CN107017845B - 用于单极旋转变压器的角度解调装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转变压器角度解调技术领域，公开了一种用于单极旋转变压器的角度解调装置及方法。该单极旋转变压器适于接收激磁电源所输入的激磁信号，以及该单极旋转变压器还适于基于激磁信号输出与单极旋转变压器的轴角角度相关的正弦输出信号和余弦输出信号，所述用于单极旋转变压器的角度解调装置包括：乘法器，用于将激磁信号和正弦输出信号执行相乘作用以输出相乘增益信号；直流分量筛选单元，用于从相乘增益信号中筛选直流信号分量；模数转换器，用于模数转换直流信号分量来输出单极旋转变压器的轴角角度。能够以更低的成本实现解调单极旋转变压器的轴角角度。

Description

用于单极旋转变压器的角度解调装置及方法

技术领域

本发明涉及旋转变压器角度解调技术领域，具体地涉及一种用于单极旋转变压器的角度解调装置及方法。

背景技术

旋转变压器作为角度位置传感器件，广泛应用于传统的、要求可靠性高的军用、航天航空领域，同时在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。单极旋转变压器的角度解调方法目前主要使用旋转变压器数字变换器模块来实现。该模块需要使用旋转变压器的激磁信号、正余弦输出信号，并通过闭环控制回路来实现旋转变压器的角度解调，导致旋转变压器数字变换模块的体积大、印制板元器件及其连线较多的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于单极旋转变压器的角度解调装置及方法，用以至少解决现有技术中的旋转变压器数字变换模块的体积大、印制板元器件及其连线较多的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种用于单极旋转变压器的角度解调装置，该单极旋转变压器，用于接收激磁电源12所输入的激磁信号，以及基于所述激磁信号输出与所述单极旋转变压器的轴角角度相关的正弦输出信号和余弦输出信号，所述角度解调装置包括：乘法器101，用于将所述激磁信号和所述正弦输出信号执行相乘作用以输出相乘增益信号；直流分量筛选单元102，用于从所述相乘增益信号中筛选直流信号分量；以及模数转换器103，用于模数转换所述直流信号分量来输出所述单极旋转变压器的轴角角度。

其中，所述直流分量筛选单元102包括：低通滤波器1021，用于滤波所述相乘增益信号以将所述相乘增益信号转换为低频滤波信号；和直流分量确定模块1022，用于从所述低频滤波信号中确定直流信号分量。

其中，所述直流分量筛选单元102还包括：连接至所述直流分量确定模块，用于将所述直流信号分量调理到符合所述模数转换器的信号输入要求的信号调理模块。

其中，所述单极旋转变压器设置在四框架光电吊舱系统中，用于测量外框架相对内框架的转动角度，其中θ为所述单极旋转变压器的轴角角度，且当θ<5°时，令sinθ=θ，以从低频滤波信号中所确定直流信号分量；并对直流信号分量进行模数转换，以输出关于θ的角度信号。

本发明实施例另一方面提供一种用于单极旋转变压器的角度解调方法，该角度解调方法适用于上述的角度解调装置，包括步骤：301将所述激磁信号和所述正弦输出信号执行相乘作用以输出相乘增益信号；302从所述相乘增益信号中筛选直流信号分量；303模数转换所述直流信号分量来输出所述单极旋转变压器的轴角角度。

其中，所述从相乘增益信号中筛选直流信号分量包括：滤波所述相乘增益信号以将所述相乘增益信号转换为低频滤波信号；和从所述低频滤波信号中确定直流信号分量。

其中，所述激磁信号满足 V₁=K· sinωt，其中K为激磁信号幅值，ω为激磁信号角频率；以及所述单极旋转变压器的正弦输出信号为V₂= K· sinωt· sinθ ，其中θ为所述单极旋转变压器的轴角角度；所述方法包括：将激磁信号V₁和正弦输出信号V₂执行相乘作用以输出相乘增益信号V₃，V₃满足

V₃= V₁×V₂= K² · (sinωt)² · sinθ=

K²·sinθ-

K² · sinθ·cos2ωt ；

使用低通滤波器滤除掉所述相乘增益信号中含cos2ωt的高频信号分量，以将所述相乘增益信号转换为低频滤波信号V₄，V₄满足

V₄=

K²·sinθ；

当θ<5°时，令sinθ=θ，则从低频滤波信号V₄中所确定直流信号分量V₄ ^’满足

V₄ ^’=

K²·θ；

对直流信号分量V₄ ^’进行模数转换以输出关于θ的角度信号。

可选的，在从低频滤波信号中确定直流信号分量之后还包括：将所述直流信号分量调理到符合所述模数转换器的信号输入要求的步骤。

通过本发明的上述用于单极旋转变压器的角度解调装置所提供的技术方案中，只使用了单极旋转变压器的激磁信号和正弦输出信号，而并没有使用余弦输出信号，由此简化了印制板元器件及其连线；相比于传统旋转变压器数字变换器模块解调出单极旋转变压器的轴角角度信息，本发明提供了一种全新简单的利用乘法器、直流分量筛选单元的开环控制装置以解析单极旋转变压器的轴角角度的技术方案，能够实现印制板的体积占用小、元器件布局及其连线简单的优点，且更易于设计和更低的成本，有利于本发明技术方案的推广应用。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例的用于单极旋转变压器的角度解调装置的结构示意图；

图2是图1中的直流分量筛选单元102在一种实施方式下的具体结构示意图；

图3是本发明一实施例的用于单极旋转变压器的角度解调装置的工作原理示意图；

图4是本发明一实施例的用于单极旋转变压器的角度解调的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

参见图1是示出的是本发明一实施例的用于单极旋转变压器的角度解调装置的结构示意图，如图1所示，该用于单极旋转变压器的角度解调装置10通过乘法器与单极旋转变压器11及激磁电源12分别连接，以及单极旋转变压器11还与激磁电源12相连接；其中，单极旋转变压器11适于接收激磁电源12所输入的激磁信号，以及单极旋转变压器11还适于基于该激磁信号输出与单极旋转变压器11的轴角角度相关的正弦输出信号和余弦输出信号。该角度解调装置10包含乘法器101、与乘法器101相连接的直流分量筛选单元102及与直流分量筛选单元102相连接的模数转换器103；其中乘法器101将激磁信号和正弦输出信号执行相乘作用以输出相乘增益信号，直流分量筛选单元102从该相乘增益信号中筛选直流信号分量，然后模数转换器103模数转换该直流信号分量来输出单极旋转变压器11的轴角角度。

在本实施例中，只使用了单极旋转变压器的激磁信号和正弦输出信号，而并没有使用余弦输出信号，由此简化了印制板元器件及其连线；相比于传统单极旋转变压器数字变换器模块解调出单极旋转变压器的轴角角度信息，本发明提供了一种全新简单的利用乘法器、直流分量筛选单元的开环控制装置以解析单极旋转变压器的轴角角度的技术方案，能够实现印制板的体积占用小、元器件布局及其连线简单的优点，且更易于设计和更低的成本，有利于本实施例所公开的技术方案的推广应用。

继续参照图2示出的是直流分量筛选单元102在一种实施方式下的结构示意图，该直流分量筛选单元102包含低通滤波器1021和与其相连接的直流分量确定模块1022，其中低通滤波器1021滤波该相乘增益信号以将该相乘增益信号转换为低频滤波信号，以及直流分量确定模块1022可以从所述低频滤波信号中确定直流信号分量。作为进一步的优化和公开，用于单极旋转变压器的角度解调装置10还包含有与直流分量确定模块1022相连接的信号调理模块（未示出），用于将直流信号分量调理到符合模数转换器的信号输入要求，以保障模数转换的可靠性。更优选地，该信号调理模块还可以进行采样前的抗混叠滤波。

关于直流分量确定模块1022从低频滤波信号中确定直流信号分量的具体方式，可以是依据单极旋转变压器的具体应用环境下所确定。作为示例，当单极旋转变压器应用于四框架光电吊舱系统中，利用单极旋转变压器来测量外框架相对内框架的转动角度，其转动角度小于5°。根据四框架光电吊舱的控制原理，外框架始终跟随内框架转动，单极旋转变压器的轴角角度θ<5°，在这种情况下单极旋转变压器的轴角角度与该轴角角度的正弦值的差别不是很大，可以利用该轴角角度的正弦值来预测单极旋转变压器的轴角角度。可以理解的是，上述的单极旋转变压器的轴角角度的确定方式仅作为示例以说明本发明的技术方案，并不用作限制本发明实施例的保护范围。

参见图3是本发明一实施例的用于单极旋转变压器的角度解调装置的工作原理示意图；如图3所示，用于单极旋转变压器的角度解调装置（未示出）包含乘法器201、低通滤波器202、信号调理电路203及模数转换器204，以及单极旋转变压器21和激磁电源22，关于本实施例中的201-201、21和22的连接关系及相关描述可以参照上文实施例的描述，在此不加以赘述。

如图3所示，乘法器将激磁信号和单极旋转变压器正弦输出信号进行乘法运算，经过低通滤波器滤除掉高频信号，剩下含有正比于角度的直流信号，信号调理电路调理该直流信号到满足模数转换器的输入要求的信号幅度范围，最后由模数转换器将该角度信息信号转换成数字信号并输出。

更具体地，假定激磁电源22所输入的激磁信号满足V₁=K· sinωt，其中K为激磁信号幅值，ω为激磁信号角频率；

此时，单极旋转变压器21的正弦输出信号为V₂= K· sinωt· sinθ，θ为单极旋转变压器轴角角度；

然后，经由乘法器201所输出的信号满足

V₃= V₁×V₂= K²· (sinωt)²·sinθ=

K²·sinθ-

K²·sinθ·cos2ωt ；

然后，经过低通滤波器202滤除掉cos2ωt的高频信号分量，得低频滤波信号V₄=

K²·sinθ；当将本实施例的角度解调装置应用至在四框架光电吊舱系统中的单极旋转变压器21时，由于单极旋转变压器的轴角角度θ<5°，存在sinθ≈θ，可以使得sinθ=θ，则从低频滤波信号V₄中所确定直流信号分量V₄ ^’ =

K²· θ；

然后，经由信号调理电路203将信号电压调整到适合模数转换器204的合理范围，并进行采样前的抗混叠滤波，得到V₅ =K’·θ，其中K’为系统整体增益系数，由此确定了信号调理电路所输出的信号V₅与角度θ的线性对应关系；

最后，由模数转换器204将该信号V₅经过A/D模数转换后，输出关于θ的角度信号。

在本实施例中，针对单极旋转变压器在四框架光电吊舱中的使用特点，利用sinθ≈θ的特性，从低频滤波信号分离出直流信号分量，并由此提供一种使用简单的模拟乘法器和低通滤波器的方法代替复杂的闭环跟踪角度解调的技术方案，角度解调的原理简单可靠，使得本实施例针对处于小角度的情况下的旋转变压器可确定较准确的角度数据。当然可以理解的是，当单极旋转变压器处于其他的应用场景下时，可以将sinθ转换为其他类型的直流分量，例如：M·θ或θ+N（其中M、N为常数）等等，都应当属于本发明实施例的保护范围，处于篇幅的原因，在此不加以赘述。

参见图4示出的是本发明一实施例的用于单极旋转变压器的角度解调的方法流程图，如图4所示，该方法包括：

步骤301：将激磁信号和正弦输出信号执行相乘作用以输出相乘增益信号；

步骤302：从相乘增益信号中筛选直流信号分量；

步骤303：模数转换直流信号分量来输出单极旋转变压器的轴角角度。

作为进一步的优化和公开，步骤302包括：滤波相乘增益信号以将相乘增益信号转换为低频滤波信号；从低频滤波信号中确定直流信号分量。以及在从低频滤波信号中确定直流信号分量之后还包括：将直流信号分量调理到符合模数转换器的信号输入要求。

本发明实施例方法中的各个步骤可以由不同的特定电子元器件分别执行，也可以是由电子元器件执行多个步骤，在此不加以限定。应用本发明实施例方法的产品或装置可以替换现有技术中的旋转变压器数字变换器模块的一部分或全部的功能。本发明实施例方法尤其适合用于解调设置在四框架光电吊舱系统中的单极旋转变压器的轴角角度。

关于本实施例更多的细节、包含更具体的技术方案及技术效果，在不冲突的情况下，都可以参照上文其他实施例的描述，故在此不加以赘述。

以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个（可以是单片机，芯片等）或处理器（processor）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (3)

1.用于单极旋转变压器的角度解调装置，该单极旋转变压器，用于接收激磁电源(12)所输入的激磁信号，以及基于所述激磁信号输出与所述单极旋转变压器的轴角角度相关的正弦输出信号和余弦输出信号，其特征在于，所述角度解调装置包括：

乘法器(101)，用于将所述激磁信号和所述正弦输出信号执行相乘作用以输出相乘增益信号；直流分量筛选单元(102)，用于从所述相乘增益信号中筛选直流信号分量；以及

模数转换器(103)，用于模数转换所述直流信号分量来输出所述单极旋转变压器的轴角角度，所述直流分量筛选单元(102)包括：

低通滤波器(1021)，用于滤波所述相乘增益信号以将所述相乘增益信号转换为低频滤波信号；和直流分量确定模块(1022)，用于从所述低频滤波信号中确定直流信号分量，所述直流分量筛选单元(102)还包括：连接至所述直流分量确定模块，用于将所述直流信号分量调理到符合所述模数转换器的信号输入要求的信号调理模块，其中所述单极旋转变压器设置在四框架光电吊舱系统中，用于测量外框架相对内框架的转动角度，其中θ为所述单极旋转变压器的轴角角度，且当θ<5°时，令sinθ＝θ，以从低频滤波信号中确定直流信号分量；并对直流信号分量进行模数转换，以输出关于θ的角度信号。

2.一种用于单极旋转变压器的角度解调方法，其特征在于，所述角度解调方法适用于权利要求1所述的角度解调装置，包括步骤：

(301)将所述激磁信号和所述正弦输出信号执行相乘作用以输出相乘增益信号；

(302)从所述相乘增益信号中筛选直流信号分量；

(303)模数转换所述直流信号分量来输出所述单极旋转变压器的轴角角度，其中所述从相乘增益信号中筛选直流信号分量包括：滤波所述相乘增益信号以将所述相乘增益信号转换为低频滤波信号；和从所述低频滤波信号中确定直流信号分量，其中所述激磁信号满足V₁＝K·sinωt，其中K为激磁信号幅值，ω为激磁信号角频率；以及所述单极旋转变压器的正弦输出信号为V₂＝K·sinωt·sinθ，其中θ为所述单极旋转变压器的轴角角度；其中所述方法包括：

将激磁信号V₁和正弦输出信号V₂执行相乘作用以输出相乘增益信号V₃，V₃满足

V₃= V₁×V₂= K² · (sinωt)²· sinθ=

K²·sinθ-

K²· sinθ·cos2ωt ；

使用低通滤波器滤除掉所述相乘增益信号中含cos2ωt的高频信号分量，以将所述相乘增益信号转换为低频滤波信号V₄，V₄满足

V₄=

K²·sinθ；

当θ<5°时，令sinθ＝θ，则从低频滤波信号V₄中所确定直流信号分量V₄’满足

V₄ ^’=

K²·θ；

对直流信号分量V₄’进行模数转换以输出关于θ的角度信号。

3.根据权利要求2所述的角度解调方法，其特征在于，在从低频滤波信号中确定直流信号分量之后还包括：将所述直流信号分量调理到符合所述模数转换器的信号输入要求的步骤。

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