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提高电机驱动中HEVEV旋转变压器的效率

来源: 21ic
2021-11-25
类别:基础知识
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文章创建人 拍明芯城

原标题:提高电机驱动中HEVEV旋转变压器的效率

  高效的电机控制是电动汽车必不可少的部分,电动汽车一般采用永磁交流电机(PMAC)或感应电机。这两种类型都有优点,也有取舍。

  PMAC 电机可以使用旋转变压器或编码器。分解器将机械运动转换为与绝对旋转位置有关的电气信息。它由一个初级绕组和两个次级绕组组成。次级绕组相对于彼此成 90 度角位于定子上,而初级绕组位于转子上。测量精度的缺乏直接影响电机的效率。其他类型的电机,例如可变磁阻,在定子上具有所有三个绕组。

  当在初级绕组上施加励磁电流时,正弦/余弦次级绕组将输出相同频率的信号,同时相位相差 90 度。您可以使用两个次级绕组的大小来计算轴相对于定子的准确位置。

  图 1 显示了带有 ALM2402F-Q1 的基于旋转变压器的电路示例。

  

提高 电机驱动中HEVEV 旋转变压器的效率


  图 1:使用 ALM2402F-Q1 的基于旋转变压器的电路

  精密测量的关键规格

  旋转变压器的性能很大程度上取决于组件的选择。由于旋转变压器的初级线圈具有低输入阻抗(低至 100 Ω),因此通常需要励磁驱动器具有高输出电流能力,以便在初级绕组上产生大电压。这可以通过分立解决方案实现——选择运算放大器(op amp)和双极结型晶体管,将所需的驱动电流提高到 200 mA 以上。但是,诸如 ALM2402F-Q1 之类的集成解决方案可提供更好的失调电压匹配,从而提高精度,从而提供更好的效率。

  表 1 列出了基于旋转变压器的应用的典型要求。

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  表 1:基于旋转变压器的测量的典型参数

  选择合适的设备来驱动初级线圈的关键任务之一是确保激励放大器的最小压摆率,从而避免压摆引起的失真。公式 1 将激励电压计算为正弦/余弦幅度与衰减之比:

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

  公式 2 表示避免失真的最小压摆率:

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

  公式 2 产生 0.52 V/μs。

  图 2 显示了激励放大器所需的最小压摆率。

  

提高 电机驱动中HEVEV 旋转变压器的效率


  图 2:激励放大器所需的最小压摆率与频率的关系

  基于旋转变压器的测量方法

  旋转变压器有两种常用方法:带有微控制器 (MCU) 的基于软件的旋转变压器数字转换器 (RDC) 和集成电路 RDC。MCU 生成脉冲宽度调制 (PWM) 信号,该信号被调制为正弦波。然后有源低通滤波器滤除 PWM 载波频率并去除系统中不需要的谐波,只留下初级电路的激励频率分量。有源高通滤波器去除直流偏移。

  一旦信号被滤除,就需要使用高输出电流放大器进行调节,这也可以通过使用低噪声运算放大器(如 OPA2197)以及 BJT 晶体管或集成双功率放大器(如 ALM2402F 双运放)的分立解决方案实现放大器 ALM2402F 不仅提供高输出电流 (400 mA),还提供热关断和电流限制,以及集成的过热故障标志。

  另一个感兴趣的领域是上述电路的模拟前端部分,它包括三个差分放大器。第一个放大器监控激励放大器的输出,以检测由低通滤波器(通过 MCU)引起的相位滞后,或可能由激励放大器引起的故障条件。另外两个放大器用于缓冲来自旋转变压器次级绕组的正弦和余弦信号。图 3 显示了一个示例,它代表了基于旋转变压器的应用的典型模拟前端。

  

提高 电机驱动中HEVEV 旋转变压器的效率


  图 3:典型的旋转变压器前端

  设计一个好的差分放大器的关键是用于增益控制的外部电阻的匹配。虽然 OPA2197-Q1 等分立运算放大器提供非常好的直流性能(低输入失调电压和漂移),但共模抑制将取决于电阻匹配。一对 0.005% 匹配电阻达到 86 dB。

  小号afety(ASIL)要求

  设计旋转变压器电路的另一个重要方面是需要遵守功能安全标准。尽管许多行业有多项标准,但汽车硬件工程师必须遵守国际标准化组织 26262 安全要求,以支持汽车安全完整性等级 (ASIL) A 至 ASIL D。ASIL 是电动助力转向等应用设计的关键部分、变速箱、制动系统和高级驾驶员辅助系统。遵守功能安全标准的重点是在发生故障时降低风险。如果电机控制系统发生故障,电路的功能安全部分可以检测到故障情况并做出相应的响应以解决问题。实现安全电路的一种方法是在旋转变压器内电路的励磁部分使用两个组件作为冗余。一个集成的,例如 ALM2402F-Q1,

  近年来,旋转变压器变得越来越流行,因为它们可以在恶劣的环境中运行、耐高温并提供准确的测量结果。然而,选择电子元件需要格外小心,因为它们通常与旋转变压器本身相距一段距离,这使得抗噪性和共模抑制比对于实现理想的性能至关重要。


责任编辑:David

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