CN102751991B - 基于δς调制原理的旋转变压器数字转换装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于ΔΣ调制原理的旋转变压器数字转换装置及方法，属于旋转变压器输出信号的数字转换技术领域。它解决了现有对旋转变压器输出的模拟信号进行数字转换，采用专用芯片进行解算，成本高的问题。装置包括旋转变压器，它还包括低通滤波器、载波生成器、ΔΣ调制器、正弦通道单元，余弦通道单元和闭环角度跟踪器；方法采用基于过采样原理的ΔΣA/D转换器将旋转变压器返回的模拟信号转换为数字信号，具有延时校正功能，经过抽样滤波后的数字信号与延时标志信号相乘可以补偿整个系统，闭环角度跟踪器将输入的信号进行解算处理，获得旋转变压器所测电机的角度信号和角速度信号。本发明适用于对旋转变压器输出的信号进行数字转换。

Description

基于ΔΣ调制原理的旋转变压器数字转换装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于ΔΣ调制原理的旋转变压器数字转换装置及方法，属于旋转变压器输出信号的数字转换技术领域。

背景技术

旋转变压器由于具有耐高温、耐湿度、结构可靠、抗干扰能力强等突出优点，适用于环境恶劣的场合，在电机控制系统中得到了越来越广泛的应用。但旋转变压器输出为两路幅值随位置变化的模拟信号，需要通过专用的数字转换器(RDC)转换为数字信号后才能被数字控制器所使用。

目前对旋转变压器输出模拟信号进行数字转换的方法主要有两种：第一种是采用市场上专用的数字转换芯片，例如AD公司的AD2S1200系列，这类芯片大都集成了片上正弦波振荡器，基于Ⅱ型闭环跟踪原理，采用硬件锁相技术实现对转子位置信号的转换。专用的解算芯片虽技术成熟，可以达到较高的精度和性能，但其价格昂贵，在对成本有严格要求的场合难以广泛使用。第二种是通过控制器产生正弦信号并通过DAC输出作为励磁载波信号，采用高速模数转换器对旋转变压器输出的模拟信号进行直接采样，然后在控制器中通过软件方法实现转子位置数字信号的解算，但一般旋转变压器的励磁频率在10K以上，这对模数转换器的转换速率和控制器的计算性能有很高的要求，普通的控制器件难以达到要求。

发明内容

本发明是为了解决现有对旋转变压器输出的模拟信号进行数字转换，采用专用芯片进行解算，成本高的问题，提供一种基于ΔΣ调制原理的旋转变压器数字转换装置及方法。

本发明所述基于ΔΣ调制原理的旋转变压器数字转换装置，它包括旋转变压器，它还包括低通滤波器、载波生成器、ΔΣ调制器、正弦通道单元，余弦通道单元和闭环角度跟踪器，

载波生成器的正弦载波信号输出端连接低通滤波器的正弦载波信号输入端，低通滤波器的低通滤波信号输出端连接旋转变压器的励磁信号输入端，

旋转变压器的正弦模拟信号输出端连接ΔΣ调制器的正弦模拟信号输入端，旋转变压器的余弦模拟信号输出端连接ΔΣ调制器的余弦模拟信号输入端，ΔΣ调制器的正弦数字信号输出端连接正弦通道单元的正弦数字信号输入端，ΔΣ调制器的正弦时钟信号输出端连接正弦通道单元的时钟信号输入端，ΔΣ调制器的余弦数字信号输出端连接余弦通道单元的余弦数字信号输入端，ΔΣ调制器的余弦时钟信号输出端连接余弦通道单元的余弦时钟信号输入端，

正弦通道单元的载波标志信号输入端连接载波生成器的载波标志信号输出端，正弦通道单元的正弦信号输出端连接闭环角度跟踪器的正弦信号输入端，

余弦通道单元的载波标志信号输入端连接载波生成器的载波标志信号输出端，余弦通道单元的余弦信号输出端连接闭环角度跟踪器的余弦信号输入端。

所述正弦通道单元和余弦通道单元的组成相同，下面以正弦通道单元为例进行说明，正弦通道单元的组成如下：

正弦通道单元由校正延时计数器、抽样滤波器、乘法器和积分器组成，

校正延时计数器的载波标志信号输入端为正弦通道单元的载波标志信号输入端，正弦通道单元的正弦数字信号输入端为抽样滤波器的正弦数字信号输入端，正弦通道单元的时钟信号输入端为抽样滤波器的时钟信号输入端，

抽样滤波器的滤波信号输出端连接校正延时计数器的滤波信号输入端，抽样滤波器的滤波信号输出端还连接乘法器的滤波信号输入端，乘法器的延时信号输入端连接校正延时计数器的延时信号输出端，乘法器的数字信号输出端连接积分器的数字信号输入端，积分器的正弦信号输出端为正弦通道单元的正弦信号输出端。

一种基于上述装置的基于ΔΣ调制原理的旋转变压器数字转换方法，

载波生成器以PWM方式生成正弦励磁载波信号，经过低通滤波器滤波处理后加至旋转变压器的初级励磁绕组上，旋转变压器的二相正交次级感应绕组分别输出幅值随正弦和余弦规律变化的模拟信号，两路模拟信号经过电压偏置后输入到ΔΣ调制器中，ΔΣ调制器输出两路一位的数字流，该两路数字流分别输入到正弦通道单元和余弦通道单元中，正弦通道单元和余弦通道单元对输入的一位数字流进行抽样滤波并将其中含有的载波信号消除，闭环角度跟踪器将输入的信号进行解算处理，获得旋转变压器所测电机的角度信号和角速度信号。

所述正弦通道单元和余弦通道单元对数字信号进行处理的方法相同，以正弦通道单元对数字信号进行处理的方法为例进行说明，具体如下：

正弦通道单元中抽样滤波器对ΔΣ调制器输出的一位数字流进行抽样滤波后转换为多位数据信号，校正延时计数器用于产生同步校正的延时标志信号，

将抽样滤波器抽样滤波后的数字信号与延时标志信号经过乘法器相乘，由乘法器输出的经同步校正后的数字信号经积分器积分后得到正弦信号。

本发明的优点是：本发明能够实时对旋转变压器输出模拟信号进行数字转换，得到被测电机的角度和角速度，其在静态精度和动态跟踪性能上超过了目前的轴角转换芯片的水平，能够替代传统的轴角转换芯片，以降低系统成本。

本发明可广泛应用于电机位置伺服系统中。

本发明采用基于过采样原理的ΔΣA/D转换器将旋变返回的模拟信号转换为数字信号；本发明具有延时校正功能，经过抽样滤波后的数字信号与延时标志信号相乘可以补偿整个系统，如导线、旋变线圈及抽样滤波的延迟，从而最大可能的得到每个信号的正确幅值；本发明方法与常用的反正切方法相比，采用二阶闭环跟踪算法大大提高了角度精度和系统稳定性。

附图说明

图1为本发明所述装置的电气原理框图；

图2为正弦通道单元的电气原理框图；

图3为闭环角度跟踪器的原理框图；

图4为图3的等效原理框图；

图5为旋转变压器的励磁载波信号曲线图；

图6为旋转变压器的输出的模拟信号曲线图；

图7为抽样滤波器输出的信号经过延时同步校正后的曲线图；

图8为经过积分器积分后的输出信号曲线图；

图9为本发明的延时同步校正补偿原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述基于ΔΣ调制原理的旋转变压器数字转换装置，它包括旋转变压器1，它还包括低通滤波器2、载波生成器3、ΔΣ调制器4、正弦通道单元5，余弦通道单元6和闭环角度跟踪器7，

载波生成器3的正弦载波信号输出端连接低通滤波器2的正弦载波信号输入端，低通滤波器2的低通滤波信号输出端连接旋转变压器1的励磁信号输入端，

旋转变压器1的正弦模拟信号输出端连接ΔΣ调制器4的正弦模拟信号输入端，旋转变压器1的余弦模拟信号输出端连接ΔΣ调制器4的余弦模拟信号输入端，ΔΣ调制器4的正弦数字信号输出端连接正弦通道单元5的正弦数字信号输入端，ΔΣ调制器4的正弦时钟信号输出端连接正弦通道单元5的时钟信号输入端，ΔΣ调制器4的余弦数字信号输出端连接余弦通道单元6的余弦数字信号输入端，ΔΣ调制器4的余弦时钟信号输出端连接余弦通道单元6的余弦时钟信号输入端，

正弦通道单元5的载波标志信号输入端连接载波生成器3的载波标志信号输出端，正弦通道单元5的正弦信号输出端连接闭环角度跟踪器7的正弦信号输入端，

余弦通道单元6的载波标志信号输入端连接载波生成器3的载波标志信号输出端，余弦通道单元6的余弦信号输出端连接闭环角度跟踪器7的余弦信号输入端。

具体实施方式二：下面结合图2、图7和图8说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步，本实施方式所述正弦通道单元5和余弦通道单元6的组成相同，下面以正弦通道单元5为例进行说明，正弦通道单元5的组成如下：

正弦通道单元5由校正延时计数器5-1、抽样滤波器5-2、乘法器5-3和积分器5-4组成，

校正延时计数器5-1的载波标志信号输入端为正弦通道单元5的载波标志信号输入端，正弦通道单元5的正弦数字信号输入端为抽样滤波器5-2的正弦数字信号输入端，正弦通道单元5的时钟信号输入端为抽样滤波器5-2的时钟信号输入端，

抽样滤波器5-2的滤波信号输出端连接校正延时计数器5-1的滤波信号输入端，抽样滤波器5-2的滤波信号输出端还连接乘法器5-3的滤波信号输入端，乘法器5-3的延时信号输入端连接校正延时计数器5-1的延时信号输出端，乘法器5-3的数字信号输出端连接积分器5-4的数字信号输入端，积分器5-4的正弦信号输出端为正弦通道单元5的正弦信号输出端。

本实施方式中，ΔΣ调制器4可采用专用的芯片完成，载波生成器3、低通滤波器2、抽样滤波器5-2、校正延时计数器5-1和积分器5-4均可以采用CMOS硬件模块实现，也可以集成在微控制器中，闭环角度跟踪器7由微控制器中的软件控制实现。

本实施方式中，载波生成器3以PWM方式生成正弦载波信号，经低通滤波器2低通滤波后作为旋转变压器1工作的励磁信号。ΔΣ调制器4将旋转变压器1输出的模拟信号调制成一位数字流。一位数字流通过抽样滤波器5-2转换为多位数字信号，但此时的数字信号带有载波信号。该数字信号经过校正延时计数器5-1和乘法器5-3进行延时校正和反向整形后结果如图7所示。图7所示数字信号经过积分器积分后得到带有转子位置信息的正余弦数字信号如图8所示。正余弦数字信号经过闭环角度跟踪器7后得到角度和角速度信号。

具体实施方式三：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述基于实施方式一所述装置的基于ΔΣ调制原理的旋转变压器数字转换方法，

载波生成器3以PWM方式生成正弦励磁载波信号，经过低通滤波器2滤波处理后加至旋转变压器1的初级励磁绕组上，旋转变压器1的二相正交次级感应绕组分别输出幅值随正弦和余弦规律变化的模拟信号，两路模拟信号经过电压偏置后输入到ΔΣ调制器4中，ΔΣ调制器4输出两路一位的数字流，该两路数字流分别输入到正弦通道单元5和余弦通道单元6中，正弦通道单元5和余弦通道单元6对输入的一位数字流进行抽样滤波并将其中含有的载波信号消除，闭环角度跟踪器7将输入的信号进行解算处理，获得旋转变压器1所测电机的角度信号和角速度信号。

本实施方式中，参照图1所示，载波生成器3以PWM方式生成励磁载波信号，经过低通滤波器2处理后加至旋转变压器1的初级励磁绕组上，载波生成器3一般集成于控制器中，载波信号的频率一般在10KHz以上，旋转变压器1的二相正交次级感应绕组分别输出幅值随正弦和余弦规律变化的模拟信号，两路模拟信号经过硬件电压偏置后输入到ΔΣ调制器4中，ΔΣ调制器4可以采用专用的集成芯片，例如Ti公司的ADS1204实现，ΔΣ调制器4输出两路一位的数字流分别输入到正弦通道单元5和余弦通道单元6中，正弦通道单元5和余弦通道单元6可以将旋转变压器1的次级感应绕组输出的模拟信号中含有的载波信号消除，其输出的波形如图8所示，正弦通道单元5和余弦通道单元6可以由COMS电路组成，也可以集成在控制器中，其具体实现框图如图2所示。正弦通道单元5和余弦通道单元6的输出经闭环角度跟踪器7处理后，可以得到解算后的位置和速度信号，该信号可以用于电机控制系统中，闭环角度跟踪器7可由软件锁相环实现，是典型的二阶闭环控制系统，在控制器中由软件算法实现，其具体框图如图3所示。

具体实施方式四：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三的进一步说明，所述正弦通道单元5和余弦通道单元6对数字信号进行处理的方法相同，以正弦通道单元5对数字信号进行处理的方法为例进行说明，具体如下：

正弦通道单元5中抽样滤波器5-2对ΔΣ调制器4输出的一位数字流进行抽样滤波后转换为多位数据信号，校正延时计数器5-1用于产生同步校正的延时标志信号，

将抽样滤波器5-2抽样滤波后的数字信号与延时标志信号经过乘法器5-3相乘，由乘法器5-3输出的经同步校正后的数字信号经积分器5-4积分后得到正弦信号。

本实施方式中，ΔΣ调制器4输出的一位数据流经抽样滤波器5-2滤波后转换为多位数据信号，抽样滤波器5-2一般由梳形滤波器，如sinc滤波器组成，通过三级梳形滤波器的级联使用可以提高频率特性。选择合适数量的滤波器可以在延迟特性和频率特性中达到最优的性能。抽样因子可以在一个宽的范围内进行选择，选择范围为4-256。为了补偿整个系统，如导线、旋变线圈及抽样滤波的延迟，必须对抽样滤波后的数字信号进行延时同步校正，延时同步校正过程如图9所示，载波生成器3会产生载波标志信号，用以表示载波信号的正负；校正延时计数器5-1用以产生同步校正的延时标志信号，它是在载波信号的正半周期开始的时候开始计数的，载波信号的正半周信号开始到接收到数字信号负值之后的第一个正值时，捕获当前的计数值到延时捕获寄存器中，根据捕获寄存器中的捕获值可以计算出当前系统的延时时间，从而产生延时标志信号，可通过计算多次捕获值的平均值用来消除延时误差，将抽样滤波后的数字信号与延时标志信号经过乘法器相乘，就可以得到图7的波形。经同步校正后的数字信号经过积分器后即可得到图8所示的正余弦信号，也就是图7数字信号的包络线，即通过正弦通道单元5后的数字输出信号中消除了载波信号。同理余弦通道单元6可以得到同样的结果。

图3所示，闭环角度跟踪器7主要由数字鉴相器和PI调节器两部分组成，它用于对正弦通道单元5和余弦通道单元6输出的数字信号进行标幺，系数为M，抽样滤波器5-2和积分器5-4选择不同的参数，系数M会发生变化，图3中为解算获得旋转变压器所测电机转子角速度估计值。PI调节器的输入为其中θ为旋转变压器输出正余弦信号中所含有的电机转子角度信息，为通过闭环角度跟踪算法解算获得的所测电机转子角度估计值，当时，可以认为此时，闭环角度跟踪器7的等效框图如图4所示，由图4可知该系统是典型的二阶闭环系统，其闭环传递函数为其中式中ξ为阻尼系数；ω_n为系统带宽，S为复变量。参数关系如下：

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{{\mathrm{Mk}}_i}$

$\mathrm{\ξ}=\frac{1}{2}\frac{k_p\sqrt{M}}{\sqrt{k_i}},$

式中，k_i为积分系数，k_p为比例系数，

将上式改写为：

k_p＝2ξω_n/M

$k_i={\mathrm{\ω}}_n^2/M$

该系统误差传递函数E(s)为： $E\left(s\right)=1-H\left(s\right)=\frac{s^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2},$

可见误差传递函数对于阶跃和斜坡函数的稳态响应为零，这说明在恒速阶段，角度和速度响应均无静差。

应用中首先根据需要确定ξ和ω_n的值，然后根据上述公式确定k_p和k_i的值。闭环角度跟踪器7输出的角度和角速度值可以用于电机控制系统中，与传统的反正切方法相比，该方法减少了计算量，提高了解算精度和系统的抗干扰能力。

Claims (2)

1.一种基于ΔΣ调制原理的旋转变压器数字转换装置，它包括旋转变压器(1)，它还包括低通滤波器(2)、载波生成器(3)、ΔΣ调制器(4)、正弦通道单元(5)，余弦通道单元(6)和闭环角度跟踪器(7)，

载波生成器(3)的正弦载波信号输出端连接低通滤波器(2)的正弦载波信号输入端，低通滤波器(2)的低通滤波信号输出端连接旋转变压器(1)的励磁信号输入端，

旋转变压器(1)的正弦模拟信号输出端连接ΔΣ调制器(4)的正弦模拟信号输入端，旋转变压器(1)的余弦模拟信号输出端连接ΔΣ调制器(4)的余弦模拟信号输入端，ΔΣ调制器(4)的正弦数字信号输出端连接正弦通道单元(5)的正弦数字信号输入端，ΔΣ调制器(4)的正弦时钟信号输出端连接正弦通道单元(5)的时钟信号输入端，ΔΣ调制器(4)的余弦数字信号输出端连接余弦通道单元(6)的余弦数字信号输入端，ΔΣ调制器(4)的余弦时钟信号输出端连接余弦通道单元(6)的余弦时钟信号输入端，

正弦通道单元(5)的载波标志信号输入端连接载波生成器(3)的载波标志信号输出端，正弦通道单元(5)的正弦信号输出端连接闭环角度跟踪器(7)的正弦信号输入端，

余弦通道单元(6)的载波标志信号输入端连接载波生成器(3)的载波标志信号输出端，余弦通道单元(6)的余弦信号输出端连接闭环角度跟踪器(7)的余弦信号输入端；

其特征在于：所述正弦通道单元(5)和余弦通道单元(6)的组成相同，正弦通道单元(5)的组成如下：

正弦通道单元(5)由校正延时计数器(5-1)、抽样滤波器(5-2)、乘法器(5-3)和积分器(5-4)组成，

校正延时计数器(5-1)的载波标志信号输入端为正弦通道单元(5)的载波标志信号输入端，正弦通道单元(5)的正弦数字信号输入端为抽样滤波器(5-2)的正弦数字信号输入端，正弦通道单元(5)的时钟信号输入端为抽样滤波器(5-2)的时钟信号输入端，

抽样滤波器(5-2)的滤波信号输出端连接校正延时计数器(5-1)的滤波信号输入端，抽样滤波器(5-2)的滤波信号输出端还连接乘法器(5-3)的滤波信号输入端，乘法器(5-3)的延时信号输入端连接校正延时计数器(5-1)的延时信号输出端，乘法器(5-3)的数字信号输出端连接积分器(5-4)的数字信号输入端，积分器(5-4)的正弦信号输出端为正弦通道单元(5)的正弦信号输出端。

2.一种基于权利要求1所述基于ΔΣ调制原理的旋转变压器数字转换装置的数字转换方法，

载波生成器(3)以PWM方式生成正弦励磁载波信号，经过低通滤波器(2)滤波处理后加至旋转变压器(1)的初级励磁绕组上，旋转变压器(1)的二相正交次级感应绕组分别输出幅值随正弦和余弦规律变化的模拟信号，两路模拟信号经过电压偏置后输入到ΔΣ调制器(4)中，ΔΣ调制器(4)输出两路一位的数字流，该两路数字流分别输入到正弦通道单元(5)和余弦通道单元(6)中，正弦通道单元(5)和余弦通道单元(6)对输入的一位数字流进行抽样滤波并将其中含有的载波信号消除，闭环角度跟踪器(7)将输入的信号进行解算处理，获得旋转变压器(1)所测电机的角度信号和角速度信号；其特征在于：

所述正弦通道单元(5)和余弦通道单元(6)对数字信号进行处理的方法相同，正弦通道单元(5)对数字信号进行处理的方法具体如下：

正弦通道单元(5)中抽样滤波器(5-2)对ΔΣ调制器(4)输出的一位数字流进行抽样滤波后转换为多位数据信号，校正延时计数器(5-1)接收载波生成器(3)输出的载波标志信号，用于产生同步校正的延时标志信号，

将抽样滤波器(5-2)抽样滤波后的数字信号与延时标志信号经过乘法器(5-3)相乘，由乘法器(5-3)输出的经同步校正后的数字信号经积分器(5-4)积分后得到正弦信号。