CN102721362B - 旋转变压器位置测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种旋转变压器位置测量系统，其包括：信号处理电路、硬件解码电路和单片机；其中，信号处理电路与旋转变压器、单片机电连接，用于接收并处理旋转变压器的激励信号以及两路正交正弦信号，并分别输出到单片机的I/O端口以及快速A/D采样模块的两个输入通道；硬件解码电路与旋转变压器、单片机电连接，用于将旋转变压器位置信息解码后生成位置信号输出到单片机的SPI通信接口。本发明利用单片机的快速A/D采样功能，将旋转变压器副边线圈的两路正交正弦信号采集进入单片机，剩下的信号处理部分通过编写程序在单片机中完成，只需很少量的外围电路就可以实现系统的冗余功能，极大的提高了系统的可靠性。

Description

旋转变压器位置测量系统及方法

技术领域

本发明涉及旋转变压器技术领域，尤其涉及旋转变压器通过软件解码得到位置信息的测量系统及方法。

背景技术

旋转变压器作为一种角度位置传感器，由于其具有高可靠性以及高精度的优点，广泛应用于各类运动伺服控制系统中，如家用电器，工业生产过程以及电动汽车等。

由于旋转变压器直接输出的信号是两路正交的正弦信号，不能直接用来得到位置信息，需要经过解码过程得到位置信息。传统的旋转变压器主要采用硬件解码电路和专用的解码芯片，一旦解码电路出现故障，则整个系统不能正常工作，这样就降低了旋转变压器位置测量系统的可靠性。

目前关于旋转变压器的专利主要集中在设计适用于各种特殊工况的传感器结构上，如专利200920105933.1设计了一种适用于测井仪器的旋转变压器结构，以及对硬件电路做出相应的改进上，如专利201020121701.8设计了一种通用的旋转变压器解码装置。它们都没有很好的解决系统完全依赖硬件解码电路而造成的可靠性下降的问题。

随着旋转变压器的应用范围越来越广泛，特别是随着电动汽车的推广，旋转变压器的可靠性也越来越受到重视。同时，随着高性能、低成本的嵌入式处理器的出现和推广，在使用硬件解码电路的同时，利用软件对旋转变压器输出的正弦信号进行解码为解决如何提高旋转变压器的可靠性的问题提供一个理想的途径。

目前已有一些关于旋转变压器软件解码技术的文献，其中，在华中科技大学的一篇硕士论文《旋转变压器信号处理与设计》中，讨论了一种基于DSP芯片的旋转变压器软件解码技术，文中利用DSP芯片的数字信号处理能力，设计了一种解算反正切函数的算法。然而整个算法较为复杂，运算量较大，并且反正切运算对输入信号的干扰十分敏感，一旦输入信号出现小的波动，输出就会出现较大的偏差，整个系统难以稳定。

杂志《微特电机》上的一篇论文《一种高精度、低成本旋转变压器信号解算器设计》采用了查表法来处理对反正切函数的计算，简化了计算过程，但是增加了对DSP芯片存储空间的要求。

同时，重庆大学的一篇硕士论文《基于FPGA的旋转变压器解码算法与系统设计》利用了FPGA的硬件资源进行反正切的运算，它的优点是运算速度快，但是采用FPGA大大增加了系统的成本。

从以上三篇文献可以看出，目前的旋转变压器软件解码算法大多数都采用的是计算反正切函数这一途径，这就不可避免的带来了抗干扰性较差的问题。

发明内容

在本发明不采用反正切计算的方法，而是利用了控制理论中经典的PI控制思想，设计了一个闭环位置估计系统，从而保证了系统的稳定性。

本发明的目的就是设计一种基于嵌入式处理器平台，采用软件方式对旋转变压器输出的两路正交正弦信号进行解调，从而得到位置信号的方案，使旋转变压器在硬件解码电路失效的情况下，能继续正常工作，增加位置测量系统的冗余度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种旋转变压器位置测量系统，包括：信号处理电路、硬件解码电路和单片机；其中，信号处理电路与旋转变压器、单片机电连接，用于接收并处理旋转变压器的激励信号以及两路正交正弦信号，并分别输出到单片机的I/O端口以及快速A/D采样模块的两个输入通道；硬件解码电路与旋转变压器、单片机电连接，用于将旋转变压器位置信息解码后生成位置信号输出到单片机的SPI通信接口。

优选的，所述信号处理电路主要由响应信号调理电路构成，响应信号调理电路中两路正交正弦信号通过高精度的电阻与运算放大器输入端相连，经过比例缩小以及直流偏置转化为适合单片机直接采集的信号；硬件解码电路输出的直流参考信号经过比例运放为响应信号调理电路提供直流偏置信号；激励信号通过信号处理电路中的比较器转化为高低电平，并且经过电阻分压后输入给施密特触发器，为单片机提供逻辑电平。

优选的，所述单片机为英飞凌单片机TC1767，TC1767的FADC模块设置为差分输入模式，正端的输入为经过调理的响应信号，负端的输入为响应信号调理电路中的直流偏置电压。

优选的，所述旋转变压器位置测量系统还包括一个解码模块，其设置在单片机中，其主要包括三个部分：外差法、低通滤波器和PI调节器；外差法用于将真实位置信号的绝对值转换成角度误差的形式，便于PI调节器进行调节；低通滤波器用于将位置信号与高频激励信号分离开；PI调节器则不断的控制位置角度误差趋近于零，从而达到跟踪位置的目的。

优选的，所述低通滤波器采用二阶巴特沃斯低通滤波器以滤除高频信号。

优选的，所述PI调节器还包含有一个积分环节。

本发明的采用如上所述的旋转变压器位置测量系统进行旋转变压器位置测量的方法包括以下步骤：

步骤一，向单片机输入激励信号及两路正交正弦信号；

步骤二，单片机的解码模块进行软件解码；

步骤三，向单片机输入硬件解码电路位置信号；

步骤四，单片机比较硬件解码和软件解码的输出结果，如果误差小于限定值，硬件解码电路正常，采用硬件解码电路输出结果；否则，硬件解码电路故障，采用软件解码输出结果。

本发明利用单片机的快速A/D采样功能，将旋转变压器副边线圈的两路正交正弦信号采集进入单片机，剩下的信号处理部分通过编写程序在单片机中完成，只需很少量的外围电路就可以实现系统的冗余功能，极大的提高了系统的可靠性。

本发明通过以运算放大器为核心的信号调理电路将两路交流响应信号幅值缩小，并叠加直流偏置，以转化为适合单片机直接采样的信号。同时，将激励信号通过比较器转化成逻辑电平，直接通过单片机的I/O端口输入，用以在恢复激励信号时判断激励信号的正负极性。

本发明利用解码模块(软件解码)作为监测硬件解码电路是否正常工作的依据，并在检测到硬件解码电路故障时利用解码模块继续为系统提供正确的位置信息。此方案避免了在硬件解码电路遇到故障时导致整个系统不能正常工作的情况，也符合汽车工业中对系统冗余度的要求。

本发明解码模块采用外差法以及数字滤波器得到关于位置误差的信号，并通过PI调节器实现快速准确跟踪位置信号的目的。由于系统采用闭环控制方案，具有较强的稳定性以及良好的静态和动态性能。并且本设计软件算法简单有效，对于单片机的运算资源占用较少。

附图说明

图1为本发明旋转变压器位置测量系统的结构示意图。

图2A～图2D为本发明的信号处理电路以及TC1767对应的接口原理图。

图3为本发明旋转变压器位置测量系统解码模块的流程框图。

图4为本发明解码模块中外差法的原理图。

图5为本发明解码模块中低通滤波器的原理图。

图6为本发明解码模块中PI调节器的原理图。

图7为本发明旋转变压器位置测量方法的流程图。

图8为本发明两路正交的正弦信号波形图。

图9为本发明硬件解码电路输出的位置信号和解码模块计算出的位置信号。

具体实施方式

如图1所示，本发明旋转变压器位置测量系统包括：信号处理电路、硬件解码电路和单片机；旋转变压器将激励信号以及两路正交正弦信号输出，通过信号处理电路的处理，分别输入到单片机的I/O端口以及快速A/D采样模块的两个输入通道FAIN0和FAIN1，并将硬件解码电路输出的位置信号通过SPI通信接口发送给单片机。单片机将所有输入信号进行处理，保证测量系统稳定工作。

本发明设计控制芯片采用英飞凌TriCore系列单片机TC1767，其片内集成的快速A/D采样模块(FADC)采样频率可高达160～200kHz，完全可以满足对旋转变压器输出的高频信号的采样要求。并且，将TC1767的FADC模块设置为差分测量模式，以实现直接从FADC的采样结果中得到原始的响应信号值的目的，并且避免了由于直流偏置电压标定不准或者产生波动导致的真实响应信号与采样得到的响应信号之间的误差。同时，TC1767也是一款理想的电机控制芯片，因此本设计可以很方便地集成到电机控制系统中，从而提高整个系统的可靠性。

图2A～图2D描述了本发明的信号处理电路以及TC1767对应的接口原理图。信号处理电路主要由响应信号调理电路构成。

如图2A所示，响应信号调理电路中两路正交正弦信号通过高精度的电阻与运算放大器输入端相连，经过比例缩小以及直流偏置转化为适合单片机直接采集的信号。其中，输出信号的计算公式如下：

$V_{\sin }=\frac{3.3}{5}(V_{S22}-V_{S21})+V_{\mathrm{REFOUT}},$

$V_{\cos }=\frac{3.3}{5}(V_{S32}-V_{S31})+V_{\mathrm{REFOUT}}.$

如图2B所示，硬件解码芯片输出的直流参考信号经过比例运放为响应信号调理电路提供直流偏置信号。其中，输出信号的计算公式如下：

$V_{\mathrm{REFOUT}}=\frac{3.3}{5}{V}_{\mathrm{REF}}.$

如图2C所示，激励信号通过比较器转化为高低电平，并且经过电阻分压后输入给施密特触发器，使之为单片机提供理想的逻辑电平。

如图2D所示，TC1767的FADC模块设置为差分输入模式，正端的输入为经过调理的响应信号，负端的输入为响应信号调理电路中的直流偏置电压，以实现直接从FADC的采样结果中得到原始的响应信号值的目的，并且避免了由于直流偏置电压标定不准或者产生波动导致的真实响应信号与采样得到的响应信号之间的误差。

如图3所示，本发明旋转变压器位置测量系统还包括一个解码模块，设置在单片机中，其主要包括三个部分：外差法、低通滤波器和PI调节器。外差法用于将真实位置信号的绝对值转换成角度误差的形式，便于PI调节器进行调节；低通滤波器用于将位置信号与高频激励信号分离开；PI调节器则不断的控制位置角度误差趋近于零，从而达到跟踪位置的目的。

图4描述了外差法的详细过程，两路正交的正弦输入信号都包含了角度位置的信息，经过图中的简单运算以及三角变换，即可得到包含角度位置误差信息的输出信号。其中，两路正交的正弦输入信号为V_msinωtcosθ及V_msinωtsinθ，其幅值中都包含了角度位置的信息，利用同步激励信号sinωt，可以将幅值信息从输入信号中提取出来，从而实现幅值解调的目的，经过图中的幅值解调算法，即可得到包含角度位置误差信息的输出信号。输出信号的计算公式如下：

图5描述了低通滤波器的详细过程，综合考虑系统响应速度和稳态滤波效果，采用巴特沃斯二阶低通滤波器。其中，输入信号经过外差法处理后得到包含位置误差信息的直流信号以及两倍频交流信号，需要设计数字低通滤波器将两倍频信号滤除，常用的数字滤波器分为有限长冲击响应滤波器(FIR)和无限长冲击响应滤波器(IIR)两种，由于在相同的阶数下IIR滤波器具有更好的频率响应特性，因此选用IIR滤波器作为系统中的数字低通滤波器，同时综合考虑系统响应速度和稳态滤波效果，采用巴特沃斯二阶低通滤波器，截止频率为100Hz。

图6描述了PI调节器的详细过程。其中，输入信号为位置误差信号，当位置误差变大时，PI调节器输出迅速增大，使得输出的估计位置快速跟踪实际位置。在运动控制系统中，角度位置通常处于连续变化状态，考虑到传统的PI调节器只能无误差地跟踪阶跃信号，因此本发明在PI调节器中加入了一个积分环节，使系统能够实现对于连续变化的位置信号的跟踪。PI调节器的调节参数通过分析系统数学模型，利用控制理论进行计算，并通过实验进行校正，以满足系统性能要求。

本发明旋转变压器位置测量系统同时工作在硬件解码和软件解码(由设置在单片机中的解码模块实现)状态，并不断地比较两种方法测量得出的角度值，若相差小于预先设定的值，则表明硬件解码电路工作正常，若相差大于预先设定的值，则表明硬件解码电路出现故障，此时该系统可采用软件解码得到的位置信号继续正常工作。

如图7所示，本发明的旋转变压器位置测量方法包括以下步骤：

步骤一，向单片机输入激励信号及两路正交正弦信号；

步骤二，单片机的解码模块进行软件解码；

步骤三，向单片机输入硬件解码电路位置信号；

步骤四，单片机比较硬件解码和软件解码的输出结果，如果误差小于限定值，硬件解码电路正常，采用硬件解码电路输出结果；否则，硬件解码电路故障，采用软件解码输出结果。

图8显示了旋转变压器副边线圈输出的两路正交的正弦信号波形图，从图中可以看出，这两路正弦信号的幅值分别被位置角度值的正弦值和余弦值所调制，利用这两路信号包含的位置信息，通过本发明的解码模块，就可以算出真实的位置角度值。

图9显示了硬件解码电路输出的位置信号和解码模块算出的位置信号，图中实线为硬件解码电路输出的位置信号，虚线为解码模块算出的位置信号，从此图可以看出，两者十分接近，说明解码模块计算的结果有较高的精确度，可以在硬件解码电路出现故障的时候维持位置信号的跟踪，保证系统继续正常工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种旋转变压器位置测量系统，其特征在于，其包括：信号处理电路、硬件解码电路和单片机；

其中，信号处理电路与旋转变压器、单片机电连接，用于接收并处理旋转变压器的激励信号以及两路正交正弦信号，并分别输出到单片机的I/O端口以及快速A/D采样模块的两个输入通道；硬件解码电路与旋转变压器、单片机电连接，用于将旋转变压器位置信息解码后生成位置信号输出到单片机的SPI通信接口，所述旋转变压器位置测量系统还包括一个解码模块，其设置在单片机中，其主要包括三个部分：外差法、低通滤波器和PI调节器；外差法用于将真实位置信号的绝对值转换成角度误差的形式，便于PI调节器进行调节；低通滤波器用于将位置信号与高频激励信号分离开；PI调节器则不断的控制位置角度误差趋近于零，从而达到跟踪位置的目的。

2.根据权利要求1所述的旋转变压器位置测量系统，其特征在于，

所述信号处理电路主要由响应信号调理电路构成，响应信号调理电路中两路正交正弦信号通过高精度的电阻与运算放大器输入端相连，经过比例缩小以及直流偏置转化为适合单片机直接采集的信号；

硬件解码电路输出的直流参考信号经过比例运放为响应信号调理电路提供直流偏置信号；

激励信号通过信号处理电路中的比较器转化为高低电平，并且经过电阻分压后输入给施密特触发器，为单片机提供逻辑电平。

3.根据权利要求1或2所述的旋转变压器位置测量系统，其特征在于，所述单片机为英飞凌单片机TC1767，TC1767的FADC模块设置为差分输入模式，正端的输入为经过调理的响应信号，负端的输入为响应信号调理电路中的直流偏置电压。

4.根据权利要求1或2所述的旋转变压器位置测量系统，其特征在于，所述低通滤波器采用二阶巴特沃斯低通滤波器以滤除高频信号。

5.根据权利要求1或2所述的旋转变压器位置测量系统，其特征在于，所述PI调节器还包含有一个积分环节。

6.一种采用权利要求1至5中任一权利要求所述的旋转变压器位置测量系统进行旋转变压器位置测量的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，向单片机输入激励信号及两路正交正弦信号；

步骤二，单片机的解码模块进行软件解码；

步骤三，向单片机输入硬件解码电路位置信号；

步骤四，单片机比较硬件解码和软件解码的输出结果，如果误差小于限定值，硬件解码电路正常，采用硬件解码电路输出结果；否则，硬件解码电路故障，采用软件解码输出结果。