CN104796053A - 基于旋转变压器的直流电机控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

基于旋转变压器的直流电机控制器及控制方法，属于直流电机控制中旋转变压器技术领域。本发明是为了解决现有旋转变压器输出的位置信息转换过程复杂，造成应用范围受限的问题。控制器包括控制器、DA转换器、放大器、旋转变压器、旋变AD转换器和驱动电路，控制器包括励磁信号生成单元、峰值检测单元和电机控制单元；电机控制方法中励磁信号生成单元产生正弦励磁信号时，峰值检测单元获得正弦励磁信号的正峰值或负峰值产生时刻，锁存峰值产生时刻旋转变压器输出的正弦绕组电压信号和余弦绕组电压信号；电机控制单元根据旋转变压器转动角度正弦值和余弦值进行计算，生成驱动电路驱动控制信号，进而实现对电机的控制。本发明用于直流电机的控制。

Description

基于旋转变压器的直流电机控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及基于旋转变压器的直流电机控制器及控制方法，属于直流电机控制中旋转变压器技术领域。

背景技术

旋转变压器是一种基于电磁感应原理的位置传感器，具有体积小、质量轻、功耗低、寿命长、抗干扰能力强等优点，在机器人、自动化设备、雷达、卫星等领域得到了非常广泛的应用。旋转变压器输出的是模拟信息，在使用中，为了获得精确的数字信息，通常采用专用的旋转变压器-数字转换芯片RDC来实现转换。由于RDC需要占用的面积较大，会增大控制器和整个系统的体积和质量，因此，探索其它技术方案来获取旋转变压器位置信息的技术非常重要。现有的基于软件的旋转变压器信息获取方法，均需要复杂的运算，应用范围受到了较大的限制。

发明内容

本发明目的是为了解决现有旋转变压器输出的位置信息转换过程复杂，造成应用范围受限的问题，提供了一种基于旋转变压器的直流电机控制器及控制方法。

本发明所述基于旋转变压器的直流电机控制器，它包括控制器、DA转换器、放大器、旋转变压器、旋变AD转换器和驱动电路，

控制器包括励磁信号生成单元、峰值检测单元和电机控制单元，

励磁信号生成单元用于产生旋转变压器的正弦励磁信号，励磁信号生成单元的数字信号输出端连接DA转换器的数字信号输入端，DA转换器的模拟信号输出端连接放大器的模拟信号输入端，放大器的放大信号输出端连接旋转变压器励磁绕组的励磁信号输入端，旋转变压器的正弦绕组信号输出端连接旋变AD转换器的第一模拟信号输入端，旋转变压器的余弦绕组信号输出端连接旋变AD转换器的第二模拟信号输入端，旋变AD转换器的锁存控制信号输入端连接峰值检测单元的锁存控制信号输出端，峰值检测单元用于检测励磁信号生成单元产生的正弦励磁信号的峰值时刻并根据该峰值时刻获得锁存控制信号；

旋变AD转换器的第一数字信号输出端连接电机控制单元的第一数字信号输入端，旋变AD转换器的第二数字信号输出端连接电机控制单元的第二数字信号输入端；电机控制单元的驱动控制信号输出端连接驱动电路的驱动控制信号输入端，驱动电路用于驱动电机运行，电机的转轴连接旋转变压器的转轴。

它还包括电流AD转换器和电流传感器，

电流传感器用于采集电机的输入电流信号，电流传感器的电流信号输出端连接电流AD转换器的电流信号输入端，电流AD转换器的锁存控制信号输入端连接峰值检测单元的锁存控制信号输出端，电流AD转换器的电流信号输出端连接电机控制单元的电流信号输入端。

基于旋转变压器的直流电机控制器的基于旋转变压器的直流电机控制方法，励磁信号生成单元产生正弦励磁信号时，峰值检测单元获得该正弦励磁信号的正峰值或负峰值产生时刻，并产生锁存控制信号给旋变AD转换器，以锁存正峰值或负峰值产生时刻旋转变压器输出的正弦绕组电压信号和余弦绕组电压信号；

电机控制单元根据离线标定的正弦绕组电压信号幅值计算获得旋转变压器的转子相对于其定子转动角度所对应的正弦值；电机控制单元根据离线标定的余弦绕组电压信号幅值计算获得旋转变压器的转子相对于其定子转动角度所对应的余弦值；

电机控制单元根据所述旋转变压器的转子相对于其定子转动角度所对应的正弦值和旋转变压器的转子相对于其定子转动角度所对应的余弦值进行计算，生成驱动电路驱动控制信号，进而实现对电机的控制。

旋转变压器的转子相对于其定子所转动角度所对应的正弦值和余弦值的获得方法为：

根据作为正弦励磁信号的正弦波与余弦波的关系，确定余弦波由正值变为负值时对应正弦波的正的峰值时刻，余弦波由负值变为正值时对应正弦波的负的峰值时刻，确定旋变AD转换器的锁存采样时刻；

首先正弦励磁信号的正弦波及其同时生成的余弦波计算公式的离散形式如下：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}s1[n+1]\\ c1[n+1]\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)& \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)+1\\ \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)-1& \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}s1\left[n\right]\\ c1\left[n\right]\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{c}\cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)*\left(s1\right[n]+c1[n\left]\right)+c1\left[n\right]\\ \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)*\left(s1\right[n]+c1[n\left]\right)-c1\left[n\right]\end{array}\right]\end{array},$

式中s1[n]为当前时刻正弦励磁信号值，c1[n]为与当前时刻正弦励磁信号值同时生成的余弦信号值：

s1[n+1]为当前时刻的下一时刻正弦励磁信号值，c1[n+1]为与当前时刻的下一时刻正弦励磁信号值同时生成的余弦信号值：ω_c为正弦励磁信号的频率；

设定正弦励磁信号V_ref为：

V_ref＝Vsin(ω_ct)，

式中V为正弦励磁信号的幅值，t为时间；

则AD转换器在锁存采样时刻采集获得的旋转变压器输出的正弦绕组电压信号V_sin和余弦绕组电压信号V_cos为：

V_cos＝KV_ref cos(θ)＝Asin(ω_ct)cos(θ)，

V_sin＝KV_ref sin(θ)＝Asin(ω_ct)sin(θ)，

式中K为旋转变压器的变比，A为旋转变压器输出信号的幅值，θ为电机转子相对于定子的转角；

在sin(ω_ct)峰值时刻，sin(ω_ct)＝1，则旋转变压器输出的正弦绕组电压信号V_sin和余弦绕组电压信号V_cos变形为：

V_cos＝Acos(θ)，

V_sin＝Asin(θ)，

进而获得旋转变压器的转子相对于其定子所转动角度所对应的正弦值sin(θ)和余弦值cos(θ)为：

cos(θ)＝V_cos/A，

sin(θ)＝V_sin/A。

本发明的优点：本发明所述电机控制器及控制方法，在获得旋转变压器转动角度的正弦值和余弦值的过程中，无需再通过专用芯片获得电机角度值，直接控制电机运行，由此减小了电机控制器的体积和成本，同时，在获得旋转变压器转动角度信息的过程中，计算量小。

本发明中正弦励磁信号可以采用计算机程序生成，通过峰值检测单元准确计算励磁正弦波的峰值出现的时刻，通过AD电路精确的采集到与旋转变压器转子位置成正弦或余弦关系的电压信息，并进一步根据此信号的幅值信息，利用单次乘法运算即可获取旋转变压器转子位置的正弦值或余弦值；利用计算得到的正弦值和余弦值，无需进行三角计算，可直接实现电机的驱动控制所需要的坐标变换等运算，较大幅度的提高了计算效率。

附图说明

图1是本发明实施方式一的原理框图；

图2是本发明实施方式二的原理框图；

图3是正弦波计算的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于旋转变压器的直流电机控制器，它包括控制器1、DA转换器2、放大器3、旋转变压器4、旋变AD转换器5和驱动电路7，

控制器1包括励磁信号生成单元1-1、峰值检测单元1-2和电机控制单元1-3，

励磁信号生成单元1-1用于产生旋转变压器4的正弦励磁信号，励磁信号生成单元1-1的数字信号输出端连接DA转换器2的数字信号输入端，DA转换器2的模拟信号输出端连接放大器3的模拟信号输入端，放大器3的放大信号输出端连接旋转变压器4励磁绕组的励磁信号输入端，旋转变压器4的正弦绕组信号输出端连接旋变AD转换器5的第一模拟信号输入端，旋转变压器4的余弦绕组信号输出端连接旋变AD转换器5的第二模拟信号输入端，旋变AD转换器5的锁存控制信号输入端连接峰值检测单元1-2的锁存控制信号输出端，峰值检测单元1-2用于检测励磁信号生成单元1-1产生的正弦励磁信号的峰值时刻并根据该峰值时刻获得锁存控制信号；

旋变AD转换器5的第一数字信号输出端连接电机控制单元1-3的第一数字信号输入端，旋变AD转换器5的第二数字信号输出端连接电机控制单元1-3的第二数字信号输入端；电机控制单元1-3的驱动控制信号输出端连接驱动电路7的驱动控制信号输入端，驱动电路7用于驱动电机6运行，电机6的转轴连接旋转变压器4的转轴。

本实施方式中，放大器3用于将正弦励磁信号进行功率和幅值放大，放大器3的输出信号用于驱动旋转变压器4工作，旋转变压器4的正弦输出绕组和余弦输出绕组中产生输出信号。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括电流AD转换器8和电流传感器9，

电流传感器9用于采集电机6的输入电流信号，电流传感器9的电流信号输出端连接电流AD转换器8的电流信号输入端，电流AD转换器8的锁存控制信号输入端连接峰值检测单元1-2的锁存控制信号输出端，电流AD转换器8的电流信号输出端连接电机控制单元1-3的电流信号输入端。

本实施方式中电流传感器9通过与电机的绕组相连接或采用其他耦合地方式获得电机绕组中流经的电流信息；

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于旋转变压器的直流电机控制器的基于旋转变压器的直流电机控制方法，励磁信号生成单元1-1产生正弦励磁信号时，峰值检测单元1-2获得该正弦励磁信号的正峰值或负峰值产生时刻，并产生锁存控制信号给旋变AD转换器5，以锁存正峰值或负峰值产生时刻旋转变压器4输出的正弦绕组电压信号和余弦绕组电压信号；

电机控制单元1-3根据离线标定的正弦绕组电压信号幅值计算获得旋转变压器4的转子相对于其定子转动角度所对应的正弦值；电机控制单元1-3根据离线标定的余弦绕组电压信号幅值计算获得旋转变压器4的转子相对于其定子转动角度所对应的余弦值；

电机控制单元1-3根据所述旋转变压器4的转子相对于其定子转动角度所对应的正弦值和旋转变压器4的转子相对于其定子转动角度所对应的余弦值进行计算，生成驱动电路7驱动控制信号，进而实现对电机6的控制。

励磁信号生成单元1-1产生旋转变压器所需正弦励磁信号的同时，由峰值检测单元1-2准确获得该正弦励磁信号的正峰值和负峰值所产生的时刻，并产生控制信号给旋变AD转换器5，用于锁存此时刻正弦输出绕组和余弦输出绕组输出的电压信号，电机控制单元1-3通过旋变AD转换器5获取锁存的正弦输出绕组和余弦输出绕组输出的电压信号所对应的数字值。

具体实施方式四：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，旋转变压器4的转子相对于其定子所转动角度所对应的正弦值和余弦值的获得方法为：

根据作为正弦励磁信号的正弦波与余弦波的关系，确定余弦波由正值变为负值时对应正弦波的正的峰值时刻，余弦波由负值变为正值时对应正弦波的负的峰值时刻，确定旋变AD转换器5的锁存采样时刻；

首先正弦励磁信号的正弦波及其同时生成的余弦波计算公式的离散形式如下：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}s1[n+1]\\ c1[n+1]\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)& \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)+1\\ \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)-1& \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}s1\left[n\right]\\ c1\left[n\right]\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{c}\cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)*\left(s1\right[n]+c1[n\left]\right)+c1\left[n\right]\\ \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)*\left(s1\right[n]+c1[n\left]\right)-c1\left[n\right]\end{array}\right]\end{array},$

式中s1[n]为当前时刻正弦励磁信号值，c1[n]为与当前时刻正弦励磁信号值同时生成的余弦信号值：

s1[n+1]为当前时刻的下一时刻正弦励磁信号值，c1[n+1]为与当前时刻的下一时刻正弦励磁信号值同时生成的余弦信号值：ω_c为正弦励磁信号的频率；

设定正弦励磁信号V_ref为：

V_ref＝Vsin(ω_ct)，

式中V为正弦励磁信号的幅值，t为时间；

则AD转换器5在锁存采样时刻采集获得的旋转变压器4输出的正弦绕组电压信号V_sin和余弦绕组电压信号V_cos为：

V_cos＝KV_ref cos(θ)＝Asin(ω_ct)cos(θ)，

V_sin＝KV_ref sin(θ)＝Asin(ω_ct)sin(θ)，

式中K为旋转变压器的变比，A为旋转变压器输出信号的幅值，θ为电机转子相对于定子的转角；

在sin(ω_ct)峰值时刻，sin(ω_ct)＝1，则旋转变压器4输出的正弦绕组电压信号V_sin和余弦绕组电压信号V_cos变形为：

V_cos＝Acos(θ)，

V_sin＝Asin(θ)，

进而获得旋转变压器4的转子相对于其定子所转动角度所对应的正弦值sin(θ)和余弦值cos(θ)为：

cos(θ)＝V_cos/A，

sin(θ)＝V_sin/A。

本实施方式中获得旋转变压器4转动角度的正弦值和余弦值的过程中，无需获得电机角度信息。它只用一个乘法运算获得了旋转变压器位置的正弦和余弦值。

本发明中，当电机采用SPWM控制方式时，电机三相绕组中电压需要满足以下关系：

Ua＝Usin(θ)，

Ub＝Usin(θ+2π/3)＝U(sin(θ)cos(2π/3)-cos(θ)sin(2π/3))，

＝-0.5U(sin(θ)-(3^-2)/2cos(θ)

Uc＝Usin(θ-2π/3)＝U(sin(θ)cos(-2π/3)-cos(θ)sin(-2π/3))，

＝-0.5U(sin(θ)+(3^-2)/2cos(θ)

式中Ua，Ub，Uc分别为电机三相绕组的电压，U为电机母线电压。

为了满足Ua，Ub，Uc的相互关系，需要应用sin(θ)和cos(θ)进行计算，采用上述方法即可获得sin(θ)和cos(θ)值。

SVPWM控制方式：当电机采用SVPWM控制方式时，通常需要用到PARK变换和PARK逆变换，分别如下式所示：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right],$

式中i_d为电机d-q旋转坐标系中d轴电流；

i_q为电机d-q旋转坐标系中q轴电流；

i_α为电机α-β固定坐标系中α轴电流；

i_β为电机α-β固定坐标系中β轴电流。

与SPWM控制方式相同，需要应用sin(θ)和cos(θ)进行计算，采用上述方法即可获得sin(θ)和cos(θ)值。

Claims (4)

1.一种基于旋转变压器的直流电机控制器，其特征在于，它包括控制器(1)、DA转换器(2)、放大器(3)、旋转变压器(4)、旋变AD转换器(5)和驱动电路(7)，

控制器(1)包括励磁信号生成单元(1-1)、峰值检测单元(1-2)和电机控制单元(1-3)，

励磁信号生成单元(1-1)用于产生旋转变压器(4)的正弦励磁信号，励磁信号生成单元(1-1)的数字信号输出端连接DA转换器(2)的数字信号输入端，DA转换器(2)的模拟信号输出端连接放大器(3)的模拟信号输入端，放大器(3)的放大信号输出端连接旋转变压器(4)励磁绕组的励磁信号输入端，旋转变压器(4)的正弦绕组信号输出端连接旋变AD转换器(5)的第一模拟信号输入端，旋转变压器(4)的余弦绕组信号输出端连接旋变AD转换器(5)的第二模拟信号输入端，旋变AD转换器(5)的锁存控制信号输入端连接峰值检测单元(1-2)的锁存控制信号输出端，峰值检测单元(1-2)用于检测励磁信号生成单元(1-1)产生的正弦励磁信号的峰值时刻并根据该峰值时刻获得锁存控制信号；

旋变AD转换器(5)的第一数字信号输出端连接电机控制单元(1-3)的第一数字信号输入端，旋变AD转换器(5)的第二数字信号输出端连接电机控制单元(1-3)的第二数字信号输入端；电机控制单元(1-3)的驱动控制信号输出端连接驱动电路(7)的驱动控制信号输入端，驱动电路(7)用于驱动电机(6)运行，电机(6)的转轴连接旋转变压器(4)的转轴。

2.根据权利要求1所述的基于旋转变压器的直流电机控制器，其特征在于，它还包括电流AD转换器(8)和电流传感器(9)，

电流传感器(9)用于采集电机(6)的输入电流信号，电流传感器(9)的电流信号输出端连接电流AD转换器(8)的电流信号输入端，电流AD转换器(8)的锁存控制信号输入端连接峰值检测单元(1-2)的锁存控制信号输出端，电流AD转换器(8)的电流信号输出端连接电机控制单元(1-3)的电流信号输入端。

3.基于权利要求1所述基于旋转变压器的直流电机控制器的基于旋转变压器的直流电机控制方法，其特征在于，励磁信号生成单元(1-1)产生正弦励磁信号时，峰值检测单元(1-2)获得该正弦励磁信号的正峰值或负峰值产生时刻，并产生锁存控制信号给旋变AD转换器(5)，以锁存正峰值或负峰值产生时刻旋转变压器(4)输出的正弦绕组电压信号和余弦绕组电压信号；

电机控制单元(1-3)根据离线标定的正弦绕组电压信号幅值计算获得旋转变压器(4)的转子相对于其定子转动角度所对应的正弦值；电机控制单元(1-3)根据离线标定的余弦绕组电压信号幅值计算获得旋转变压器(4)的转子相对于其定子转动角度所对应的余弦值；

电机控制单元(1-3)根据所述旋转变压器(4)的转子相对于其定子转动角度所对应的正弦值和旋转变压器(4)的转子相对于其定子转动角度所对应的余弦值进行计算，生成驱动电路(7)驱动控制信号，进而实现对电机(6)的控制。

4.根据权利要求3所述的基于旋转变压器的直流电机控制方法，其特征在于，旋转变压器(4)的转子相对于其定子所转动角度所对应的正弦值和余弦值的获得方法为：

根据作为正弦励磁信号的正弦波与余弦波的关系，确定余弦波由正值变为负值时对应正弦波的正的峰值时刻，余弦波由负值变为正值时对应正弦波的负的峰值时刻，确定旋变AD转换器(5)的锁存采样时刻；

首先正弦励磁信号的正弦波及其同时生成的余弦波计算公式的离散形式如下：

$\left[\begin{array}{c}s1[n+1]\\ c1[n+1]\end{array}\right]=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)& \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)+1\\ \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)-1& \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}s1\left[n\right]\\ c1\left[n\right]\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}\cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)*\left(s1\right[n]+c1[n\left]\right)+c1\left[n\right]\\ \cos \left({\mathrm{\ω}}_c\right)*\left(s1\right[n]+c1[n\left]\right)-c1\left[n\right]\end{array}\right]\end{array},$

式中s1[n]为当前时刻正弦励磁信号值，c1[n]为与当前时刻正弦励磁信号值同时生成的余弦信号值：

s1[n+1]为当前时刻的下一时刻正弦励磁信号值，c1[n+1]为与当前时刻的下一时刻正弦励磁信号值同时生成的余弦信号值：ω_c为正弦励磁信号的频率；

设定正弦励磁信号V_ref为：

V_ref＝Vsin(ω_ct)，

式中V为正弦励磁信号的幅值，t为时间；

则AD转换器(5)在锁存采样时刻采集获得的旋转变压器(4)输出的正弦绕组电压信号V_sin和余弦绕组电压信号V_cos为：

V_cos＝KV_refcos(θ)＝Asin(ω_ct)cos(θ)，

V_sin＝KV_refsin(θ)＝Asin(ω_ct)sin(θ)，

式中K为旋转变压器的变比，A为旋转变压器输出信号的幅值，θ为电机转子相对于定子的转角；

在sin(ω_ct)峰值时刻，sin(ω_ct)＝1，则旋转变压器(4)输出的正弦绕组电压信号V_sin和余弦绕组电压信号V_cos变形为：

V_cos＝Acos(θ)，

V_sin＝Asin(θ)，

进而获得旋转变压器(4)的转子相对于其定子所转动角度所对应的正弦值sin(θ)和余弦值cos(θ)为：

cos(θ)＝V_cos/A，

sin(θ)＝V_sin/A。