CN102506695B - 旋转变压器的精度检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转变压器的精度检测系统,包括:安装在电机轴上的旋转变压器和光电式旋转编码器、向所述旋转变压器输出激励信号并接收所述旋转变压器带有旋转角度信息的调制信号并计算出旋转角度的解码器、保证从所述旋转变压器和光电式旋转编码器获得同一时刻的旋转角度的同步控制电路、评估基于旋转变压器的位置检测系统的测量精度的上位机。本发明旋转变压器的精度检测系统能比较精确的评估基于旋转变压器的位置检测系统在电机处于固定转速、及加速、减速过程中的测量精度,有助于发现设计中存在的缺陷,改进设计。并且该测试平台的体积较小,成本低廉,对被测设备的影响也小,能客观的评估被测设备的测量精度。

Description

旋转变压器的精度检测系统
技术领域
[0001] 本发明涉及汽车电子电气领域,特别是涉及一种传感器精度的检测系统。
背景技术
[0002] 新能源汽车(例如混合动力汽车、电动汽车等)中的位置和速度传感器,原来大多采用光电式旋转编码器,但近年来却迅速地被旋转变压器(resolver)代替。这是因为旋转编码器虽然有较高的分辨率,但容易震坏,维修频率高;而旋转变压器能耐高强度的震动,不怕灰尘和油污,使用寿命长,故障率低。
[0003] 请参阅图1,这是一个基于旋转变压器的位置检测系统。在MCU (微控制器)10的控制下,解码器(Decoder)Il的一对输出端产生一个高频的激励信号,如图2所示。这个激励信号先经过激励缓冲器(Excitation Buffer) 12,即执行电压功率放大,再加到旋转变压器13的一对输入端。旋转变压器13的两对输出端输出两个调制信号,如图3所示。这两个调制信号经过解码输入缓冲器(Decoder Input Buffer) 14,即执行电压功率缩小,再加到解码器11的两对输入端。
[0004] 假设旋转变压器13的定子和转子间的旋转角度为Θ,那么旋转变压器13所输出的两个调制信号可以简单地理解为输入的激励信号分别与旋转角度Θ的正弦、余弦的乘积。解码器11可以从这两个调制信号中根据一定的算法来求得旋转角度Θ,从而实现角度的测量。
[0005] 图1所示的位置检测系统的测量精度由解码器11、激励缓冲器12、旋转变压器13和解码输入缓冲器14共同决定,该测量精度直接影响电机控制的性能。故而准确地检测该位置检测系统的精度,特别是其动态精度(指被控电机在高速旋转及加速、减速过程中的角度测量精度)是非常重要的。
[0006]目前主要是在电机测试台架上完成对图1所示的位置检测系统的精度的检测,这样操作存在以下缺陷:
[0007] 其一,电机测试台架只能测量该位置检测系统在被控电机的固定转速下的精度,而无法测量在被控电机的转速变化(加速或减速)时的精度。
[0008] 其二,电机测试台架的背景噪声较大,对于精度的检测有一定的影响。
[0009] 其三,电机测试台架的建设及维护成本较高。
发明内容
[0010] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于旋转变压器的位置检测系统的精度检测系统,该系统的成本低廉,结构紧凑且功能强大。
[0011] 为解决上述技术问题,本发明旋转变压器的精度检测系统包括转台、旋转变压器辅助电路、数据采集电路和上位机;
[0012] 所述转台具体包括:
[0013] 一个电机;[0014] 一个电机控制器,控制所述电机匀速、加速或减速转动;
[0015] 被测试的旋转变压器,安装在所述电机的轴上,与所述旋转变压器辅助电路相连接;
[0016] 一个光电式旋转编码器,也安装在所述电机的轴上,与所述数据采集电路相连接;
[0017] 所述旋转变压器辅助电路具体包括:
[0018] 一个解码器,一方面向所述旋转变压器输出激励信号,另一方面接收所述旋转变压器带有旋转角度信息的调制信号并计算出旋转角度;
[0019] 一个激励缓冲器,用于平衡所述激励信号在所述解码器和所述旋转变压器之间的电压功率;
[0020] 一个解码输入缓冲器,用于平衡所述调制信号在所述旋转变压器和所述解码器之间的电压功率;
[0021 ] 所述数据采集电路具体包括:
[0022] 一个旋转变压器接口,用于接收所述解码器输出的基于旋转变压器检测得到的旋转角度;
[0023] 一个光电式旋转编码器接口,用于接收光电式旋转编码器检测得到的旋转角度;
[0024] 一个同步控制电路,采用两个并行的FPGA形式的状态机,通过内插延时来确保从所述旋转变压器和光电式旋转编码器获得同一时刻的旋转角度;
[0025] 一个缓存器,用于保存采集到的数据;
[0026] 一个上位机接口,用于让上位机控制整个检测系统并从数据采集电路获得数据加以分析;
[0027] 所述上位机用于设置所述转台的工作状态;配置所述旋转变压器、旋转变压器辅助电路和光电式旋转编码器的参数;分析所述数据采集电路所保存的数据,评估基于旋转变压器的位置检测系统的测量精度。
[0028] 本发明旋转变压器的精度检测系统能比较精确的评估基于旋转变压器的位置检测系统在电机处于固定转速、及加速、减速过程中的测量精度,有助于发现设计中存在的缺陷,改进设计。并且该测试平台的体积较小,成本低廉,对被测设备的影响也小,能客观的评估被测设备的测量精度。
附图说明
[0029] 图1是基于旋转变压器的位置检测系统的结构示意图;
[0030] 图2是图1中旋转变压器输入的一个激励信号;
[0031] 图3是图1中旋转变压器输出的两个调制信号;
[0032] 图4是本发明旋转变压器的精度检测系统的结构示意图;
[0033] 图5是图4中的转台的结构示意图;
[0034] 图6是图4中的旋转变压器辅助电路的结构示意图;
[0035] 图7是图4中的数据采集电路的结构示意图。
[0036] 图中附图标记说明:
[0037] 10为微控制器(MCU) ;11为解码器;12为激励缓冲器;13为旋转变压器;14为解码输入缓冲器;15为光电式旋转编码器;20为转台;21为电机控制器;22为电机;30为旋转变压器辅助电路;40为数据采集电路;41为旋转变压器接口 ;42为光电式旋转编码器接口 ;43为同步控制电路;44为缓存器;45为上位机接口 ;50为上位机。
具体实施方式
[0038] 请参阅图4,本发明旋转变压器的精度检测系统包括转台20、旋转变压器辅助电路30、数据采集电路40和上位机50。
[0039] 请参阅图5,所述转台20具体又包括一个电机控制器21、一个高速电机22、被测试的旋转变压器13和一个光电式旋转编码器15。其中,电机控制器21用于控制电机22勻速、加速或减速旋转。而电机22仅用于带动旋转变压器13和光电式旋转编码器15旋转,故该电机22的功率不需要太大。旋转变压器13和光电式旋转编码器15均装配在电机轴上,该机构设计需考虑旋转变压器13的替换。
[0040] 请参阅图6,所述旋转变压器辅助电路30具体又包括一个解码器11、一个激励缓冲器12和一个解码输入缓冲器14。其中,解码器11 一方面输出激励信号,另一方面接收调制信号并计算旋转角度。激励缓冲器12用于平衡激励信号的电压功率,解码输入缓冲器14用于平衡调制信号的电压功率。这一部分电路与图1所示的基于旋转变压器的位置检测系统相一致。
[0041] 请参阅图7,所述数据采集电路40具体又包括一个旋转变压器接口 41、一个光电式旋转编码器接口 42、一个同步控制电路43、一个缓存器44和一个上位机接口 45。其中,旋转变压器接口 41用于接收解码器11输出的基于旋转变压器检测得到的旋转角度。光电式旋转编码器接口 42用于接收光电式旋转编码器15检测得到的旋转角度。同步控制电路43则用于保证从两个独立的位置检测系统获得同一时刻的角度信息。缓存器44用于保存采集到的数据。上位机接口 45用于让上位机50能够控制整个检测系统并从数据采集电路40获得数据加以分析。
[0042] 由于旋转变压器13和光电式旋转编码器15是基于不同的控制原理来配置寄存器、检测角度信息和采集数据的,因而在图7所示的数据采集电路40中,如何确保获得两个独立的位置检测系统在同一时刻的角度信息是一个技术难点。本发明的同步控制电路43之所以能够保证对两路独立检测系统的同步控制,是通过FPGA(Field Programmable GateArray,现场可编程逻辑门阵列)这种基于并行结构的可编程逻辑阵列器件来实现的。当数据采集电路40接收到需要检测角度信息的指令时,FPGA内部两个独立并行的状态机开始工作,进行初始化,并通过内插延时来确保最终获得的两个独立的检测系统的角度信息是一致的,即为同一时刻的角度信息。
[0043] 例如,转台20上的旋转变压器13和旋转变压器辅助电路30作为第一路检测系统,其内部处理的延迟时间是已知的,例如为xl。转台20上的光电式旋转编码器15作为第二路检测系统,其内部处理的延迟时间也是已知的,例如为yl。所述同步控制电路43中的第一状态机采集第一路检测系统的数据,经过zl时间后第二状态机采集第二路检测系统的数据。这里的zl可为正、零、负。当zl为零,表示两个并行处理的状态机同时采集。当zl为负,表示第二状态机先采集,第一状态机后采集。那么同步控制电路43只需保证第一状态机内插延时比第二状态机内插延时多yl+zl-xl的时间,即可保证从两路独立检测系统获得的是同一时刻的角度检测ί目息。yl+zl-xl可为正、零、负。当yl+zl-xl为零,表不两个状态机均无需内插延时,或内插相同时间的延时。当yl+zl-xl为负,表示第二状态机内插延时比第一状态机多。
[0044] 在典型的器件应用时,旋转变压器13的数据带宽是16bit,光电式旋转编码器15的数据带宽是20bit,也就是说同一时间需要36bit的数据被保存在缓存器44中。这还没有考虑到数据采集电路40同时还需要随时响应上位机50的需求,以及将数据上传至上位机50等。本发明同步控制电路43在FPGA中采用高速存储器的接口和读写策略,应用灵活的FIFO带宽和深度设置,将两路独立检测系统的数据通过至少一个内部FIFO (FirstIn, First Out,先入先出)组成同步的64bit数据,再写入缓存器44中;同时如果上位机50有上传数据的需求,FPGA可以通过乒乓模式将保存于缓存器44中的数据读取出来并通过上位机接口 45上传至上位机50。
[0045] 所述上位机50例如为PC机,其中内置有数据处理软件,用来控制整个检测系统并从数据采集电路40获得数据加以分析,提供人机接口界面等。在控制整个检测系统方面,包括:设置转台20的工作状态(电机22是匀速转动,还是加速转动,还是减速转动);配置旋转变压器13、旋转变压器辅助电路30和光电式旋转编码器15的参数;分析数据采集电路40所保存的数据,评估基于旋转变压器的位置检测系统的测量精度(根据与光电式旋转编码器的检测结果相比较)。
[0046] 再请参阅图4~图7,转台20中的旋转变压器13连接旋转变压器辅助电路30中的激励缓冲器12和解码输入缓冲器14。旋转变压器辅助电路30中的解码器11连接数据采集电路40中的旋转变压器接口 41。转台20中的光电式旋转编码器15连接数据采集电路40中的光电式旋转编码器接口 42。数据采集电路40中的上位机接口 45连接上位机50。
[0047] 虽然图4中未图示,但所述旋转变压器的精度检测系统还包括有一个供电电源,为各个模块提供电源。
[0048] 综上所述,本发明旋转变压器的精度检测系统将旋转变压器13和光电式旋转编码器15同时装在一个旋转的电机轴上,然后通过数据采集电路40记录旋转变压器13和光电式旋转编码器15在同一时刻所测量的角度信息,通过比较两者的角度偏差来评估基于旋转变压器的位置检测系统的精度。
[0049] 以上仅为本发明的优选实施例,并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种 更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种旋转变压器的精度检测系统,其特征是,包括转台、旋转变压器辅助电路、数据采集电路和上位机; 所述转台具体包括: 一个电机; 一个电机控制器,控制所述电机匀速、加速或减速转动; 被测试的旋转变压器,安装在所述电机的轴上,与所述旋转变压器辅助电路相连接; 一个光电式旋转编码器,也安装在所述电机的轴上,与所述数据采集电路相连接; 所述旋转变压器辅助电路具体包括: 一个解码器,一方面向所述旋转变压器输出激励信号,另一方面接收所述旋转变压器带有旋转角度信息的调制信号并计算出旋转角度; 一个激励缓冲器,用于平衡所述激励信号在所述解码器和所述旋转变压器之间的电压功率; 一个解码输入缓冲器,用于平衡所述调制信号在所述旋转变压器和所述解码器之间的电压功率; 所述数据采集电路具体包括: 一个旋转变压器接口,用于接收所述解码器输出的基于旋转变压器检测得到的旋转角度; 一个光电式旋转编码器接口,用于接收光电式旋转编码器检测得到的旋转角度; 一个同步控制电路,采用两个并行的FPGA形式的状态机,通过内插延时来确保从所述旋转变压器和光电式旋转编码器获得同一时刻的旋转角度; 一个缓存器,用于保存采集到的数据; 一个上位机接口,用于让上位机控制整个检测系统并从数据采集电路获得数据加以分析; 所述上位机用于设置所述转台的工作状态;配置所述旋转变压器、旋转变压器辅助电路和光电式旋转编码器的参数;分析所述数据采集电路所保存的数据,评估基于旋转变压器的位置检测系统的测量精度。
2.根据权利要求1所述的旋转变压器的精度检测系统,其特征是,所述同步控制电路采用FIFO队列,将所述旋转变压器和光电式旋转编码器采集的数据先写入所述FIFO队列,再写入所述缓存器。
3.根据权利要求1所述的旋转变压器的精度检测系统,其特征是,还包括为其余各模块供电的电源模块。
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