CN103762912A - 旋转变压器软解码系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转变压器软解码系统，包括角度区间判定模块、角度计算模块、角度补偿模块、频率计算模块、电角度和电频率转换模块；角度区间判定模块根据sin和cos差分信号的采样值，判定DMA中断时刻角度的所在角度区间；角度计算模块根据DMA中断时刻角度所在角度区间，计算DMA中断时刻角度；角度补偿模块，用于对DMA时刻角度进行补偿得到软解码中断时刻角度；频率计算模块用于计算旋转变压器频率；电角度和电频率转换模块，将当前软解码中断时刻角度转换为电机电角度，将当前旋转变压器频率转换为电机电频率。本发明的旋转变压器软解码系统，不需要解码芯片，可以降低电机控制器的成本。

Description

旋转变压器软解码系统

技术领域

本发明及电机转子位置和转速的传感器，特别涉及一种旋转变压器软解码系统。

背景技术

旋转变压器（Resolver）作为常见的电机转子位置和转速的传感器，在电动(纯电动、混合动力)汽车上也得到了广泛应用。在旋转变压器（Resolver）的应用中，往往还需要解码芯片来将旋转变压器（Resolver）的输出信号转换为旋转变压器（Resolver）的角度和频率，进而再利用软件转换成电机的电角度和电频率，成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种旋转变压器软解码系统，不需要解码芯片，可以降低电机控制器的成本，降低电路复杂度，同时具有较高的精度。

为解决上述技术问题，本发明提供的旋转变压器软解码系统，其包括采样模块、角度区间判定模块、角度计算模块、角度补偿模块、频率计算模块、电角度和电频率转换模块；

所述采样模块，用于对旋转变压器输出的sin和cos差分信号进行采样；

所述角度区间判定模块，用于根据sin和cos差分信号的采样值，判定DMA中断时刻角度θ的所在角度区间；

所述角度计算模块，用于根据DMA中断时刻角度θ的所在角度区间，计算DMA中断时刻角度θ；

所述角度补偿模块，用于对所述角度计算模块计算得到的DMA时刻角度θ进行补偿，得到软解码中断时刻角度：

所述频率计算模块，用于计算旋转变压器频率f,

Δt为计算周期,Δθ为一个计算周期的角度差；

所述电角度和电频率转换模块，用于将当前软解码中断时刻角度转换为电机电角度，将当前旋转变压器频率转换为电机电频率：

较佳的，旋转变压器软解码系统，还包括一过零点检测硬件电路、内存；

过零点检测硬件电路，当旋转变压器的激励正弦信号过零点时输出触发信号到所述采样模块；

所述采样模块，当接收到所述触发信号，开始在激励信号的正半周期内等间隔采样一组数据，利用DMA将这组采样数据传递到内存中的数组内。

较佳的，所述角度区间判定模块，判定DMA中断时刻角度θ的所在角度区间的方法如下：

当sinθ×cosθ>0时，

若sinθ<cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[0,45°]，

若sinθ≥cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[45°,90°]，

若sinθ≥cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[180°,225°]，

若sinθ<cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[225°,270°]；

当sinθ×cosθ<0时，

若sinθ≥cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[90°,135°]，

若sinθ≥cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[135°,180°]，

若sinθ<cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[270°,315°]，

若sinθ<cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[315°,360°]；

所述角度计算模块，计算DMA中断时刻角度θ的方法如下：

当θ∈[0,45°]时，tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=arctan(tan(θ))，

当θ∈[45o,90°]时，tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=90°-arctan(tan(θ))，

当θ∈[90°,135°]时，-tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=90°+arctan(-tan^-1(θ))，

当θ∈[135°,180°]时，-tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=180°-arctan(-tan(θ))，

当θ∈[180°,225°]时，tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=180°+arctan(tan(θ))，

当θ∈[225°,270°]时，tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=270°-arctan(tan^-1(θ))，

当θ∈[270°,315°]时，-tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=270°+arctan(-tan^-1(θ))，

当θ∈[315°,360°]时，-tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=360°-arctan(-tan(θ))。

较佳的，以微控制器内部的实时定时器为计算周期Δt的时间来源；

在所述角度计算模块每个计算角度的中断程序中累加连续两个DMA中断时刻的角度差，用t+Δt时刻的角度增量减去t时刻的角度增量即可得到一个计算周期的角度差Δθ。

本发明的旋转变压器（Resolver）软解码系统，通过软件算法直接将旋转变压器（Resolver）输出信号解码为电机电角度和电频率，实现旋转变压器输出信号的软解码，省去了专用解码芯片以及相关外围电路，节省了成本，降低了电路复杂度，同时具有较高的精度，可以降低电动汽车电机控制器的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是旋转变压器传感器的激励信号和输出信号示意图；

图2是采样点示意图；

图3是本发明的旋转变压器软解码系统一实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

旋转变压器（Resolver）输出以激励信号作为载波的sin和cos差分信号，实际输出的sin和cos信号和激励信号之间存在微小的不固定的相位差，如图1所示。

输入的激励信号：V_r=V_psin(ωt)，

输出的差分信号：S3-S1=V_Ssin(ωt)sin(θ)，S2-S4=V_Ssin(ωt)cos(θ)，

当sin(ωt)=1时，对S3-S1，S2-S4进行采样，则有：

$S3-S1=V_s\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right),S2-S4=V_s\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right),\frac{S3-S1}{S2-S4}=\frac{V_s\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)}{V_s\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)}=\tan \left(\mathrm{\&theta;}\right),$

但是，实际的输出信号并非是理想的sin和cos信号，和激励信号之间存在微小的变化的相位差，导致在激励信号峰值点采样到的信号并非sin和cos信号，如图1所示。因而需要在算法实现中不断调整采样点的时刻来得到正确的sin和cos信号。

由于激励信号和实际的差分信号之间可能存在相位差，所以在激励信号的正峰值时刻附近都有可能采样到正确的sin和cos信号，只有当采样到正确的cos和sin信号时，采样数据才在差分信号的包络线上，而激励信号的每个峰值时刻附近只有一组数据处于包络线上，显然在差分信号包络线上的采样数据具有最大的能量和，如图2所示。

本发明的旋转变压器（Resolver）软解码系统一实施方式，如图3所示，包括采样模块、角度区间判定模块、角度计算模块、角度补偿模块、频率计算模块、电角度和电频率转换模块。

所述采样模块，用于对旋转变压器（Resolver）输出的sin和cos差分信号进行采样。较佳的，旋转变压器（Resolver）软解码系统，还包括一过零点检测硬件电路、内存，所述过零点检测硬件电路，当旋转变压器的激励正弦信号过零点时输出触发信号到所述采样模块；所述采样模块，当接收到所述触发信号，开始在激励信号的正半周期内等间隔采样一组数据，利用直接内存存取(DMA)将这组采样数据传递到内存中的数组内。

所述角度区间判定模块，用于根据sin和cos差分信号的采样值，判定DMA中断时刻角度θ的所在角度区间；只需要判断sin和cos的符号就能确定θ属于哪个45度区间，另外，还能利用sin和cos值把0～360°划分为30°×12个区间，60°×6个区间，每种分法对应的所在角度区间确定方法都有所不同。

所述角度计算模块，用于根据DMA中断时刻角度θ的所在角度区间，计算DMA中断时刻角度θ。

所述角度区间判定模块，判定DMA中断时刻角度θ的所在角度区间的一种方法如下：

当sinθ×cosθ>0时，

若sinθ<cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[0,45°]，

若sinθ≥cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[45°,90°]，

若sinθ≥cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[180°,225°]，

若sinθ<cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[225°,270°]；

当sinθ×cosθ<0时，

若sinθ≥cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[90°,135°]，

若sinθ≥cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[135°,180°]，

若sinθ<cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[270°,315°]，

若sinθ<cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[315°,360°]；

所述角度计算模块，计算DMA中断时刻角度θ的一种方法如下：

当θ∈[0,45°]时，tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=arctan(tan(θ))，

当θ∈[45°,90°]时，tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=90°-arctan(tan(θ))，

当θ∈[90°,135°]时，-tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=90°+arctan(-tan^-1(θ))，

当θ∈[135°,180°]时，-tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=180°-arctan(-tan(θ))，

当θ∈[180°,225°]时，tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=180°+arctan(tan(θ))，

当θ∈[225°,270°]时，tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=270°-arctan(tan°¹(θ))，

当θ∈[270°,315°]时，-tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=270°+arctan(-tan°¹(θ))，

当θ∈[315°,360°]时，-tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=360°-arctan(-tan(θ))。

因为arctan函数的定义域为(-∞，+∞)，而值域为(-π/2,+π/2)，只有当参数趋向于±∞时，值才会趋向于

采用上述方法可以避免此类溢出现象并且保证了精度。

所述角度补偿模块，用于对所述角度计算模块计算得到的DMA时刻角度θ进行补偿，得到软解码中断时刻角度：

由于采样数据数组在DMA中断时刻被更新，但所述角度计算模块却是在其他中断中处理，虽然两者的中断周期可能相等或者近似，但是两者发生的时刻并不一致——这导致所述角度计算模块计算得到的旋转变压器角度其实是DMA中断时刻的旋转变压器角度，为了得到软解码中断时刻的旋转变压器角度，在软解码中断程序中对所述角度计算模块计算得到的DMA中断时刻角度θ角度进行线性补偿，提高软解码旋转变压器角度的精度。

所述频率计算模块，用于计算旋转变压器频率f,Δt为计算周期,Δθ为一个计算周期的角度差；

若旋转变压器频率的计算周期为Δt，可以计算得到在Δt时间内旋转变压器角度的增量为Δθ。以当前的角速度，令θ从0变化到360°的时间为T，则有如下关系：则旋转变压器当前的频率为：

在微控制器MCU内部，通常具有一个实时定时器独立于CPU运行，具有较高精度，可以利用微控制器内部的实时定时器为计算周期Δt的时间来源；

在所述角度计算模块每个计算角度的中断程序中累加连续两个DMA中断时刻的角度差，用t+Δt时刻的角度增量减去t时刻的角度增量即可得到一个计算周期的角度差Δθ。

所述电角度和电频率转换模块，用于将当前软解码中断时刻角度转换为电机电角度，将当前旋转变压器频率转换为电机电频率：

本发明的旋转变压器（Resolver）软解码系统，通过软件算法直接将旋转变压器（Resolver）输出信号解码为电机电角度和电频率，实现旋转变压器输出信号的软解码，省去了专用解码芯片以及相关外围电路，节省了成本，降低了电路复杂度，同时具有较高的精度，可以降低电动汽车电机控制器的成本。本发明的旋转变压器（Resolver）软解码系统，可以采用微处理器MCU实现，微处理器MCU要求具有采样差分信号能力的ADC模块和DMA模块，具有较高的主频，能够支持频率至少达到10K及以上的中断来实现上述算法。

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、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种旋转变压器软解码系统，其特征在于，包括采样模块、角度区间判定模块、角度计算模块、角度补偿模块、频率计算模块、电角度和电频率转换模块；

所述采样模块，用于对旋转变压器输出的sin和cos差分信号进行采样；

所述角度区间判定模块，用于根据sin和cos差分信号的采样值，判定DMA中断时刻角度θ的所在角度区间；

所述角度计算模块，用于根据DMA中断时刻角度θ的所在角度区间，计算DMA中断时刻角度θ；

所述角度补偿模块，用于对所述角度计算模块计算得到的DMA时刻角度θ进行补偿，得到软解码中断时刻角度：

所述频率计算模块，用于计算旋转变压器频率f,

Δt为计算周期,Δθ为一个计算周期的角度差；

所述电角度和电频率转换模块，用于将当前软解码中断时刻角度转换为电机电角度，将当前旋转变压器频率转换为电机电频率：

2.根据权利要求1所述的旋转变压器软解码系统，其特征在于，

旋转变压器软解码系统，还包括一过零点检测硬件电路、内存；

过零点检测硬件电路，当旋转变压器的激励正弦信号过零点时输出触发信号到所述采样模块；

所述采样模块，当接收到所述触发信号，开始在激励信号的正半周期内等间隔采样一组数据，利用DMA将这组采样数据传递到内存中的数组内。

3.根据权利要求1所述的旋转变压器软解码系统，其特征在于，

所述角度区间判定模块，判定DMA中断时刻角度θ的所在角度区间的方法如下：

当sinθ×cosθ>0时，

若sinθ<cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[0,45°]，

若sinθ≥cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[45°,90°]，

若sinθ≥cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[180°,225°]，

若sinθ<cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[225°,270°]；

当sinθ×cosθ<0时，

若sinθ≥cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[90°,135°]，

若sinθ≥cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[135°,180°]，

若sinθ<cosθ,sinθ<-cosθ，则θ∈[270°,315°]，

若sinθ<cosθ,sinθ≥-cosθ，则θ∈[315°,360°]；

所述角度计算模块，计算DMA中断时刻角度θ的方法如下：

当θ∈[0,45°]时，tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=arctan(tan(θ))，

当θ∈[45°,90°]时，tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=90°-arctan(tan(θ))，

当θ∈[90°,135°]时，-tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=90°+arctan(-tan^-1(θ))，

当θ∈[135°,180°]时，-tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=180°-arctan(-tan(θ))，

当θ∈[180°,225°]时，tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=180°+arctan(tan(θ))，

当θ∈[225°,270°]时，tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=270°-arctan(tan^-1(θ))，

当θ∈[270°,315°]时，-tan^-1(θ)∈[0,1]，则有：θ=270°+arctan(-tan^-1(θ))，

当θ∈[315°,360°]时，-tan(θ)∈[0,1]，则有：θ=360°-arctan(-tan(θ))。

4.根据权利要求1所述的旋转变压器软解码系统，其特征在于，

以微控制器内部的实时定时器为计算周期Δt的时间来源；

在所述角度计算模块每个计算角度的中断程序中累加连续两个DMA中断时刻的角度差，用t+Δt时刻的角度增量减去t时刻的角度增量即可得到一个计算周期的角度差Δθ。

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