高效的電機(jī)控制是電動(dòng)汽車(chē)必不可少的部分，電動(dòng)汽車(chē)一般采用永磁交流電機(jī)（PMAC）或感應(yīng)電機(jī)。這兩種類(lèi)型都有優(yōu)點(diǎn)，也有取舍。

PMAC 電機(jī)可以使用旋轉(zhuǎn)變壓器或編碼器。分解器將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為與絕對(duì)旋轉(zhuǎn)位置有關(guān)的電氣信息。它由一個(gè)初級(jí)繞組和兩個(gè)次級(jí)繞組組成。次級(jí)繞組相對(duì)于彼此成 90 度角位于定子上，而初級(jí)繞組位于轉(zhuǎn)子上。測(cè)量精度的缺乏直接影響電機(jī)的效率。其他類(lèi)型的電機(jī)，例如可變磁阻，在定子上具有所有三個(gè)繞組。

當(dāng)在初級(jí)繞組上施加勵(lì)磁電流時(shí)，正弦/余弦次級(jí)繞組將輸出相同頻率的信號(hào)，同時(shí)相位相差 90 度。您可以使用兩個(gè)次級(jí)繞組的大小來(lái)計(jì)算軸相對(duì)于定子的準(zhǔn)確位置。

圖 1 顯示了帶有 ALM2402F-Q1 的基于旋轉(zhuǎn)變壓器的電路示例。

圖 1：使用 ALM2402F-Q1 的基于旋轉(zhuǎn)變壓器的電路 

精密測(cè)量的關(guān)鍵規(guī)格

旋轉(zhuǎn)變壓器的性能很大程度上取決于組件的選擇。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)線圈具有低輸入阻抗（低至 100 Ω），因此通常需要?jiǎng)?lì)磁驅(qū)動(dòng)器具有高輸出電流能力，以便在初級(jí)繞組上產(chǎn)生大電壓。這可以通過(guò)分立解決方案實(shí)現(xiàn)——選擇運(yùn)算放大器（op amp）和雙極結(jié)型晶體管，將所需的驅(qū)動(dòng)電流提高到 200 mA 以上。但是，諸如 ALM2402F-Q1 之類(lèi)的集成解決方案可提供更好的失調(diào)電壓匹配，從而提高精度，從而提供更好的效率。 

表 1 列出了基于旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用的典型要求。

表 1：基于旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)量的典型參數(shù)

選擇合適的設(shè)備來(lái)驅(qū)動(dòng)初級(jí)線圈的關(guān)鍵任務(wù)之一是確保激勵(lì)放大器的最小壓擺率，從而避免壓擺引起的失真。公式 1 將激勵(lì)電壓計(jì)算為正弦/余弦幅度與衰減之比：

(3.3/0.4) = 8.25 Vp-p (1)

公式 2 表示避免失真的最小壓擺率：

SR = 2 * π * Vp * f = [(2 * 3.14 * (8.25 / 2) * 20000)] / 1E6 (2)

公式 2 產(chǎn)生 0.52 V/μs。

圖 2 顯示了激勵(lì)放大器所需的最小壓擺率。

圖 2：激勵(lì)放大器所需的最小壓擺率與頻率的關(guān)系

 基于旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)量方法

旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種常用方法：帶有微控制器 (MCU) 的基于軟件的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (RDC) 和集成電路 RDC。MCU 生成脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)，該信號(hào)被調(diào)制為正弦波。然后有源低通濾波器濾除 PWM 載波頻率并去除系統(tǒng)中不需要的諧波，只留下初級(jí)電路的激勵(lì)頻率分量。有源高通濾波器去除直流偏移。

一旦信號(hào)被濾除，就需要使用高輸出電流放大器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這也可以通過(guò)使用低噪聲運(yùn)算放大器（如 OPA2197）以及 BJT 晶體管或集成雙功率放大器（如 ALM2402F 雙運(yùn)放）的分立解決方案實(shí)現(xiàn)放大器 ALM2402F 不僅提供高輸出電流 (400 mA)，還提供熱關(guān)斷和電流限制，以及集成的過(guò)熱故障標(biāo)志。

另一個(gè)感興趣的領(lǐng)域是上述電路的模擬前端部分，它包括三個(gè)差分放大器。第一個(gè)放大器監(jiān)控激勵(lì)放大器的輸出，以檢測(cè)由低通濾波器（通過(guò) MCU）引起的相位滯后，或可能由激勵(lì)放大器引起的故障條件。另外兩個(gè)放大器用于緩沖來(lái)自旋轉(zhuǎn)變壓器次級(jí)繞組的正弦和余弦信號(hào)。圖 3 顯示了一個(gè)示例，它代表了基于旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用的典型模擬前端。

圖 3：典型的旋轉(zhuǎn)變壓器前端

設(shè)計(jì)一個(gè)好的差分放大器的關(guān)鍵是用于增益控制的外部電阻的匹配。雖然 OPA2197-Q1 等分立運(yùn)算放大器提供非常好的直流性能（低輸入失調(diào)電壓和漂移），但共模抑制將取決于電阻匹配。一對(duì) 0.005% 匹配電阻達(dá)到 86 dB。

小號(hào)afety（ASIL）要求

設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)變壓器電路的另一個(gè)重要方面是需要遵守功能安全標(biāo)準(zhǔn)。盡管許多行業(yè)有多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，但汽車(chē)硬件工程師必須遵守國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 26262 安全要求，以支持汽車(chē)安全完整性等級(jí) (ASIL) A 至 ASIL D。ASIL 是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向等應(yīng)用設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分、變速箱、制動(dòng)系統(tǒng)和高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)。遵守功能安全標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)是在發(fā)生故障時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)。如果電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，電路的功能安全部分可以檢測(cè)到故障情況并做出相應(yīng)的響應(yīng)以解決問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)安全電路的一種方法是在旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)電路的勵(lì)磁部分使用兩個(gè)組件作為冗余。一個(gè)集成的，例如 ALM2402F-Q1，

近年來(lái)，旋轉(zhuǎn)變壓器變得越來(lái)越流行，因?yàn)樗鼈兛梢栽趷毫拥沫h(huán)境中運(yùn)行、耐高溫并提供準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。然而，選擇電子元件需要格外小心，因?yàn)樗鼈兺ǔＥc旋轉(zhuǎn)變壓器本身相距一段距離，這使得抗噪性和共模抑制比對(duì)于實(shí)現(xiàn)理想的性能至關(guān)重要。