CN101865651A - 一种旋转变压器角度信号解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明是属于传感器测量技术领域，涉及一种旋转变压器角度信号解码方法，包括：连续采集旋转变压器的两路输出信号u_cos(k)和u_sin(k)；构造复数数字信号序列：u_complex(k)＝u_cos(k)+i·u_sin(k)，k＝0，2，...，N；设f_l表示频率域的离散自变量，则傅立叶变换复数序列的解析表达式为：，其中，；在傅立叶变换复数序列中找到fl＝fm处的取值U_complex(f_m)，然后计算U_complex(fm)的复数角，即得到位置信号θ值。本发明具有易于实现鲁棒性好的优点。

Description

一种旋转变压器角度信号解码方法

技术领域

本发明是属于传感器测量技术领域，涉及一种旋转变压器角度信号解码方法。

背景技术

旋转变压器作为一种角度检测元件，具有精度高、结构简单，抗干扰能力强，已经广泛应用于环境恶劣而精度要求高的场合下的角度测量。

由于旋转变压器的输出实际上是调制了角度信息的载波信号，因此从中提取角度信号需要设计旋转变压器角度信号解码方法。目前的解码方法都是在信号的时间域内设计算法，例如在峰值处采样，然后利用求反正切的方法来计算角度等等，存在着易于受干扰影响，鲁棒性差等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，提出一种易于实现鲁棒性好的基于旋转变压器的角度信号解码方法。本发明采用如下的技术方案：

一种旋转变压器角度信号解码方法，包括下列步骤：

(1)设旋转变压器的励磁信号为u_in(t)＝U_incos(2πf_int)，其两路输出信号分别为u_cos(t)＝KU_incos(2πf_int)cos(θ)和u_sin(t)＝KU_incos(2πf_int)sin(θ)，其中，t表示时间，θ为角度信号，f_in为励磁信号u_in(t)的频率，U_in为励磁信号的幅值，K为由旋转变压器的结构确定的变比常数；取采样频率f_s＝nf_in，n为大于2的正整数，对u_cos(t)和u_sin(t)两路输出信号连续采集N次，令N＝n*m，m为大于2的正整数，得到如下的两路数字输出信号：u_cos(k)＝KU_incos(2πk/n)cos(θ)和

u_sin(k)＝KU_incos(2πk/n)sin(θ)；

(2)利用u_cos(k)和u_sin(k)构造复数数字信号序列：u_complex(k)＝u_cos(k)+i·u_sin(k)，k＝0，1，2，...，N-1；

(3)对复数数字信号序列u_complex(k)进行离散傅里叶变换，得到一个长度为N的复数序列，当N为奇数时，该复数序列可表示为：

U_complex(f_-L)，......U_complex(f₀)，......，U_complex(f_L)，其中L＝(N-1)/2，

当N为偶数时，该复数序列可表示为：

U_complex(f_-L)，......U_complex(f₀)，......，U_complex(f_L-1)，其中L＝(N)/2；

设f_l表示频率域的离散自变量，f_l的代表的实际频率值由公式

计算，则傅立叶变换复数序列的解析表达式为：

$U_{\mathrm{complex}}\left(f_l\right)=\frac{{\mathrm{KU}}_{\mathrm{in}}}{N}(\mathrm{ocs}\left(\mathrm{\θ}\right)+i\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right))\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k(l-m)}+e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k(l+m)}]$

(4)当l＝m时，U_complex(f_l＝f_m)＝KU_in(cos(θ)+i·sin(θ))，在傅立叶变换复数序列中找到f_l＝f_m处的取值U_complex(f_m)，然后计算U_complex(f_m)的复数角，即得到位置信号θ值。

由于在实际应用过程中各种干扰往往对信号的时域幅度信息影响较大，例如脉冲干扰，载波信号畸变等等，而对信号的频率特性影响不明显。利用这个特点，本发明提出一种基于傅立叶变换的旋转变压器角度信号解码的方法，首先把旋转变压器的输出信号变换到频率域，然后通过计算在载波频率处的傅立叶变换结果恢复角度信号。由于本方法在旋转变压器输出信号的频率域设计角度信号解码算法，对各种干扰源的具有较高的鲁棒性和抗干扰能力。

具体实施方式

旋转变压器是一种输出信号电压随转子的转角变化的角度传感器，主要由一相励磁绕组和两相输出绕组组成。当励磁绕组输入一定频率的交流电压时，两相输出绕组分别调制了转角的余弦值和正弦值，如下式所示：

u_in(t)＝U_incos(2πf_int)         (1)

u_cos(t)＝KU_incos(2πf_int)cos(θ)(2)

u_sin(t)＝KU_incos(2πf_int)sin(θ)(3)

其中t表示时间，θ为角度信号，u_in(t)是(t)励磁信号，u_cos(t)和u_sin(t)分别是旋转变压器的输出信号。f_in为励磁信号的频率，U_in为励磁信号的幅值，K为变比常数(由旋转变压器的结构确定)。

对旋转变压器信号进行解码的目的就是利用u_in(t)，u_cos(t)和u_sin(t)，从中回复θ值。

1.信号采集

为了对信号进行离散傅里叶变换，需要把模拟信号u_cos和u_sin转换为数字信号。取采样频率f_s＝nf_in，n为大于2的正整数。假设在时间间隔Δt内，θ值的变化可以忽略不计，对u_cos(t)和u_sin(t)连续采集N次。令N＝n*m，m为大于2的正整数，得到数字信号如下：

u_cos(k)＝KU_incos(2πk/n)cos(θ)(4)

u_sin(k)＝KU_incos(2πk/n)sin(θ)(5)

利用u_cos(k)和u_sin(k)构造复数数字信号序列：

u_complex(k)＝u_cos(k)+i·u_sin(k)，k＝0，1，2，...，N-1

2.离散傅里叶变换

对复数信号u_complex(k)进行离散傅里叶变换，可以得到一个与u_complex(k)等长的复数序列。在实际计算u_complex(k)的傅里叶变换时，可采用快速傅里叶算法以提高计算速度。

对长度为N的复数数字信号序列u_complex(k)进行离散傅里叶变换，得到一个长度为N的复数序列。当N为奇数时，该复数序列可表示为：

U_complex(f_-L)，......U_complex(f₀)，......，U_complex(f_L)，其中L＝(N-1)/2(6)

当N为偶数时，该复数序列可表示为：

U_complex(f_-L)，......U_complex(f₀)，......，U_complex(f_L-1)，其中L＝(N)/2；(7)

如果利用f_l表示频率域的离散自变量，该复数序列可统一表示为：

f_l代表的实际频率值可按由公式计算。

3.计算角度值θ

根据离散傅里叶变换的定义，U_complex(f_l)可由下式计算：

$U_{\mathrm{complex}}\left(f_l\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{complex}}\left(k\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{lk}}$

在不考虑噪声及信号畸变的情况下，利用(4)、(5)计算上式可得：

$U_{\mathrm{complex}}\left(f_l\right)=\frac{{\mathrm{KU}}_{\mathrm{in}}}{N}(\mathrm{ocs}\left(\mathrm{\θ}\right)+i\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right))\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k(l-m)}+e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k(l+m)}]$

(8)

由(8)式可知，当l＝m时，

U_complex(f_l＝f_m＝f_in)＝KU_in(cos(θ)+i·sin(θ))，

因此，在(6)或(7)的离散傅里叶变换结果中找到f_l＝f_m处的取值U_complex(f_m)，然后计算U_complex(f_m)的复数角，即得到位置信号θ值。

Claims (1)

1.一种旋转变压器角度信号解码方法，包括下列步骤：

(1)设旋转变压器的励磁信号为u_in(t)＝U_incos(2πf_int)，其两路输出信号分别为u_cos(t)＝KU_incos(2πf_int)cos(θ)和u_sin(t)＝KU_incos(2πf_int)sin(θ)，其中，t表示时间，θ为角度信号，f_in为励磁信号u_in(t)的频率，U_in为励磁信号的幅值，K为由旋转变压器的结构确定的变比常数；取采样频率f_s＝nf_in，n为大于2的正整数，对u_cos(t)和u_sin(t)两路输出信号连续采集N次，令N＝n*m，m为大于2的正整数，得到如下的两路数字输出信号：

u_cos(k)＝KU_incos(2πk/n)cos(θ)和u_sin(k)＝KU_incos(2πk/n)sin(θ)；

(2)利用u_cos(k)和u_sin(k)构造复数数字信号序列：u_complex(k)＝u_cos(k)+i·u_sin(k)，k＝0，1，2，...，N-1；

(3)对复数数字信号序列u_complex(k)进行离散傅里叶变换，得到一个长度为N的复数序列，当N为奇数时，该复数序列可表示为：

U_complex(f_-L)，......U_complex(f₀)，......，U_complex(f_L)，其中L＝(N-1)/2，

当N为偶数时，该复数序列可表示为：

U_complex(f_-L)，......U_complex(f₀)，......U_complex(f_L-1)，其中L＝(N)/2；

设f_l表示频率域的离散自变量，f_l的代表的实际频率值由公式

计算，则傅立叶变换复数序列的解析表达式为：

$U_{\mathrm{complex}}\left(f_l\right)=\frac{{\mathrm{KU}}_{\mathrm{in}}}{N}(\mathrm{ocs}\left(\mathrm{\θ}\right)+i\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right))\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k(l-m)}+e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k(l+m)}]$

(4)当l＝m时，U_complex(f_l＝f_m)＝KU_in(cos(θ)+i·sin(θ))，在傅立叶变换复数序列中找到f_l＝f_m处的取值U_complex(f_m)，然后计算U_complex(f_m)的复数角，即得到位置信号θ值。