CN1042011A - 依靠函数自同步机产生数字转数和转角信息的方法及电路结构 - Google Patents

Abstract

用函数旋转报警器按振幅法产生数字转数和转角信息。再对载波振荡以正弦和余弦形式进行振幅调制，形成的信号输给自同步相对固定安装的定子绕组。其转子绕组同时提供信号，由该信号通过振幅适度计算导出转角信息。至此应在很短的测试停止时间内从自同步机得到高分辨率、无偏差转数字。同时对收到的转数信号进行数字转换，并先借助调节算法得到数字转数字，再通过转数字的数值积分产生转角字，由此同时进行载波振荡转角函数形式的振幅调制。

Description

本发明涉及一种借助函数自同步机（Funktionsdrehmelder）按振幅法产生数字转数和转角信息的方法及电路结构，其中以正弦和余弦的形式对载波振荡进行调幅，把由此形成的正弦和余弦信号输给自同步机的相对固定安装的定子绕组，自同步机的转子绕组提供一个自同步机信号，由此通过振幅适度计算导出转角信息。

如同分解器（Resolver）或同步机（Synchro）一样函数自同步机是一种耐用可靠的信号发生器，依靠其既可取得转数信息又可取得转角信息。关于如何计算函数自同步机信号原则上有两种可能性。一种是利用了通过信号相位适度和/或频率适度计算的多普勒效应。多普勒效应是通过把自同步机的转子频率和一个基准频率相加而产生的。自同步机的信号频率和基准频率之间的频率差是对其转数的量度。自同步机信号与基准信号的相位差即为对机械转子转角的一个反映。由于自同步机时间常数的温度依赖关系，引起相位偏差，又由于较高的干扰灵敏性只允许自同步机较短的馈电，所以产生了对导出转角信息相位适度计算不良影响。

另外一种是转角信息可以依靠自同步机信号的振幅适度计算来获得，在此可利用干扰。由此涉及到本发明这类结构特征，而相应的振幅适度自同步机计算已在US-PS3，720，866和DE-OS3619285中公开。自同步机信号的振幅计算中可避免上述不良影响，然而在众所周知的振幅法中仅仅是从正弦和余弦调制载波频率信号的振幅关系中得到转角信息的。

按照在US-PS3，720，866中叙述的方法，借助一个数字-处理机能够在具有足够好的分辨率和精确度的情况下计算出同步机的转角。但如果想从数字转角信息中导出一个数字转数信息，则这种可能性仅仅是很有限的。这点人们可借助下面的数字例子了解到：

现有一个14比特（每转为16，384角距）的转角分辨率，最大考虑转数为3，000/分，要问的是：在一个0.1毫秒的测量停止时间（Messtotzeit）内可以达到的最小转数分辨率是多少？

每秒转角距数或频率为：

f＝ (3000×16，384)/(60S) ＝819.200Hz

每一测量停止时间的角距数是：

Z＝f·T_t＝819.2KHz×0.1ms＝81.92

尽管转角分辨率较高，但在自同步机的转数为最大的情况下，转角仅仅变化了测量停止时间的约82个转角距。对于小转数分辨率来说，每一个测量停止时间必须至少达到一个角距，对此最小转数分辨率为：

n_最小＝ (n最大)/(Z) ＝ (3000／分)/81.92 ＝36.6／分

在使用现代伺服传动装置的情况下可掌握的82转数调节范围是完全不够的。为了达到更高的调节范围，测量静止时间必须相应延长。而这只有在限制传动装置调节动力和限制在较小转数时停止运行才有可能。对于反应很快的伺服传动装置来说测量停止时间的放大是不合适的，按照在DE-OS3619285中叙述的方法可由分解器获得很好的模拟信号。然而如要从该模拟转数信号通过一个模拟-数字转换器产生数字转数字的话，那么失调和位移现象就明显地会限制传动装置的转速调节范围和精确性。

所以本发明的任务是，用同类方法及电路结构在很短的测试停止时间内从自同步机得到一个高分辨率的无偏差的转数的字。

根据本发明，用同类方法通过以下改进来完成该任务，即首先将接收的自同步机信号进行数字转换，然后借助调节算法获得一个数字转数字，紧接着通过转数字的数值积分产生转角字，同时藉此进行载波振荡的转角函数形式的振幅调制。

此外，这个任务通过一个电路结构来完成，在该电路结构中自同步机信号的数字转换、转数字的计算、通过数值积分的转角字的形成、载波频率的产生和载波振荡的调制是依靠带有固定值储存器的微控制器来进行的。

本发明的优越性在于：从自同步机信号直接获得一个数字转数信息，然后从该信息中导出转角信息。数字转数字不是从转角信息中获得的，这是因为转角分辨率很高的信息成分本身不能在短测试停止时间内达到高分辨率的转角信息。在此，本发明的方法相反，从自同步机信号中在测试停止时间很短的情况下导出高分辨率无偏差的转数字。

借助于实施例的附图可对本发明作进一步的解释。

附图1所示为在函数自同步机（下面称为“分解器”）中计算信号的流程图。

附图2所示为在使用微控制器情况下计算分解器信号的流程走向图。

附图3所示为图2微控制器的流程。

图1详细示出了带有分解器1的调节结构，分解器1的电学上相互成90°安装的定子绕组和转子绕组位于调节回路中。分解器1的定子绕组由转角函数部件5供给正弦和余弦信号，这些信号是从转角信号导出的。在调制部件6和7中，具有矩形载波振荡的正弦和余弦信号是通过周期的转换受调制的，该载波振荡由一个振荡发生器产生。基于分解器绕组的机械和电学结构，可从分解器1的转子绕组中得到一个自同步机信号，该信号与在转角函数部件5中给出的转角ψ和分解器1的机械转角α之间的转角差的正弦相对应。

由于自同步机信号开始还带有载波频率，所以该信号通过符号转换在解调器2中重新被解调。在解调器中获得的信号sin（ψ-α）连到调节器3的输入端上，该调节器的任务是将信号sin（ψ-α）调节到0，当信号sin（ψ-α）＝0时，转角ψ就与机械转角α一致了。

转角ψ是在积分器4中形成的，该积分器与调节器3的输出端相连，由此通过调节器的输出ω的积分而形成转角ψ。机械转角α与分解器1的机械转数n的积分相对应，所以调节器3的调节器输出ω显示出机械转数n。转角ψ在积分器4的输出端能相应地取出。

图2示出了进行上述调节的电路结构。

由分解器1的转子绕组提供的自同步机信号经过放大器2输给微控制器3的模拟数字转换器输入端ANO。微控制器3依靠调节算法计算出转数字ω，此转数字是通过中间储存器15输出的。通过对代表转数大小的转数字ω积分而计算出转角ψ并且通过中间储存器16输出。微控制器3从程序和数据储存器5中提取转角ψ的正弦和余弦值并且把这些值连续地以字节的方式提供给数字-模拟转换器6。正弦和余弦值模拟地储存在电容器11和12中，持续一个载波频率半波。微控制器3通过带有模拟开关8的符号转换来进行带有载波频率的调制。经调制的正弦和余弦信号经由放大器13和14被送到分解器1的定子绕组。

在图3中示出了微控制器的流程，该流程在一个载波频率的半波中完成。计算和调制由微控制器来同步。

根据本发明通过选择自同步机信号的调节结构和直接的模拟-数字转换仅需要一个低分辨率的模拟数字转换器就可得到高分辨率的转数字。AD转换器的偏差虽然使其转角大小ψ误差明显，但转数大小ω却是无偏差的。转数大小ω的误差可积分到一个转角误差上，该转角误差由调节器掌握和调节。

因为AD转换器在此必须只是变换转角偏差（ψ-α）的正弦，因此分辨范围只需要达到自同步机的整个一圈360°的一小部分並只需考虑到动力方面最大可能要出现的调节偏差。依靠最佳调节算法在加速度为20，000rad·s^-2十分大的情况下，调节偏差本身可保持小于1°。由于这是一个较小而又必要的分辨范围，商业上常用的微控制器的内部8比特AD转换器对16比特转数字的产生来说完全足够。又因为只有很小的转角偏差产生，转角偏差的正弦几乎等于转角偏差（ψ-α≈sin（ψ-α））。因而可以很简单地修正插入转角偏差，这些转角偏差小于载波频率调制的转角分辨率。倘若要从转角ψ导出转数ω，则为了产生一个16比特转数字ω，便要丢失由修正插入得到的信息。

为了产生一个16比特转数字，对调制载波频率来说具有12比特宽度的数据存储器5中的一个90°正弦表已足够。对一个360°的转动来说这可产生调制的14比特转角分辨率。为了进行载波频率振幅适度的调制，可以选择一个12比特数字-模拟转换器。

下面的角数据是在使用一个带有12兆赫拍频的商业用的8比特微控制器的情况下，借助本发明的电路结构而得到的：

载波频率    6.25KHz

测试停止时间    80μs

最大转数    ＞6000/分

转角分辨率    14比特（每转16.384转角距）

转数分辨率    16比特（65.536转数距）

转数调节范围    ＞30，000

与很短的测试停止时间相联系的这种高分辨率是至今任何已知方法都得不到的。此外，其优点还在于在此所需的元件数量较少。

因为只需要分辨率低的AD和DA转换器，所以这种线路结构确实是比较廉价的。

此方法不仅适用于分解器、也适用于同步机。在按照转角函数进行的振幅调制中仅需考虑到定子绕组的几何结构。

用较高的载波频率和16比特控制器还可进一步提高测试停止时间和分辨率。

Claims (2)

1、借助函数自同步机并按振幅法产生数字转数和转角信息的方法，其中，载波振荡以正弦和余弦的形式进行振幅调制，把由此形成的正弦和余弦信号馈送到相对固定安装的定子绕组，同时自同步机的转子绕组提供出一个自同步机信号，由该信号通过振幅适度计算导出转角信息，其特征在于：

把接收的自同步机信号进行数字转换，並通过符号计值进行调制，由其振幅借助调节算法得到一个数字转数字，接着通过该转数字的数值积分产生转角字，由此，同时对载波振荡以转角函数形式进行振幅调制。

2、实施权利要求1方法的电路结构，具有一个函数自同步机，该自同步机具有相对固定安装的定子绕组和转子绕组，其中，以正弦和余弦形式调制的振幅的载波振荡馈入定子绕组，从转子绕组获取自同步机信号，其特征在于，自同步机信号接到微控制器（3）的模拟数字变换器的输入端上，微控制器（3）通过符号计值对自同步机信号进行解调，从而借助调节算法算出转数字，並通过数值积分产生转角字，微控制器（3）从固定值存储器（5）获取与其相应的正弦和余弦值，並以此调制提供到函数自同步机（1）定子绕组上的载波振荡。

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