CN105222814A - 多圈记忆旋转变压器解码电路及其位置解算方法 - Google Patents

Abstract

一种多圈记忆旋转变压器解码电路及其位置解算方法，旋转变压器激励电路产生正弦激励信号施加到初级励磁绕组，旋转变压器输出信号采集电路对次级感应绕组的输出电压值进行采样，位置解算电路根据旋转变压器次级感应绕组的输出电压值计算得到电机转子角度、电机转子速度和电机转子圈数，电源管理电路能够在外部供电断电情况下仍然为多圈记忆旋转变压器解码电路提供电能。本发明在提供高精度电机转子角度信息和转速信息的同时，提供电机多圈绝对角度信息，并在系统掉电情况下仍然能够完成对旋转变压器信息的解码功能。

Description

多圈记忆旋转变压器解码电路及其位置解算方法

技术领域

本发明涉及一种多圈记忆旋转变压器解码电路及其位置解算方法。

背景技术

在机器人伺服系统中，需要实时检测出转子的位置，同时还需要检测出电机的旋转速度以及电机旋转多圈绝对角度，以实现对电机的转矩、速度、以及驱动机构位置的高精度控制。目前，常用的位置传感元件主要有霍尔传感器、光电编码器、磁编码器、旋转变压器等。旋转变压器由于结构简单、具有耐高温、耐湿度、抗振动、抗干扰能力强等优点，常应用于工作环境恶劣的场合。

旋转变压器简称旋变，是一种输出电压随转子转角变化的传感元件。当旋变励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，旋变输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系。旋变输出为两路包含位置信息的高频调制模拟信号，无法被数字信号处理器直接使用，故必须对其进行解码运算，得到电机转子绝对位置数字信号。

旋转变压器的解码电路一般由专用芯片如多摩川公司的AU6802N1等专用芯片完成。诸多文献如《基于旋转变压器的电动机转子位置检测研究》均采用AU6802N1完成旋转变压器的激励与解码功能，能够提供电机转子单圈绝对角度以及旋转速度。但是，在系统掉电情况下，若存在人为移动电机转轴后，系统需要重新对电机转子进行找零。在机器人伺服系统中，不仅需要实时检测出转子的位置，还要求能够提供电机旋转的多圈绝对角度并具有在系统掉电情况下继续对旋变进行解码的能力，以实现对电机的转矩、速度、以及驱动机构位置的高精度控制。

发明内容

本发明提供一种多圈记忆旋转变压器解码电路及其位置解算方法，在提供高精度电机转子角度信息和转速信息的同时，提供电机多圈绝对角度信息，并在系统掉电情况下仍然能够完成对旋转变压器信息的解码功能。

为了达到上述目的，本发明提供一种多圈记忆旋转变压器解码电路，包含：

旋转变压器激励电路，其输出端电性连接旋转变压器的初级励磁绕组，该旋转变压器激励电路产生正弦激励信号施加到初级励磁绕组；

旋转变压器输出信号采集电路，其输入端电性连接旋转变压器的次级感应绕组，该旋转变压器输出信号采集电路对次级感应绕组的输出电压值进行采样；

位置解算电路，其输入端电性连接旋转变压器输出信号采集电路的输出端，该位置解算电路根据旋转变压器次级感应绕组的输出电压值计算得到电机转子角度、电机转子速度和电机转子圈数；

电源管理电路，其输出端电性连接旋转变压器激励电路、旋转变压器输出信号采集电路和位置解算电路，该电源管理电路能够在外部供电断电情况下仍然为多圈记忆旋转变压器解码电路提供电能。

所述的旋转变压器激励电路包含：

直接数字频率合成器，其产生频率和相位可控的正弦信号；

模数转换器，其输入端电性连接直接数字频率合成器的输出端，该模数转换器将直接数字频率合成器输出的正弦数字信号转换成模拟信号；

功率放大电路，其输入端电性连接模数转换器的输出端，该功率放大电路实现对模拟信号的功率放大；

滤波电路，其输入端电性连接功率放大电路的输出端，输出端电性连接旋转变压器的初级励磁绕组，该滤波电路实现对模拟信号的滤波，并将放大滤波后的模拟正弦信号施加到初级励磁绕组上。

所述的直接数字频率合成器包含：

频率设置模块，该模块设置旋转变压器激励电路激励信号的频率；

相位设置模块，该模块设置旋转变压器激励电路激励信号的相位；

系统时钟，该模块给直接数字频率合成器提供时钟信号；

相位累加器，该模块用于对输入频率控制字进行累加，其输入端电性连接频率设置模块、相位设置模块和系统时钟的输出端；

相位调制器，该模块用于信号相位的调制，其输入端电性连接相位累加器和系统时钟的输出端；

正弦查找表，该模块用于实现正弦信号波形的产生，其输入端电性连接相位调制器和系统时钟的输出端。

所述的旋转变压器输出信号采集电路包含：

信号调理电路，其输入端电性连接旋转变压器的次级感应绕组，该信号调理电路对次级感应绕组的输出电压模拟信号进行滤波放大，使其满足模数采样电路的输入电压范围；

模数采样电路，其输入端电性连接信号调理电路的输出端，该模数采样电路对调理后的模拟信号进行采样；

ADC控制电路，其输入端电性连接模数采样电路，输出端电性连接位置解算电路，该ADC控制电路控制模数采样电路，将采样后的数字信号发送给位置解算电路。

所述的电源管理电路包含：

备用电池，其电性连接外部电源，该备用电池为可重复充电蓄电池，在掉电情况下为多圈记忆旋转变压器解码电路提供电能，并可利用外部电源充电；

电压检测电路，其电性连接外部电源和备用电池，该电压检测电路用于检测外部电源是否掉电，并实现备用电池和外部电源之间的切换；

电压转换电路，其电性连接外部电源和电压检测电路，该电压转换电路将供电电源转换为多圈记忆旋转变压器解码电路需要的电压。

本发明还提供一种旋转变压器位置解算方法，包含以下步骤：

对旋转变压器的输出值进行反正切计算，直接得到电机转子的绝对角度；

对电机转子角度进行微分计算，得到电机转子的转速信息；

根据电机转子角度的当前值与存储值的差值，判断电机转子的旋转方向，并判断电机转子的位置是否过零点，从而完成多圈计数，获得电机转子角度信息和转子圈数信息。

对旋转变压器的输出值进行反正切计算，直接得到电机转子的绝对角度的步骤包含：

旋转变压器输出的正弦调制信号与余弦调制信号之比为转子位置的正切函数：

$\frac{E_{S1-S3}}{E_{S2-S4}}=\frac{{\mathrm{KE}}_{0}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)sin\mathrm{\θ}}{{\mathrm{KE}}_{0}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)\cos \mathrm{\θ}}=tan\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

式中，E_S1-S3是正弦调制信号，E_S1-S3＝KE₀sin(ωt)sinθ，E_S2-S4是余弦调制信号，E_S2-S4＝KE₀sin(ωt)cosθ，E₀为正弦激励信号电压幅值，ω为正弦激励信号角频率，K为旋转变压器的变比，θ为初级励磁绕组与转子夹角；

进行反正切计算即可得到电机转子角度：

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \left(\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{\cos \mathrm{\&theta;}}\right)& \cos \mathrm{\&theta;}>0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan \left(\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{\cos \mathrm{\&theta;}}\right)& \cos \mathrm{\&theta;}<0\end{array}\right.---\left(5\right).$

对电机转子角度进行微分计算，得到电机转子的转速信息的步骤包含：

电机转子角度与转子速度的关系为：

通过对电机转子角度的微分可得到电机转子速度。

如果电机转子角度的当前值与存储值的差值大于零，则判断电机转子为正转，如果电机转子角度的当前值与存储值的差值小于等于零，则判断电机转子为反转；

如果电机转子正转过零点，则转子圈数值加一；如果电机转子正转未过零点，或者电机转子反转未过零点，则转子圈数值保持不变；如果电机转子反转过零点，则转子圈数值减一。

本发明在提供高精度电机转子角度信息和转速信息的同时，提供电机多圈绝对角度信息，并在系统掉电情况下仍然能够完成对旋转变压器信息的解码功能。

附图说明

图1是旋转变压器原理示意图。

图2是本发明提供的多圈记忆旋转变压器解码电路的电路框图。

图3是旋转变压器激励电路的电路框图。

图4是电源管理电路的电路框图。

图5是电机转子多圈计数的流程图。

具体实施方式

以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。

旋转变压器原理示意图如图1所示，初级励磁绕组(R1-R2)和两相次级感应绕组(S1-S3和S2-S4)在电机定子侧。工作时，对初级励磁绕组R1-R2施加20KHz的正弦激励信号，次级感应绕组的输出电压随转子与初级励磁绕组间的夹角变化而变化，相互之间关系如下：

E_R1-R2＝E₀sin(ωt)(1)

E_S1-S3＝KE₀sin(ωt)sinθ(2)

E_S2-S4＝KE₀sin(ωt)cosθ(3)

式中，E₀为正弦激励信号电压幅值，ω为正弦激励信号角频率，K为旋转变压器的变比，θ为初级励磁绕组与转子夹角。

旋转变压器次级绕组输出的两路正交模拟电压中包含转子绝对位置信息，对其解算即可得到检测出电机转子绝对位置信息。

如图2所示，本发明提供一种多圈记忆旋转变压器解码电路，包含：

旋转变压器激励电路1，其输出端电性连接旋转变压器的初级励磁绕组，该旋转变压器激励电路1产生正弦激励信号施加到初级励磁绕组；

旋转变压器输出信号采集电路2，其输入端电性连接旋转变压器的次级感应绕组，该旋转变压器输出信号采集电路2对次级感应绕组的输出电压值进行采样；

位置解算电路3，其输入端电性连接旋转变压器输出信号采集电路2的输出端，该位置解算电路3根据旋转变压器次级感应绕组的输出电压值计算得到电机转子角度、电机转子速度和电机转子圈数；

电源管理电路4，其输出端电性连接旋转变压器激励电路1、旋转变压器输出信号采集电路2和位置解算电路3，该电源管理电路4能够在外部供电断电情况下仍然为多圈记忆旋转变压器解码电路提供电能；

存储器5，其电性连接位置解算电路3，用于存储解算数据，本实施例中，该存储器5采用FLASH存储器。

本实施例中，UART是通用异步接受/发送装置，作用为将解算得到的位置信号与速度信号输出，RS422是串行通信接口，连接到输出端，将解算得到的信号发送给使用旋转变压器的用户。

如图2所示，所述的旋转变压器激励电路1包含：

直接数字频率合成器101，其产生频率和相位可控的正弦信号；

模数转换器(DAC)102，其输入端电性连接直接数字频率合成器101的输出端，该模数转换器102将直接数字频率合成器101输出的正弦数字信号转换成模拟信号；

功率放大电路103，其输入端电性连接模数转换器102的输出端，该功率放大电路103实现对模拟信号的功率放大；

滤波电路104，其输入端电性连接功率放大电路103的输出端，输出端电性连接旋转变压器的初级励磁绕组，该滤波电路104实现对模拟信号的滤波，并将放大滤波后的模拟正弦信号施加到初级励磁绕组上。

如图3所示，本实施例中，所述的直接数字频率合成器101是利用FPGA(现场可编程门阵列，FieldProgrammableGateArray)芯片实现，该直接数字频率合成器101包含：

频率设置模块1011，该模块设置旋转变压器激励电路1激励信号的频率；

相位设置模块1012，该模块设置旋转变压器激励电路1激励信号的相位；

系统时钟1013，该模块给直接数字频率合成器101提供时钟信号；

相位累加器1014，该模块用于对输入频率控制字进行累加，其输入端电性连接频率设置模块1011、相位设置模块1012和系统时钟1013的输出端；

相位调制器1015，该模块用于信号相位的调制，其输入端电性连接相位累加器1014和系统时钟1013的输出端；

正弦查找表1016，该模块用于实现正弦信号波形的产生，其输入端电性连接相位调制器1015和系统时钟1013的输出端。

如图2所示，所述的旋转变压器输出信号采集电路2包含：

信号调理电路201，其输入端电性连接旋转变压器的次级感应绕组，该信号调理电路201对次级感应绕组的输出电压模拟信号进行滤波放大，使其满足模数采样电路的输入电压范围；

模数采样电路(ADC)202，其输入端电性连接信号调理电路201的输出端，该模数采样电路202对调理后的模拟信号进行采样；

ADC控制电路203，其输入端电性连接模数采样电路202，输出端电性连接位置解算电路3，该ADC控制电路203控制模数采样电路202，将采样后的数字信号发送给位置解算电路3；

本实施例中，所述的ADC控制电路203是采用FPGA芯片的并口通信模块，以实现对模数采样电路202的控制，为保证采样的精度，模数采样电路202采用14位高速ADC，以16倍过采样的原理对旋转变压器的输出信号进行采样。

所述的位置解算电路3根据旋转变压器的输出值计算得到电机转子角度、电机转子速度和电机转子多圈绝对角度信息(电机转子角度信息和转子圈数信息)，本实施例中，该位置解算电路3采用FPGA芯片编程实现。

如图4所示，所述的电源管理电路4在外部电源掉电的情况下利用备用电池供电实现多圈记忆旋转变压器解码电路的24小时工作功能，也即记忆功能，该电源管理电路4包含：

备用电池401，其电性连接外部电源，该备用电池为可重复充电蓄电池，在掉电情况下为多圈记忆旋转变压器解码电路提供电能，并可利用外部电源充电；

电压检测电路402，其电性连接外部电源和备用电池401，该电压检测电路402用于检测外部电源是否掉电，并实现备用电池和外部电源之间的切换；

电压转换电路403，其电性连接外部电源和电压检测电路402，该电压转换电路403将供电电源转换为多圈记忆旋转变压器解码电路需要的电压。

本实施例中，电压检测电路402采用S80850DI电压检测芯片。

本实施例中，所述的电压转换电路403包含电性连接的低压差线性稳压器(LDO)和电压反转器(ADM)，低压差线性稳压器输出3.3V电压给FPGA芯片，输出1.2V电压给FLASH存储器，电压反转器输出±5V电压给信号调理电路201、功率放大电路103和滤波电路104。

本发明还提供一种旋转变压器位置解算方法，包含以下步骤：

步骤S1、对旋转变压器的输出值进行反正切计算，直接得到电机转子的绝对角度；

步骤S2、对电机转子角度进行微分计算，得到电机转子的转速信息；

步骤S3、对电机转子角度进行判断，完成多圈计数，获得电机转子多圈绝对角度；

步骤S4、将计算得到的电机转子角度、电机转子速度和电机转子多圈绝对角度保存在存储器中。

所述的步骤S1中，旋转变压器输出的正弦调制信号与余弦调制信号之比为转子位置的正切函数：

$\frac{E_{S1-S3}}{E_{S2-S4}}=\frac{{\mathrm{KE}}_{0}sin\left(\mathrm{\&omega;}t\right)sin\mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{KE}}_{0}sin\left(\mathrm{\&omega;}t\right)\cos \mathrm{\&theta;}}=tan\mathrm{\&theta;}---\left(4\right)$

式中，E_S1-S3是正弦调制信号，E_S1-S3＝KE₀sin(ωt)sinθ，E_S2-S4是余弦调制信号，E_S2-S4＝KE₀sin(ωt)cosθ，_E0为正弦激励信号电压幅值，ω为正弦激励信号角频率，K为旋转变压器的变比，θ为初级励磁绕组与转子夹角；

进行反正切计算即可得到电机转子角度：

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \left(\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{\cos \mathrm{\&theta;}}\right)& \cos \mathrm{\&theta;}>0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan \left(\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{\cos \mathrm{\&theta;}}\right)& \cos \mathrm{\&theta;}<0\end{array}\right.---\left(5\right).$

所述的步骤S2中，电机转子角度与转子速度的关系为：

$\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}=\frac{d\mathrm{\&theta;}}{dt}---\left(6\right)$

通过对电机转子角度的微分可得到电机转子速度。

如图5所示，所述的步骤S3中，电机转子多圈计数包含以下步骤：

步骤S301、读取电机转子角度信息和转子圈数信息的存储值；

步骤S302、获取步骤S1中计算得到的电机转子角度的当前值；

步骤S303、计算电机转子角度的当前值与存储值的差值；

步骤S304、判断差值是否大于0，如果是，进行步骤S305，如果否，进行步骤S308；

步骤S305、判断电机转子是否是正转过零点，如果是，进行步骤S306，如果否，进行步骤S307；

步骤S306、将转子圈数值加一，进行步骤S311；

步骤S307、维持转子圈数值不变，进行步骤S311；

步骤S308、判断电机转子是否是反转过零点，如果是，进行步骤S309，如果否，进行步骤S310；

步骤S309、将转子圈数值减一，进行步骤S311；

步骤S310、维持转子圈数值不变，进行步骤S311；

步骤S311、更新电机转子角度信息和转子圈数信息的存储值。

本发明在提供高精度电机转子角度信息和转速信息的同时，提供电机多圈绝对角度信息，并在系统掉电情况下仍然能够完成对旋转变压器信息的解码功能。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种多圈记忆旋转变压器解码电路，其特征在于，包含：

旋转变压器激励电路(1)，其输出端电性连接旋转变压器的初级励磁绕组，该旋转变压器激励电路(1)产生正弦激励信号施加到初级励磁绕组；

旋转变压器输出信号采集电路(2)，其输入端电性连接旋转变压器的次级感应绕组，该旋转变压器输出信号采集电路(2)对次级感应绕组的输出电压值进行采样；

位置解算电路(3)，其输入端电性连接旋转变压器输出信号采集电路(2)的输出端，该位置解算电路(3)根据旋转变压器次级感应绕组的输出电压值计算得到电机转子角度、电机转子速度和电机转子圈数；

电源管理电路(4)，其输出端电性连接旋转变压器激励电路(1)、旋转变压器输出信号采集电路(2)和位置解算电路(3)，该电源管理电路(4)能够在外部供电断电情况下仍然为多圈记忆旋转变压器解码电路提供电能。

2.如权利要求1所述的多圈记忆旋转变压器解码电路，其特征在于，所述的旋转变压器激励电路(1)包含：

直接数字频率合成器(101)，其产生频率和相位可控的正弦信号；

模数转换器(102)，其输入端电性连接直接数字频率合成器(101)的输出端，该模数转换器(102)将直接数字频率合成器(101)输出的正弦数字信号转换成模拟信号；

功率放大电路(103)，其输入端电性连接模数转换器(102)的输出端，该功率放大电路(103)实现对模拟信号的功率放大；

滤波电路(104)，其输入端电性连接功率放大电路(103)的输出端，输出端电性连接旋转变压器的初级励磁绕组，该滤波电路(104)实现对模拟信号的滤波，并将放大滤波后的模拟正弦信号施加到初级励磁绕组上。

3.如权利要求1所述的多圈记忆旋转变压器解码电路，其特征在于，所述的直接数字频率合成器(101)包含：

频率设置模块(1011)，该模块设置旋转变压器激励电路(1)激励信号的频率；

相位设置模块(1012)，该模块设置旋转变压器激励电路(1)激励信号的相位；

系统时钟(1013)，该模块给直接数字频率合成器(101)提供时钟信号；

相位累加器(1014)，该模块用于对输入频率控制字进行累加，其输入端电性连接频率设置模块(1011)、相位设置模块(1012)和系统时钟(1013)的输出端；

相位调制器(1015)，该模块用于信号相位的调制，其输入端电性连接相位累加器(1014)和系统时钟(1013)的输出端；

正弦查找表(1016)，该模块用于实现正弦信号波形的产生，其输入端电性连接相位调制器(1015)和系统时钟(1013)的输出端。

4.如权利要求1所述的多圈记忆旋转变压器解码电路，其特征在于，所述的旋转变压器输出信号采集电路(2)包含：

信号调理电路(201)，其输入端电性连接旋转变压器的次级感应绕组，该信号调理电路(201)对次级感应绕组的输出电压模拟信号进行滤波放大，使其满足模数采样电路的输入电压范围；

模数采样电路(202)，其输入端电性连接信号调理电路(201)的输出端，该模数采样电路(202)对调理后的模拟信号进行采样；

ADC控制电路(203)，其输入端电性连接模数采样电路(202)，输出端电性连接位置解算电路(3)，该ADC控制电路(203)控制模数采样电路(202)，将采样后的数字信号发送给位置解算电路(3)。

5.如权利要求1所述的多圈记忆旋转变压器解码电路，其特征在于，所述的电源管理电路(4)包含：

备用电池(401)，其电性连接外部电源，该备用电池为可重复充电蓄电池，在掉电情况下为多圈记忆旋转变压器解码电路提供电能，并可利用外部电源充电；

电压检测电路(402)，其电性连接外部电源和备用电池(401)，该电压检测电路(402)用于检测外部电源是否掉电，并实现备用电池和外部电源之间的切换；

电压转换电路(403)，其电性连接外部电源和电压检测电路(402)，该电压转换电路(403)将供电电源转换为多圈记忆旋转变压器解码电路需要的电压。

6.一种旋转变压器位置解算方法，其特征在于，包含以下步骤：

对旋转变压器的输出值进行反正切计算，直接得到电机转子的绝对角度；

对电机转子角度进行微分计算，得到电机转子的转速信息；

根据电机转子角度的当前值与存储值的差值，判断电机转子的旋转方向，并判断电机转子的位置是否过零点，从而完成多圈计数，获得电机转子角度信息和转子圈数信息。

7.如权利要求6所述的旋转变压器位置解算方法，其特征在于，对旋转变压器的输出值进行反正切计算，直接得到电机转子的绝对角度的步骤包含：

旋转变压器输出的正弦调制信号与余弦调制信号之比为转子位置的正切函数：

$\frac{E_{S1-S3}}{E_{S2-S4}}=\frac{{\mathrm{KE}}_0\sin \left(\mathrm{\&omega;}t\right)sin\mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{KE}}_{0}sin\left(\mathrm{\&omega;}t\right)cos\mathrm{\&theta;}}=tan\mathrm{\&theta;}---\left(4\right)$

式中，E_S1-S3是正弦调制信号，E_S1-S3＝KE₀sin(ωt)sinθ，E_S2-S4是余弦调制信号，E_S2-S4＝KE₀sin(ωt)cosθ，E₀为正弦激励信号电压幅值，ω为正弦激励信号角频率，K为旋转变压器的变比，θ为初级励磁绕组与转子夹角；

进行反正切计算即可得到电机转子角度：

$\mathrm{\&theta;}=\{\begin{array}{cc}\arctan \left(\frac{sin\mathrm{\&theta;}}{cos\mathrm{\&theta;}}\right)& cos\mathrm{\&theta;}>0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan \left(\frac{sin\mathrm{\&theta;}}{cos\mathrm{\&theta;}}\right)& cos\mathrm{\&theta;}<0\end{array}---\left(5\right).$

8.如权利要求6所述的旋转变压器位置解算方法，其特征在于，对电机转子角度进行微分计算，得到电机转子的转速信息的步骤包含：

电机转子角度与转子速度的关系为：

通过对电机转子角度的微分可得到电机转子速度。

9.如权利要求6所述的旋转变压器位置解算方法，其特征在于，

如果电机转子角度的当前值与存储值的差值大于零，则判断电机转子为正转，如果电机转子角度的当前值与存储值的差值小于等于零，则判断电机转子为反转；

如果电机转子正转过零点，则转子圈数值加一；如果电机转子正转未过零点，或者电机转子反转未过零点，则转子圈数值保持不变；如果电机转子反转过零点，则转子圈数值减一。