CN107782344B - 一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器 - Google Patents

一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器，其包括有励磁信号发生器、乘积检波器、反正切解调器、相敏检测器和三阶角度跟踪器。励磁信号发生器产生励磁信号；乘积检波器完成对旋转变压器输出信号的检波；反正切解调器产生角速度前馈量；相敏检波器根据角位置估计值和检波后信号，产生角位置误差信号；三阶角度跟踪器根据角位置误差信号和角速度前馈量，计算得到角位置估计值和角速度估计值。本发明可有效拓展三阶角度跟踪器的带宽，改善其动态性能，更适用于变速条件。

Description

一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器
技术领域
本发明涉及一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器，更确切的说，是指一种适合在变速条件下对旋转变压器输出信号解调，获取转子角位置和角速度信息的信号转换器。
背景技术
旋转变压器是一种抗干扰能力强、精度高的轴角传感器，广泛应用于工业、农业、航天等领域，在伺服控制领域更有着不可替代的作用。
目前旋转变压器的解调方案包括：反正切法、角度跟踪法和伪线性化方法。反正切法通过反正切运算和差分运算获取角位置和角速度信息，动态性能好，但精度不高；角度跟踪法由乘法器、压控振荡器、放大器组成闭环系统，使估计值逐渐逼近实际值，以获取角位置和角速度信息，该方法干扰抑制能力强，但是带宽低、动态性较差；伪线性化方法对旋转变压器输出信号进行伪线性化处理，输出与角位置成比例的伪线性化信号，通过差分法获取角速度信息，该方法成本低，但是解调精度最差。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器，该旋转变压器信号转换器将反正切法获取的角速度信息作为前馈量对三阶角度跟踪器进行补偿，最终获取角位置估计值
Figure 785946DEST_PATH_IMAGE001
和角速度估计值
Figure 703086DEST_PATH_IMAGE002
。该转换器在匀速条件下性能与三阶角度跟踪器相近；在变速条件下，能够拓展三阶角度跟踪器的带宽，改善三阶角度跟踪器动态性能，输出精度比三阶角度跟踪器提升一倍以上。
本发明的一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器，其包括有励磁信号发生器（3）、乘积检波器（4）、反正切解调器（5）、相敏检测器（6）和三阶角度跟踪器（7）；
励磁信号发生器(3)产生励磁信号V ex ；
乘积检波器（4）对旋转变压器输出信号进行乘积检波，由乘法器1（41）、乘法器2（42）、滤波器（43）、滤波器2（44）、放大器1（45）和放大器2（46）组成；旋转变压器输出的正弦调制信号V sin 经乘法器1（41）与励磁信号发生器（4）产生的励磁信号V ex 相乘，所得乘积信号经滤波器1（43）滤波和放大器1（45）放大后，输出检波后正弦包络信号V s ；旋转变压器输出的余弦调制信号V cos 经乘法器2（42）与励磁信号发生器（4）产生的励磁信号V ex 相乘，所得乘积信号经滤波器2（44）滤波和放大器2（46）放大后，输出检波后余弦包络信号V c ；
反正切解调器（5）接收乘积检波器输出的正余弦信号V s 、V c 输出角速度前馈补偿量，其包括有反正切运算器（51）、滤波器3（52）、微分器（53）和乘法器3（54）；反正切运算器（51）对乘积检波器输出的正余弦信号V s 、V c 取反正切运算，所得运算结果经滤波器3（52）滤波后，输出反正切角位置估计值
Figure 13982DEST_PATH_IMAGE003
；微分器（53）对反正切角位置估计值
Figure 76702DEST_PATH_IMAGE003
取微分运算，输出反正切角速度估计值
Figure 891075DEST_PATH_IMAGE004
；乘法器3（54）将接收的反正切角速度估计值
Figure 244696DEST_PATH_IMAGE004
与前馈补偿系数k f 相乘，输出前馈补偿量
Figure 511729DEST_PATH_IMAGE005
，其中k f 为取值为0-1的常数；
相敏检测器（6）输出角位置估计误差信号，其由余弦运算器（61）、正弦运算器（62）、乘法器4（63）、乘法器5（64）和减法器（65）组成；余弦运算器（61）用于产生角位置估计值
Figure 117154DEST_PATH_IMAGE006
的余弦值
Figure 317191DEST_PATH_IMAGE007
；正弦运算器（62）用于产生角位置估计值
Figure 966347DEST_PATH_IMAGE006
的正弦值
Figure 720676DEST_PATH_IMAGE008
；乘法器4（63）将接收的余弦值
Figure 988847DEST_PATH_IMAGE007
与检波后正弦包络信号V s 相乘，输出第一中间变量；乘法器5（64）将接收的正弦值
Figure 512232DEST_PATH_IMAGE008
与检波后正弦包络信号V c 相乘，输出第二中间变量；减法器（65）将接收的第一中间变量与第二中间变量相减，输出角位置估计误差信号e；
三阶角度跟踪器（7）由乘法器6（71）、乘法器7（72）、乘法器8（73）、积分器1（74）、加法器1（75）、积分器2（76）、加法器2（77）、加法器3（78）和积分器3（79）组成；乘法器6（71）将相敏检测器输出的角位置估计误差信号e与角度跟踪器第一系数k 1 相乘，输出第三中间变量；乘法器7（72）将误差信号与角度跟踪器第二系数k 2 相乘，输出第四中间变量；乘法器8（73）将误差信号e与角度跟踪器第三系数k 3 相乘，输出第五中间变量；积分器1（74）对第三中间变量积分，输出第六中间变量；加法器1（75）对第六中间变量和第四中间变量求和，输出第七中间变量；积分器2（76）对第七中间变量积分，输出第八中间变量
Figure 348601DEST_PATH_IMAGE009
；加法器2（77）对第八中间变量
Figure 121385DEST_PATH_IMAGE009
和反正切解调器输出的前馈补偿量
Figure 396508DEST_PATH_IMAGE010
求和，输出角速度估计值
Figure 695771DEST_PATH_IMAGE002
；加法器3（78）对角速度估计值
Figure 562096DEST_PATH_IMAGE002
和第五中间变量求和，输出第九中间变量；积分器3（79）对第九中间变量求和，输出角位置估计值
Figure 291018DEST_PATH_IMAGE006
；
本发明涉及的一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器，优点在于：（1）引入三阶角度跟踪器，鲁棒性更强；（2）将反正切法获取的角速度信息作为前馈量引入至三阶角度跟踪器，拓展了系统带宽，变速条件下性能更好；（3）反正切解调器、相敏检测器和三阶角度跟踪器可由硬件电路实现，也可由软件编译实现，便于实施。
附图说明
图1为本发明的结构原理框图；
图2为本发明的乘积检波器原理框图；
图3为本发明的反正切解调器原理框图；
图4为本发明的相敏检波器原理框图；
图5为本发明的三阶角度跟踪器原理框图。
图中：1.旋转装置；2. 旋转变压器；3. 励磁信号发器；4. 乘积检波器；41. 乘法器1；42. 乘法器2；43. 滤波器1；44. 滤波器2；45. 放大器1；46. 放大器2；5. 反正切解调器；51. 反正切运算器；52.滤波器3；53.微分器；54.乘法器3；6. 相敏检测器；61.余弦运算器；62.正弦运算器；63.乘法器4；64.乘法器5；65.减法器；7.三阶角度跟踪器；71.乘法器6；72.乘法器7；73.乘法器8；74.积分器1；75.加法器1；76.积分器2；77.加法器2；78.加法器3；79.积分器3。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器，如图1所示，励磁信号发生器（3）、乘积检波器（4）、反正切解调器（5）、相敏检测器（6）和三阶角度跟踪器（7）；
在本发明中，如图1所示，励磁信号发生器（3）产生旋转变压器高频励磁信号；在本发明实施例中，励磁信号发生器（3）由DDS芯片AD9832及其外围放大电路实现，信号频率为10KHz；乘积检波器（4）利用励磁信号发生器（3）产生的高频励磁信号，完成对旋转变压器输出的正余弦调制信号的乘积检波；在本发明实施例中，乘积检波器（4）由硬件电路实现；反正切解调器(5)、相敏检测器(6)和三阶角度跟踪器（7）构成带有前馈的复合角度跟踪器，完成角位置估计值
Figure 776357DEST_PATH_IMAGE006
和角速度估计值
Figure 274334DEST_PATH_IMAGE002
的计算与输出；在本发明实施例中，反正切解调器(5)、相敏检测器(6)和三阶角度跟踪器（7）由TI公司DSP芯片TMS32028335F编程实现；
在本发明中，如图2所示，乘积检波器（4）由乘法器1（41）、乘法器2（42）、滤波器（43）、滤波器2（44）、放大器1（45）和放大器2（46）组成；
乘法器1（41）完成旋转变压器输出的正弦调制信号V sin 经与励磁信号发生器（4）产生的励磁信号V ex 的相乘运算，所得乘积信号经滤波器1（43）滤波和放大器1（45）放大后，输出检波后正弦包络信号V s ；
乘法器2（42）完成旋转变压器输出的余弦调制信号V cos 与V ex 的相乘运算，所得乘积信号经滤波器2（44）滤波和放大器2（46）放大后，输出检波后余弦包络信号V c ；
在本发明实施例中，乘法器1（41）和乘法器2（42）由模拟乘法芯片AD734实现；滤波器1（43）和滤波器2（44）由运算放大芯片AD2274构成二阶低通滤波器，滤波器截止频率为2KHz；放大器1（45）和放大器2（46）由运算放大芯片AD2274接成同向比例放大电路，放大倍数为12倍；
在本发明中，如图3所示，反正切解调器（5）由反正切运算器（51）、滤波器3（52）、微分器（53）和乘法器3（54）组成；
反正切运算器（51）对乘积检波器输出的正余弦信号V s 、V c 取反正切运算，所得运算结果经滤波器3（52）滤波后，输出反正切角位置估计值
Figure 577140DEST_PATH_IMAGE003
；在本发明实施例中，反正切运算器（51）由DSP三角运算扩展函数Atan2()实现；
微分器（53）对反正切角位置估计值
Figure 183570DEST_PATH_IMAGE003
取微分运算，输出反正切角速度估计值
Figure 66076DEST_PATH_IMAGE004
；
乘法器3（54）将反正切角速度估计值
Figure 949718DEST_PATH_IMAGE003
与前馈补偿系数k f 相乘，输出前馈补偿量
Figure 298791DEST_PATH_IMAGE011
，本发明实施例中，k f =0.98；
在本发明中，如图4所示，相敏检测器（6）由余弦运算器（61）、正弦运算器（62）、乘法器4（63）、乘法器5（64）和减法器（65）组成；
余弦运算器（61）取角位置估计值
Figure 736726DEST_PATH_IMAGE006
的余弦值
Figure 688501DEST_PATH_IMAGE007
；
正弦运算器（62）用于产生角位置估计值
Figure 816863DEST_PATH_IMAGE006
的正弦值；
乘法器4（63）将接收的余弦值
Figure 930313DEST_PATH_IMAGE007
与检波后正弦
Figure 386702DEST_PATH_IMAGE008
包络信号V s 相乘，输出第一中间变量；
乘法器5（64）将接收的正弦值
Figure 611010DEST_PATH_IMAGE008
与检波后正弦包络信号V c 相乘，输出第二中间变量；
减法器（65）将接收的第一中间变量与第二中间变量相减，输出角位置估计误差信号e；
在本发明中，如图5所示，三阶角度跟踪器（7）由乘法器6（71）、乘法器7（72）、乘法器8（73）、积分器1（74）、加法器1（75）、积分器2（76）、加法器2（77）、加法器3（78）和积分器3（79）组成；
乘法器6（71）将相敏检测器输出的角位置估计误差信号e与角度跟踪器第一系数k 1 相乘，输出第三中间变量，本发明实施例中，k 1 =20000；
乘法器7（72）将误差信号e与角度跟踪器第二系数k 2 相乘，输出第四中间变量，本发明实施例中，k 2 =9600；
乘法器8（73）将误差信号e与角度跟踪器第三系数k 3 相乘，输出第五中间变量，本发明实施例中，k 3 =400；
积分器1（74）对第三中间变量积分，输出第六中间变量；
加法器1（75）对第六中间变量和第四中间变量求和，输出第七中间变量；
积分器2（76）对第七中间变量积分，输出第八中间变量
Figure 79031DEST_PATH_IMAGE012
；
加法器2（77）对第八中间变量
Figure 894540DEST_PATH_IMAGE012
和反正切解调器输出的前馈补偿量
Figure 307067DEST_PATH_IMAGE011
求和，输出角速度估计值
Figure 990858DEST_PATH_IMAGE013
；
加法器3（78）对角速度估计值
Figure 172441DEST_PATH_IMAGE013
和第五中间变量求和，输出第九中间变量；积分器3（79）对第九中间变量求和，输出角位置估计值
Figure 893272DEST_PATH_IMAGE014
；
本发明的一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器中，各信号的数学形式表示如下：
励磁信号发生器输出的励磁信号记为
Figure 793095DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 765730DEST_PATH_IMAGE016
为励磁信号的幅度，
Figure 67399DEST_PATH_IMAGE017
为励磁信号的角频率，t表示连续时间变量；旋转变压器输出的正弦调制信号记为
Figure 959131DEST_PATH_IMAGE018
，旋转变压器输出的余弦调制信号记为
Figure 2043DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 371844DEST_PATH_IMAGE020
表示V sin的幅度，
Figure 793598DEST_PATH_IMAGE021
表示V cos的幅度，表示转子角位置实际值；乘积检波器输出的检波后正余弦信号为
Figure 590653DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 606013DEST_PATH_IMAGE023
；
如图3所示，反正切解调器完成公示（1）的运算；
Figure 310664DEST_PATH_IMAGE025
如图4所示，相敏检测器完成公示（2）运算，输出角度估计误差；
Figure 321346DEST_PATH_IMAGE027
如图5所示，三阶角度跟踪器完成的数学运算表示如公示（3）所示；
Figure 945094DEST_PATH_IMAGE029
在本发明中，设计了一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器，在三阶角度跟踪器的基础上引入了角速度前馈信息，改善三阶角度跟踪器的动态性能。
实施例
为便于验证本发明的效果，搭建实物实验平台，进行了实物实验；实物实验平台中旋转变压器与高精度光电编码器和伺服电机同轴相联，高精度编码器每周输出220个方波脉冲，可作为基准参考信号；旋转变压器为上海赢双公司生产的单极线绕旋转变压器，型号为J52XFW975B，励磁电压为7V，励磁频率10KHz,输出电压1.2±0.05V；实验过程中伺服电机由自主设计的伺服驱动器驱动，分别工作在匀速ω=2rad/s、匀加速ω= 10t rad/s和正弦速度ω= 12+8sin2πt rad/s工况下；匀速时，反正切法角位置解调误差为0.02rad，角速度解调误差为0.6rad/s，三阶角度跟踪器法角位置解调误差为0.004rad，角速度解调误差为0.06rad/s；本发明的角位置解调误差为0.005rad，角速度解调误差为0.07rad/s，性能与三阶角度跟踪器法接近，优于反正切法；匀加速时，反正切法角位置解调误差为0.02rad，角速度解调误差为0.6rad/s，三阶角度跟踪器法角位置解调误差为0.01rad，角速度解调误差为0.2rad/s，本发明的角位置解调误差为0.005rad，角速度解调误差为0.1rad/s，性能远优于反正切法，且优于三阶角度跟踪器法一倍；正弦速度时，反正切法角位置解调误差为0.02rad，角速度解调误差为2rad/s，三阶角度跟踪器法角位置解调误差为0.018rad，角速度解调误差为1rad/s，本发明的角位置解调误差为0.01rad，角速度解调误差为0.5rad/s，性能远优于反正切法，且优于三阶角度跟踪器法一倍。
符号说明
本发明中所使用符号物理意义描述如下：
Figure 41226DEST_PATH_IMAGE016
：励磁信号幅度；
Figure 283988DEST_PATH_IMAGE017
：励磁信号频率；
θ：旋转变压器转子角位置实际值；
Figure 149176DEST_PATH_IMAGE014
：本发明所输出的旋转变压器转子角位置估计值；
Figure 694558DEST_PATH_IMAGE020
：旋转变压器输出正弦调制信号幅度；
Figure 809145DEST_PATH_IMAGE021
：旋转变压器输出余弦调制信号幅度；
V s：检波后正弦信号；
V c：检波后余弦信号；
Figure 58860DEST_PATH_IMAGE013
：本发明所输出的旋转变压器转子角速度估计值；
Figure 699926DEST_PATH_IMAGE003
：反正切解调角位置估计值；
Figure 9685DEST_PATH_IMAGE004
：反正切解调角速度估计值；
Figure 611567DEST_PATH_IMAGE012
：第八中间变量；
Figure 664974DEST_PATH_IMAGE011
：角速度前馈补偿量；
k 1 ：角度跟踪器第一系数；
k 2 ：角度跟踪器第二系数；
k 3 ：角度跟踪器第三系数；
k f ：前馈补偿系数；
e：角位置估计误差。

Claims (3)

1.一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器，其特征在于：该转换器包括励磁信号发生器(3)、乘积检波器(4)、反正切解调器(5)、相敏检测器(6)和三阶角度跟踪器(7)；励磁信号发生器(3)产生励磁信号Vex；
乘积检波器(4)对旋转变压器输出信号进行乘积检波，由乘法器1(41)、乘法器2(42)、滤波器(43)、滤波器2(44)、放大器1(45)和放大器2(46)组成；
反正切解调器(5)接收乘积检波器输出的正余弦信号Vs、Vc输出角速度前馈补偿量
Figure FDA0002400469490000011
由反正切运算器(51)、滤波器3(52)、微分器(53)和乘法器3(54)组成；反正切运算器(51)对乘积检波器输出的正余弦信号Vs、Vc反正切运算，所得运算结果经滤波器3(52)滤波后，输出反正切角位置估计值
Figure FDA0002400469490000012
微分器(53)对反正切角位置估计值
Figure FDA0002400469490000015
取微分运算，输出反正切角速度估计值
Figure FDA0002400469490000013
乘法器3(54)将接收的反正切角速度估计值
Figure FDA0002400469490000016
与前馈补偿系数kf相乘，输出前馈补偿量
Figure FDA0002400469490000014
相敏检测器(6)输出角位置估计误差信号，其由余弦运算器(61)、正弦运算器(62)、乘法器4(63)、乘法器5(64)和减法器(65)组成；余弦运算器(61)产生角位置估计值
Figure FDA0002400469490000017
的余弦值
Figure FDA00024004694900000110
正弦运算器(62)产生角位置估计值的正弦值
Figure FDA0002400469490000018
乘法器4(63)、乘法器5(64)和减法器(65)实现数学运算
Figure FDA0002400469490000019
输出角位置估计误差信号e；
三阶角度跟踪器(7)由乘法器6(71)、乘法器7(72)、乘法器8(73)、积分器1(74)、加法器1(75)、积分器2(76)、加法器2(77)、加法器3(78)和积分器3(79)组成；乘法器6(71)将相敏检测器输出的角位置估计误差信号e与角度跟踪器第一系数k1相乘，输出第三中间变量；乘法器7(72)将误差信号e与角度跟踪器第二系数k2相乘，输出第四中间变量；乘法器8(73)将误差信号e与角度跟踪器第三系数k3相乘，输出第五中间变量；积分器1(74)对第三中间变量积分，输出第六中间变量；加法器1(75)对第六中间变量和第四中间变量求和，输出第七中间变量；积分器2(76)对第七中间变量积分，输出第八中间变量
Figure FDA00024004694900000111
加法器2(77)对第八中间变量
Figure FDA00024004694900000113
和反正切解调器输出的前馈补偿量
Figure FDA00024004694900000115
求和，输出角速度估计值
Figure FDA00024004694900000112
加法器3(78)对角速度估计值
Figure FDA00024004694900000114
和第五中间变量求和，输出第九中间变量；积分器3(79)对第九中间变量积分，输出角位置估计值
Figure FDA00024004694900000116
2.根据权利要求1所述的一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器，其特征在于：反正切解调器(5)、相敏检测器(6)和三阶角度跟踪器(7)可由硬件电路实现，也可由计算机编程实现。
3.根据权利要求1所述的一种适用于变速条件的旋转变压器信号转换器，其特征在于：三阶角度跟踪器输出的角位置和角速度估计值满足数学关系：
Figure FDA0002400469490000021
Figure FDA0002400469490000022
和
Figure FDA0002400469490000023
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