CN102661754A - 旋转变压器数字转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转变压器数字转换器，是通过对电动汽车电驱动系统中旋转变压器的输出信号进行数字转换，获得电动汽车中驱动电机的转子位置·和速度ω；其特征是旋转变压器数字转换器包括数字正余弦发生器、励磁电压生成模块、旋转变压器输出信号解调模块以及位置和速度获取模块。本发明通过基于电机控制器处理器芯片的正余弦波发生器的引入和旋转变压器输出信号的解调，消除时间延迟现象、降低电动汽车电驱动系统成本，提高其位置和转速的获取精度。

Description

旋转变压器数字转换器
技术领域
本发明涉及一种数字转换器，确切地说，是指在电动汽车电驱动系统中应用的旋转变压器数字转换器。
背景技术
旋转变压器简称旋变，是测量旋转角度的传感器，因其稳定、高效、抗冲击震动和温度湿度变化能力强等优势，逐渐应用在电动汽车领域。
旋转变压器输出信号为模拟量，需要借助解码芯片将其输出信号转换为位置和转速信号，目前应用最广泛的解调方案是与亚德诺的AD2S12X系列或多摩川的AUX系列的解码芯片配合使用，将其转换成数字量实现与DSP等控制芯片的接口。即旋变输出的模拟信号经过AD采样后送到乘法器，位置积分器输出的数字角度也送入乘法器，经过乘法和减法运算后的信号被送到相敏解调器与励磁电压进行比较，经过由乘法器、相敏解调器、积分器、滤波器等组成闭环反馈系统获得转子实际位置。该方案存在解调精度不高，而且，转换器和电平转换等芯片及相关硬件调理电路的使用增加了系统复杂性和实现成本，因此，兼顾转子位置和转速获取系统的成本、重量、大小，使用较少的硬件实现位置的准确获取已成为发展趋势。
发明内容
本发明的目的是为电动汽车电驱动系统提供一种旋转变压器数字转换器，以期通过基于电机控制器处理器芯片的正余弦波发生器的引入和旋转变压器输出信号的解调，避免旋转变压器与解码芯片的配合使用，消除时间延迟现象、降低电动汽车电驱动系统成本，提高其位置和转速获取精度。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明旋转变压器数字转换器是通过对电动汽车电驱动系统中旋转变压器的输出信号进行数字转换，获得电动汽车中驱动电机的转子位置q和速度ω；其特征是所述旋转变压器数字转换器包括数字正余弦发生器、励磁电压生成模块、旋转变压器输出信号解调模块以及位置和速度获取模块；
所述数字正余弦发生器，由基于电机控制器的处理器芯片生成数字正弦信号sinωc，并将数字正弦信号sinωc输出给励磁电压生成模块，同时输出给旋转变压器输出信号解调模块；
所述励磁电压生成模块，是将数字正弦信号sinωc经数模转换、幅值放大、反相处理和电压跟随后，生成旋转变压器所需的励磁电压信号Vsin(ωct)；
所述旋转变压器输出信号解调模块，是将输入的数字正弦信号sinωc与阈值Th进行比较，当sinωc≥Th时，产生触发脉冲，在所述触发脉冲的上升沿对旋转变压器的输出信号VS2-S4(t)和VS1-S3(t)进行采样，采样结果再经模数转换获得转子位置q的数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ，再将所述数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ输出至位置和速度获取模块；
所述位置和速度获取模块，是对旋转变压器输出信号解调模块输出的数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ进行比较，当小于或等于1时，对
Figure BDA00001620963500022
的值进行反正切查表；当
Figure BDA00001620963500023
大于1时，对
Figure BDA00001620963500024
的值进行反余切查表，并将反正切查表和反余切查表所得结果相加获取电机转子位置，基于所获得数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ，再采用锁相环获取转速。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明基于电机控制器的处理器芯片，由数字正余弦发生器产成正弦波，降低系统成本和复杂性；
2、本发明通过合理选取阈值Th与正弦信号sinωc比较，完成旋转变压器输出信号解调，降低软件实现的复杂性，此外，增加了采样点数量，进而提高转换器解调精度；
3、本发明通过对正弦信号sinθ和余弦信号cosθ进行反正切和反余切查表获得位置q，节约电机控制器处理器芯片的存储空间；
4、本发明利用锁相环获取转速，提高系统的抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明旋转变压器数字转换器的结构原理框图；
图2是本发明所涉及的正余弦发生器结构框图；
图3是本发明所涉及的励磁电压生成模块结构框图；
图4是本发明所涉及的旋变输出信号解调模块对信号处理的结构框图；
图5是本发明所涉及的位置和速度获取模块对信号处理的结构框图。
具体实施方式
参见图1所示，本实施例中旋转变压器数字转换器，是通过对电动汽车电驱动系统中旋转变压器2的输出信号进行数字转换，获得电动汽车中驱动电机的转子位置q和速度ω；本实施例中旋转变压器数字转换器包括有数字正余弦发生器3、励磁电压生成模块4、旋转变压器输出信号解调模块5以及位置和速度获取模块6；
数字正余弦发生器3是由基于电机控制器的处理器芯片生成数字正弦信号sinωc，并将数字正弦信号sinωc输出给励磁电压生成模块4，同时输出给旋转变压器输出信号解调模块5；本实施例中的数字正余弦发生器3的结构原理框图如图2所示，数字正余弦发生器3包括有第一加法器7、第二加法器10和第三加法器14，第一增益系数运算器13①和第二增益系数运算器13②，第一延迟器8和第二延迟器11，其中：
第一加法器7将第二延迟器11的输出和第一增益系数运算器13①的输出相加；
第二加法器10将第一增益系数运算器13①的输出与第一延迟器8的输出相减；
第三加法器14将第二延迟器11的输出和第一延迟器8的输出相加；
第一增益系数运算器13①的增益系数为H1；第二增益系数运算器13②的增益系数为H2；
假设第一延迟器8和第二延迟器11选定的延迟周期为T，为获得励磁频率fc的数字正弦信号sinωc,则：
H1=cosωc    (1)
H2=-(tanωc)-1    (2)
ωc=2TFcπ    (3)
式(1)、式(2)和式(3)中，T为延迟周期，单位秒s；fc为励磁频率，单位赫兹Hz；
选择合适的延迟周期T，根据式(1)、式(2)和式(3)，设置第一增益系数运算器13①和第二增益系数运算器13②的增益系数分别为H1和H2，第二延迟器11的输出信号经过第二增益系数运算器13②后，即可获得励磁频率为fc的数字正弦信号sinωc。
励磁电压生成模块4是将数字正弦信号sinωc经数模转换、幅值放大、反相处理和电压跟随后，生成旋转变压器2所需的励磁电压信号Vsin(ωct)；本实施例中的励磁电压生成模块4的结构原理框图如图3所示，由数模转换器15、反相器16、第一运算放大器17、第二运算放大器18、第一电压跟随器19、第二电压跟随器20和第四加法器21组成，具体为：
由数字正余弦发生器模块3生成的数字正弦波sinωc经过数模转换器15后，变成模拟正弦波sin(ωct)；第一运算放大器17接收的模拟正弦波sin(ωct)进行幅值放大获得Asin(ωct)；Asin(ωct)经过第一电压跟随器19获得中间量A；反相器16对输入的模拟正弦波sin(ωct)进行反相处理获得sin(ωct+π)；第二运算放大器18对反相器16输出的sin(ωct+π)进行幅值放大获得Asin(ωct+π)；Asin(ωct+π)经过第二电压跟随器20获得中间量B；第四加法器21将接收的中间量A和中间量B相减获得Vsin(ωct)，Vsin(ωct)作为旋转变压器的励磁电压信号，驱动旋转变压器正常工作。
旋转变压器输出信号解调模块5是将输入的数字正弦信号sinωc与阈值Th进行比较，当sinωc≥Th时，产生触发脉冲，在触发脉冲的上升沿对旋转变压器的输出信号VS2-S4(t)和VS1-S3(t)进行采样，采样结果再经模数转换获得转子位置q的数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ，再将数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ输出至位置和速度获取模块6；本实施例中旋变输出信号解调模块5的结构原理框图如图4所示，从实现功能上划分是由第一比较器22，第一采样/保持电路23、第二采样/保持电路24和模数转换器25组成。其中，第一比较器22将来自数字正余弦发生器模块3的数字正弦信号sinωc与预先设定阈值Th进行比较，当数字正弦信号sinωc大于等于阈值Th时，即：sinωc≥Th时，输出触发脉冲；在触发脉冲的上升沿，第一采样/保持电路23对输入的旋转变压器输出信号VS2-S4(t)进行采样获得VS2-S4，采样结果VS2-S4输出给模数转换器25；与此同时，在触发脉冲的上升沿，第二采样/保持电路24对输入的旋转变压器输出信号VS1-S3(t)进行采样获得VS1-S3，采样结果VS1-S3输出给模数转换器25；模数转换器25对接收的采样结果VS2-S4进行模数转换，获得位置q的数字正弦信号sinθ；模数转换器25对接收的采样结果VS1-S3进行模数转换，获得位置q的数字余弦信号cosθ。
位置和速度获取模块6是对旋转变压器输出信号解调模块5输出的数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ进行比较，当
Figure BDA00001620963500041
小于或等于1时，对
Figure BDA00001620963500042
的值进行反正切查表；当大于1时，对
Figure BDA00001620963500044
的值进行反余切查表，并将反正切查表和反余切查表所得结果相加获取电机转子位置，基于所获得数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ，再采用锁相环获取转速。本实施例中的位置和速度获取模块6的结构原理框图如图5所示，其中，位置的获取，从实现功能上划分是由第一绝对值运算器26、第二绝对值运算器27、第一乘法器28、第二比较器29、反正切表30、反余切表31和第五加法器32组成，其中：
第一绝对值运算器26是将来自旋转变压器输出信号解调模块5的数字正弦信号sinθ变成其绝对值|sinθ|；第二绝对值运算器27是将来自旋转变压器输出信号解调模块5的数字余弦信号cosθ变成其绝对值|cosθ|。由第一乘法器28完成|sinθ|和|cosθ|的相乘运算，获得
Figure BDA00001620963500045
第二比较器29用于将第一乘法器28的输出信号
Figure BDA00001620963500046
与常数1比较，在比较结果小于或等于1的情况下，即
Figure BDA00001620963500051
小于或等于1时，对
Figure BDA00001620963500052
的值进行反正切表30的查表；在比较结果大于1的情况下，即
Figure BDA00001620963500053
大于1时，对
Figure BDA00001620963500054
的值进行反余切表31查表；第五加法器32是将接收的反正切表30查表所得结果和反余切表31查表所得结果相加，获得电机1的转子位置θ。
基于所获得数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ，再采用锁相环获取转速。也就是：通过由第二乘法器33、第三乘法器34、第六加法器35、第七加法器39、第一积分器36、第二积分器40、第三增益系数运算器37、第四增益系数运算器38、余弦发生器41、正弦发生器42组成的一个闭环跟踪回路获得；其中：
第七加法器39的输出信号的闭环作为第二积分器40的输入信号；余弦发生器41对第二积分器40输出的转子估计位置θ'，以查表方式获得θ′的余弦值cosθ′；正弦发生器42对第二积分器40输出的转子估计位置θ'，以查表方式获得θ′的正弦值sinθ′；第二乘法器33将旋转变压器输出解调模块5输出的数字余弦信号cosθ和正弦发生器42输出的正弦值sinθ′相乘获得cosθsinθ'；第三乘法器34是将旋转变压器输出解调模块5输出的数字正弦信号sinθ和余弦发生器41输出的余弦值cosθ'相乘获得sinθcosθ'；第六加法器35完成对sinθcosθ′和cosθsinθ'作差获得误差输出sinθcosθ′-cosθsinθ'，即sin(θ-θ′)；第一积分器36对第六加法器35的误差输出进行积分运算，获得sin(θ-θ')的积分值；第四增益系数运算器38，对第一积分器36的输出进行调理获得结果C；与此同时，第三增益系数运算器37对第六加法器35的输出sin(θ-θ')进行调理获得结果D；通过第七加法器39完成对结果C和结果D相加，获得转速ω。

Claims (1)

1.一种旋转变压器数字转换器，是通过对电动汽车电驱动系统中旋转变压器（2）的输出信号进行数字转换，获得电动汽车中驱动电机的转子位置q和速度ω；其特征是所述旋转变压器数字转换器包括数字正余弦发生器（3）、励磁电压生成模块（4）、旋转变压器输出信号解调模块（5）以及位置和速度获取模块（6）；
所述数字正余弦发生器(3)，由基于电机控制器的处理器芯片生成数字正弦信号sinωc，并将数字正弦信号sinωc输出给励磁电压生成模块(4)，同时输出给旋转变压器输出信号解调模块(5)；
所述励磁电压生成模块(4)，是将数字正弦信号sinωc经数模转换、幅值放大、反相处理和电压跟随后，生成旋转变压器(2)所需的励磁电压信号Vsin(ωct)；
所述旋转变压器输出信号解调模块(5)，是将输入的数字正弦信号sinωc与阈值Th进行比较，当sinωc>Th时，产生触发脉冲，在所述触发脉冲的上升沿对旋转变压器的输出信号VS2-S4(t)和VS1-S3(t)进行采样，采样结果再经模数转换获得转子位置q的数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ，再将所述数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ输出至位置和速度获取模块(6)；
所述位置和速度获取模块(6)，是对旋转变压器输出信号解调模块(5)输出的数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ进行比较，当
Figure FDA00001620963400011
小于或等于1时，对
Figure FDA00001620963400012
的值进行反正切查表；当
Figure FDA00001620963400013
大于1时，对
Figure FDA00001620963400014
的值进行反余切查表，并将反正切查表和反余切查表所得结果相加获取电机转子位置，基于所获得数字正弦信号sinθ和数字余弦信号cosθ，再采用锁相环获取转速。
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