CN101521480A - 一种旋转变压器信号解算方法及解算器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转变压器信号解算方法及解算器，采集电机的转角信号并设立正弦表，采样当前低频正弦信号和低频余弦信号，将转子的角度位置划分为四个象限，确定转子位置所属象限；根据低频正弦信号及转子位置查正弦表并判断转子旋转方向。正弦激励信号发生器连接旋转变压器和差分信号转换器，旋转变压器反馈的正弦差分信号经差分信号转换器后与参考信号一起输入到精密绝对值加法器，经低通滤波器后输入数字信号处理器；旋转变压器反馈的另一路余弦差分信号经另一差分信号转换器后与经反相器的正弦激励信号一同输入精密绝对值加法器，经低通滤波器后输入数字信号处理器。本发明极大的减小了成本，能够对输入信号进行精确采样与转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转变压器信号解算方法，还涉及采用该方法的一种解算器。
背景技术
高性能无齿轮减速式(也称直接驱动)旋转伺服系统的关键之一是如何精确测量伺服电机输出轴的角度位置，常用的测角度传感器有绝对式光栅编码器、霍尔传感器和旋转变压器。绝对式光栅编码器直接将转轴角度转换成数字信号，应用简单方便，但因环境适应性、价格等因素致使难以广泛应用；霍尔传感器结构简单，但难以达到高精度角度测量要求而受到限制；旋转变压器因结构可靠、实时性好、环境适应性强等优点而广泛应用于高精度伺服系统中。
旋转变压器是一种可用于测量旋转装置转子角度的传感器，但其输出为包含转子位置信息的模拟量，需要旋转变压器数字转换器(简称RDC)处理成相应的数字信号才能与DSP等数字伺服控制器联接。
目前，对旋转变压器的输出信号进行解算的方法分为两种：第一种采用专用旋转变压器解算芯片，即RDC，这类芯片大都以鉴幅方式对正-余弦信号进行解调，实现对转子位置信息数字转换，专用的解算芯片虽然能达到较高的精度，但其价格昂贵，难以在成本低的高精度伺服系统中广泛使用；第二种将旋转变压器反馈信号直接送入模数转换器，然后再通过软件解调算法实现转子位置信息的数字转换，这种方法原理简单，但旋转变压器为保证测量速度于精度，其反馈信号频率要求在10kHz以上，对模数转换器的转换速率以及软件解调速率要求更高(通常需要在1MHz)，从而导致器件成本大大增加。
发明内容
为了克服现有技术价格昂贵、成本较高的不足，本发明提供一种应用于高精度伺服系统中的旋转变压器信号解算方法，它通过对旋转变压器的输出进行实时调理，输出数字信号处理器可识别的信号，然后通过数字信号处理器解算出转子实际位置，同时能够判断出转子的旋转方向，既满足了伺服系统高精度的要求，又极大的降低了成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
1)整周转动电机，采集电机的转角信号，得出转角信号波形的波峰和波谷的数值，设立0～1/4周期的正弦表，其幅值为N1～N2，其中N1为波峰和波谷数值的平均值，N2为波峰的数值，对应的角度为0～90°，以备查表计算。
2)采样当前低频正弦信号Us(θ)和低频余弦信号Uc(θ)并将这两个角度值转换为数字量分别为X、Y，同时将当前X、Y分别保存备份为X_bak和Y_bak，与下一次采样结果比较进而判断转子旋转方向。
3)将转子的角度位置θ划分为四个象限，分别是0～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°，根据数字信号X、Y确定转子位置所属象限：
当N1<X≤N2且0<Y≤N1时，转子位置θ落在0～90°范围内；
当N1<X≤N2且N1<Y≤N2时，转子位置θ落在90°～180°范围内；
当0<X≤N1且N1<Y≤N2时，转子位置θ落在180°～270°范围内；
当0<X≤N1且0<Y≤N1时，转子位置θ落在270°～360°范围内。
4)根据X及转子位置θ的范围查正弦表：
当0<θ≤90°时，根据X值查到正弦表所对应的角度即为转子当前位置；
当90°<θ≤180°时，根据X值查到正弦表所对应的角度再被180°减去后的结果即为转子当前位置；
当180°<θ≤270°时，用X加上N1后的结果查找正弦表，查找后所对应的角度再被270°即为转子当前位置；
当270°<θ≤360°时，用X加上N1后的结果查找正弦表，查找后所对应的角度再被360°即为转子当前位置。
5)转子旋转方向判断：用当前的采样结果与上一次进行比较，即ΔX＝X-X_bak，ΔY＝Y-Y_bak，对ΔX，ΔY和转子位置角度θ进行判断：
当0<θ≤90°时，若ΔX>0，ΔY>0，则电机正转，若ΔX<0，ΔY<0则电机反转；
当90°<θ≤180°时，若ΔX<0，ΔY>0，则电机正转，若ΔX>0，ΔY<0则电机反转；
当180°<θ≤270°时，若ΔX<0，ΔY<0，则电机正转，若ΔX>0，ΔY>0则电机反转；
当270°<θ≤360°时，若ΔX>0，ΔY<0，则电机正转，若ΔX<0，ΔY>0则电机反转。
本发明所述的解算器包括旋转变压器的正弦激励信号发生器、差分信号转换器、精密绝对值加法器、反相器和低通滤波器以及数字信号处理器。旋转变压器正弦激励信号发生器产生高频的正弦波差分信号，一方面作为旋转变压器的输入激励，使旋转变压器产生出包含转子位置信息的反馈信号，另一方面正弦信号经过差分信号转换器后输出单端信号，作为后续调理的参考信号；旋转变压器的输出信号分别是带有转子转角位置信息的一路正弦差分信号和一路余弦差分信号，其频率与激励信号相同，幅值随转子角度的变化而改变。旋转变压器反馈回来的正弦差分信号经过差分信号转换器后输出单端正弦信号，该信号与参考信号一起输入到精密绝对值加法器进行叠加，输出的信号经过低通滤波器后最终输入到数字信号处理器的模拟输入引脚；旋转变压器反馈回的另一路余弦差分信号同样经过另一差分信号转换器后输出单端余弦信号，它与经过反相器的正弦激励信号一同输入到精密绝对值加法器进行叠加，输出的信号经过低通滤波器后最终输入到数字信号处理器的另一模拟输入引脚。数字信号处理器对两路模拟信号进行采样，通过固化在数字信号处理器上的程序解算出转子的位置和旋转的方向，从而实现对无刷直流电机的精确控制。
本发明的有益效果是：本发明可将旋转变压器的输出信号进行调理成数字信号处理器能够识别的低频模拟信号，再由固化在数字信号处理器的程序求出电机转子位置以及确定转子的旋转方向，从而完成了对旋转变压器的解算。
本发明的特点在于(1)调理旋转变压器信号的差分信号转换器，精密绝对值加法器，反相器和低通滤波器均由运算放大器及电阻电容等分立元件组成，无需加专用解算芯片，极大的减小了成本；(2)旋转变压器信号调理电路将高频的正余弦输出信号经过低通滤波器后去除了高频成分，只输出与转子位置有关的低频信号，使得微处理器能够对输入的模拟信号进行精确采样与转换。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明所述解算器的结构示意图；
图中，1-旋转变压器；2-正弦激励信号发生器；3-差分信号转换器一；4-差分信号转换器二；5-差分信号转换器三；6-反相器；7-精密绝对值加法器一；8-精密绝对值加法器二；9-低通滤波器一；10-低通滤波器二；11-数字信号处理器。
具体实施方式
方法实施例，包括以下步骤：
1)整周转动电机，采集安装在电机轴上的旋转变压器反馈的转角信号，得出转角信号波形的波峰和波谷的数值，波峰的数值为4095，波谷的数值0，在数字信号处理器11中存放0～1/4周期的正弦表，其幅值为2048～4095，对应的角度为0～90°，以备查表并做插值计算。
2)采样当前低频正弦信号Us(θ)和低频余弦信号Uc(θ)并将这两个角度值转换为数字量分别为X、Y，同时将当前X、Y分别保存备份为X_bak和Y_bak，与下一次采样结果比较进而判断转子旋转方向。
3)将转子的角度位置θ划分为四个象限，分别是0～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°，根据数字信号X、Y确定转子位置所属象限：
当2048<X≤4095且0<Y≤2048时，转子位置θ落在0～90°范围内；
当2048<X≤4095且2048<Y≤4095时，转子位置θ落在90°～180°范围内；
当0<X≤2048且2048<Y≤4095时，转子位置θ落在180°～270°范围内；
当0<X≤2048且0<Y≤2048时，转子位置θ落在270°～360°范围内。
4)根据X及转子位置θ的范围查正弦表：
当0<θ≤90°时，根据X值查到正弦表所对应的角度即为转子当前位置；
当90°<θ≤180°时，根据X值查到正弦表所对应的角度再被180°减去后的结果即为转子当前位置；
当180°<θ≤270°时，用X加上2048后的结果查找正弦表，查找后所对应的角度再被270°即为转子当前位置；
当270°<θ≤360°时，用X加上2048后的结果查找正弦表，查找后所对应的角度再被360°即为转子当前位置。
5)转子旋转方向判断：用当前的采样结果与上一次进行比较，即ΔX＝X-X_bak，ΔY＝Y-Y_bak，对ΔX，ΔY和转子位置角度θ进行判断：
当0<θ≤90°时，若ΔX>0，ΔY>0，则电机正转，若ΔX<0，ΔY<0则电机反转；
当90°<θ≤180°时，若ΔX<0，ΔY>0，则电机正转，若ΔX>0，ΔY<0则电机反转；
当180°<θ≤270°时，若ΔX<0，ΔY<0，则电机正转，若ΔX>0，ΔY>0则电机反转；
当270°<θ≤360°时，若ΔX>0，ΔY<0，则电机正转，若ΔX<0，ΔY>0则电机反转。
装置实施例：
本发明包括有正弦波信号发生器2、差分信号转换器一3、差分信号转换器二4和差分信号转换器三5，精密绝对值加法器一7和精密绝对值加法器二8，反相器6，低通滤波器一9、低通滤波器二10以及数字信号处理器11。
本发明中正弦激励信号发生器2产生频率为18kHz的正弦波差分信号UR+(t)和UR-(t)作为励磁信号并输入到旋转变压器1原边，假设电机转子位置为θ，则旋转变压器1副边输出的正弦差分信号为Us+(t，θ)和Us-(t，θ)，旋转变压器1副边输出的余弦差分信号为Uc+(t，θ)和Uc-(t，θ)。
差分信号转换器3将旋转变压器1副边输出的正弦差分信号Us+(t，θ)和Us-(t，θ)变为单端正弦信号Us(t，θ)＝U sin(ωt)sin(θ)。
差分信号转换器4将旋转变压器1副边输出的余弦差分信号Uc+(t，θ)和Uc-(t，θ)转变为单端余弦信号Uc(t，θ)＝U sin(ωt)cos(θ)。
差分信号转换器5将正弦波信号发生器2产生的正弦差分信号UR+(t)和UR-(t)转变为单端正弦参考信号UR(t)＝U sin(ωt)。
差分信号转换器3输出的单端正弦信号Us(t，θ)与差分信号转换器4输出的参考信号UR(t)输入到精密绝对值加法电路7，进行叠加并得到输出信号UR(t)+Us(t，θ)。
差分信号转换器4输出的单端正弦信号Us(t，θ)与差分信号转换器5输出的参考信号UR(t)经过反相器6后的信号输入到精密绝对值加法电路8，进行叠加并得到输出信号UR(t)-Uc(t，θ)。
精密绝对值加法电路7输出的信号输入到低通滤波器9，低通滤波器9滤除输入信号UR(t)+Us(t，θ)中的高频部分，输出只与转子位置有关的低频正弦信号Us(θ)＝U sin(θ)+1，其幅值在0～3v范围内变化。
精密绝对值加法电路8输出的信号输入到低通滤波器10，低通滤波器10滤除输入信号UR(t)-Uc(t，θ)中的高频部分，输出只与转子位置有关的低频余弦信号Uc(θ)＝-U cos(θ)+1，其幅值在0～3v范围内变化。
低通滤波器9与10的输出信号直接送入数字信号处理器11的模拟输入引脚AN1和AN2，数字信号处理器可使用TMS320系列的芯片如TMS320F2812等。数字信号处理器11对输入的两路模拟信号进行采样转换成数字信号，由固化在其中的的程序进行解算，
通过上述的外围硬件电路可将旋转变压器的输出信号进行调理成数字信号处理器能够识别的低频模拟信号，再由固化在数字信号处理器的程序求出电机转子位置以及确定转子的旋转方向，从而完成了对旋转变压器的解算。对于大多数高精度伺服系统而言，电机转速一般小于30000转/分，假设旋转变压器为一对极，电机转速为30000转/分，则通过上述硬件电路调理后最终输入到微处理器的低频模拟信号频率约为500Hz，而数字信号处理器的A/D采样频率可以达到该信号的几百倍甚至上千倍，程序采用查表法避免了复杂的数学运算，运行时间可在几微秒内完成，足以满足实时性的要求。
Claims (2)
1、一种旋转变压器信号解算方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)整周转动电机，采集电机的转角信号，得出转角信号波形的波峰和波谷的数值，设立0～1/4周期的正弦表，其幅值为N1～N2，其中N1为波峰和波谷数值的平均值，N2为波峰的数值，对应的角度为0～90°，以备查表计算；
(b)采样当前低频正弦信号Us(θ)和低频余弦信号Uc(θ)并将这两个角度值转换为数字量分别为X、Y，同时将当前X、Y分别保存备份为X_bak和Y_bak，与下一次采样结果比较进而判断转子旋转方向；
(c)将转子的角度位置θ划分为四个象限，分别是0～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°，根据数字信号X、Y确定转子位置所属象限：
当N1<X≤N2且0<Y≤N1时，转子位置θ落在0～90°范围内；
当N1<X≤N2且N1<Y≤N2时，转子位置θ落在90°～180°范围内；
当0<X≤N1且N1<Y≤N2时，转子位置θ落在180°～270°范围内；
当0<X≤N1且0<Y≤N1时，转子位置θ落在270°～360°范围内；
(d)根据X及转子位置θ的范围查正弦表：
当0<θ≤90°时，根据X值查到正弦表所对应的角度即为转子当前位置；
当90°<θ≤180°时，根据X值查到正弦表所对应的角度再被180°减去后的结果即为转子当前位置；
当180°<θ≤270°时，用X加上N1后的结果查找正弦表，查找后所对应的角度再被270°减去后的结果即为转子当前位置；
当270°<θ≤360°时，用X加上N1后的结果查找正弦表，查找后所对应的角度再被360°减去后的结果即为转子当前位置；
(e)转子旋转方向判断：用当前的采样结果与上一次进行比较，即ΔX＝X-X_bak，ΔY＝Y-Y_bak，对ΔX，ΔY和转子位置角度θ进行判断：
当0<θ≤90°时，若ΔX>0，ΔY>0，则电机正转，若ΔX<0，ΔY<0则电机反转；
当90°<θ≤180°时，若ΔX<0，ΔY>0，则电机正转，若ΔX>0，ΔY<0则电机反转；
当180°<θ≤270°时，若ΔX<0，ΔY<0，则电机正转，若ΔX>0，ΔY>0则电机反转；
当270°<θ≤360°时，若ΔX>0，ΔY<0，则电机正转，若ΔX<0，ΔY>0则电机反转。
2、一种实现权利要求1所述旋转变压器信号解算方法的解算器，包括正弦激励信号发生器、差分信号转换器、精密绝对值加法器、反相器和低通滤波器以及数字信号处理器，其特征在于：正弦激励信号发生器产生高频的正弦波差分信号，一方面作为旋转变压器的输入激励，使旋转变压器产生出包含转子位置信息的反馈信号，另一方面正弦信号经过差分信号转换器后输出单端信号，作为后续调理的参考信号；旋转变压器的输出信号分别是带有转子转角位置信息的一路正弦差分信号和一路余弦差分信号，其频率与激励信号相同，幅值随转子角度的变化而改变；旋转变压器反馈回来的正弦差分信号经过差分信号转换器后输出单端正弦信号，该信号与参考信号一起输入到精密绝对值加法器进行叠加，输出的信号经过低通滤波器后最终输入到数字信号处理器的模拟输入引脚；旋转变压器反馈回的另一路余弦差分信号同样经过另一差分信号转换器后输出单端余弦信号，它与经过反相器的正弦激励信号一同输入到精密绝对值加法器进行叠加，输出的信号经过低通滤波器后最终输入到数字信号处理器的另一模拟输入引脚；数字信号处理器对两路模拟信号进行采样，解算出转子的位置和旋转的方向，从而实现对无刷直流电机的精确控制。
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