(shù)據(jù)可能會丟失，但在對旋轉(zhuǎn)變壓器信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換后，會獲得更高的分辨率。

旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器的取舍

二者作為角位置傳感器，都是通過將機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電信號來測量軸的旋轉(zhuǎn)位置。編碼器提供的是數(shù)字輸出信號，而旋轉(zhuǎn)變壓器提供的是模擬輸出信號，因此需要旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出要進(jìn)行軸角－數(shù)字轉(zhuǎn)換。與編碼器相比，旋轉(zhuǎn)變壓器在極端環(huán)境條件（如高溫以及沖擊和振動）下更加可靠，這也是為什么在很多環(huán)境相對嚴(yán)苛的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用里旋轉(zhuǎn)變壓器出場率很高的原因。

（圖源：TE）

旋轉(zhuǎn)變壓器可以用作增量和絕對編碼器的替代品，但這個取舍還是取決于應(yīng)用場合，一是環(huán)境條件，而是系統(tǒng)的控制電子裝置。雖然旋轉(zhuǎn)變壓器更適合嚴(yán)苛的環(huán)境，但是編碼器不可否認(rèn)的具有高精度，并且集成到控制電子裝置的過程相對來說也不那么復(fù)雜。

數(shù)字轉(zhuǎn)換成為旋轉(zhuǎn)變壓器

上面說到的兩個方向，都提到了一個詞，旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字轉(zhuǎn)換需要用到RDC，也就是旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器。旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器在旋變器和系統(tǒng)主控芯片之間實現(xiàn)連接，采用旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正弦和余弦信號解碼電機(jī)軸的角位置和旋轉(zhuǎn)速度。

（圖源：TI）

大部分的旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換會采用Type-II跟蹤環(huán)路計算位置和速度。RDC同步采樣兩路輸入信號，提供數(shù)字化數(shù)據(jù)給跟蹤環(huán)路。在很多工業(yè)應(yīng)用場景中，噪聲環(huán)境會極大影響RDC采集的數(shù)據(jù)，在正弦和余弦信號上出現(xiàn)高頻噪聲。如果出現(xiàn)這種情況，可以在靠近RDC的地方放置一個差分低通濾波器，即便是最簡單的差分低通濾波器也可以有效抑制高頻噪聲。

小結(jié)

旋轉(zhuǎn)變壓器和旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器一同使用時，可以給電機(jī)控制應(yīng)用提供高精度和穩(wěn)定的位置/速度測量信息，泛一點說是對電機(jī)控制能力極大地增強(qiáng)。但是我們也看到了這個精準(zhǔn)的測量必須考慮到所有可能的誤差，在信號鏈的設(shè)計上盡量規(guī)避誤差的產(chǎn)生。