CN109617464A - 一种基于pwm信号激磁的旋转变压器解码方法及系统 - Google Patents

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吴元元
梁晓龙
李婧
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Abstract

本发明涉及一种基于PWM信号激磁的旋转变压器解码方法及系统，属于旋转变压器技术领域，解决了现有技术中旋转变压器解码方法外围电路复杂和成本昂贵的问题。一种基于PWM信号激磁的旋转变压器解码方法，包括以下步骤：生成PWM信号并施加于旋转变压器初级绕组；旋转变压器次级绕组输出正弦信号和余弦信号，对所述正弦信号和余弦信号进行同步采样，得到正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc；根据正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，解算出电机转子的角位置以及转速。实现了电机转子角位置和转速的测量，解决了现有技术中旋转变压器解码方法外围电路复杂和成本昂贵的问题。

Description

一种基于PWM信号激磁的旋转变压器解码方法及系统
技术领域
本发明涉及旋转变压器技术领域，尤其涉及一种基于PWM信号激磁的旋转变压器解码方法及系统。
背景技术
旋转变压器是一种通过初级绕组和两个次级绕组的磁耦合作用，对电机等旋转部件的角位置和速度进行精确测量的传感器；其初级绕组和两个正交的次级绕组分别安装于电机转子和定子上，施加在初级绕组上的激磁信号在两个次级绕组中分别耦合出正弦和余弦输出信号，对正弦和余弦输出信号进行解调和转换后获取电机转子的角位置和转速信息。与光电编码器相比，旋转变压器在恶劣环境中的耐受能力更强、可靠性更高，因此广泛应用于电机控制、机器人、电动汽车和伺服控制等领域。
传统旋转变压器解码方案包括正弦激磁信号生成和旋转变压器正弦和余弦输出信号解算两个关键环节，通常采用专门的旋转变压器数字转换器芯片，其内部集成了正弦激磁信号发生器和数字跟踪环路。但是常用的旋转变压器数字转换器芯片，均需外加晶体器件、独立供电、输出缓冲等附加电路，外围电路形式较为复杂，且售价较为昂贵。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于PWM信号激磁的旋转变压器解码方法及系统，用以解决现有技术中旋转变压器解码方法外围电路复杂和成本昂贵的问题。
一方面，本发明提供了一种基于PWM信号激磁的旋转变压器解码方法，包括以下步骤：
生成PWM信号并施加于旋转变压器初级绕组；
旋转变压器次级绕组输出正弦信号和余弦信号，对所述正弦信号和余弦信号进行同步采样，得到正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc；
根据正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，解算出电机转子的角位置以及转速。
上述技术方案的有益效果为：采用PWM信号代替正弦信号作为旋转变压器初级绕组激磁信号，简化了旋转变压器解码的外围电路形式，降低了通过旋转变压器进行角位置和转速测量的成本。
进一步地，生成PWM信号并施加于旋转变压器初级绕组，具体包括：生成PWM信号后，进行增益调节和功率放大后施加于旋转变压器初级绕组。
上述进一步技术方案的有益效果为：PWM信号通过运放与推挽放大电路进行增益调节和功率放大，使得PWM信号具备合适的幅值和足够的驱动能力。
进一步地，旋转变压器次级绕组输出正弦信号和余弦信号，具体包括：施加于旋转变压器初级绕组上的激磁信号在两个正交的次级绕组中分别耦合，输出正弦信号和余弦信号。
进一步地，对所述正弦信号和余弦信号进行同步采样，具体包括：对所述输出正弦信号和余弦信号进行幅值放大处理，在PWM激磁信号每个周期初始、中点或终止时刻，对经幅值放大处理的正弦信号和余弦信号进行同步采样。
上述进一步技术方案的有益效果为：对所述输出正弦信号和余弦信号进行幅值放大处理，有利于提高电机转子的角位置以及转速的解算精度，选择PWM激磁信号每个周期初始、中点或终止的时刻进行采样，便于实现对正弦信号和余弦信号进行同步采样。
进一步地，根据正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，解算出电机转子的角位置以及转速，具体包括：利用计算出电机转子的角位置，对角位置进行差分计算，得到电机转子的角速度ω，通过对角速度进行换算，得到电机转子的转速n。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过上述简单的算法即可解算得到电机转子的角位置和速度信息，降低了程序开发成本，提高了计算效率，降低了出错率。
另一方面，本发明提供了一种基于PWM信号激磁的旋转变压器解码系统，包括DSP模块和旋转变压器，所述DSP模块中的PWM信号生成模块与旋转变压器的初始绕组相连，所述旋转变压器的次级绕组与DSP模块中的ADC模块相连；
所述DSP模块中的PWM信号生成模块生成PWM信号并施加于所述旋转变压器的初级绕组；
所述旋转变压器的次级绕组输出正弦信号和余弦信号，所述DSP模块中的ADC模块对所述输出正弦信号和余弦信号进行同步采样，得到正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc；
所述DSP模块根据正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，解算出电机转子的角位置以及转速。
上述技术方案的有益效果为：采用PWM信号代替正弦信号作为旋转变压器初级绕组激磁信号，以DSP代替了数字转换器芯片，简化了旋转变压器解码的外围电路结构，降低了通过旋转变压器进行角位置和转速测量的成本。
进一步地，所述系统还包括运放与推挽放大电路，所述DSP模块中的PWM信号生成模块与所述运放与推挽放大电路输入端相连，所述运放与推挽放大电路的输出端与旋转变压器的初级绕组相连；
所述DSP模块的PWM信号生成模块生成PWM信号并施加于所述旋转变压器的初级绕组，具体包括：所述DSP模块的PWM信号生成模块生成PWM信号后，经过运放进行调节增益并通过推挽放大电路进行功率放大后，施加于旋转变压器初级绕组。
上述进一步技术方案的有益效果为：PWM信号通过运放与推挽放大电路进行增益调节和功率放大，使得PWM信号具备合适的幅值和足够的驱动能力。
进一步地，旋转变压器的次级绕组输出正弦信号和余弦信号，具体包括：施加于所述旋转变压器初级绕组上的激磁信号在两个正交的次级绕组中分别耦合，输出正弦信号和余弦信号。
进一步地，所述系统还包括运放，所述运放输入端与次级绕组相连，所述运放输出端与ADC模块相连；所述DSP模块中的ADC模块对所述正弦信号和余弦信号进行同步采样，具体包括：所述运放对所述输出正弦信号和余弦信号进行幅值放大处理，在PWM激磁信号每个周期初始、中点或终止时刻，DSP模块中的ADC模块对经幅值放大处理的正弦信号和余弦信号进行同步采样。
上述进一步技术方案的有益效果为：对所述输出正弦信号和余弦信号进行幅值放大处理，有利于提高DSP模块对电机转子的角位置以及转速的解算精度，选择PWM激磁信号每个周期初始、中点或终止的时刻进行采样，便于实现对正弦信号和余弦信号进行同步采样。
进一步地，所述DSP模块根据正弦解调信号和余弦解调信号，解算出电机转子的角位置以及转速，具体包括：DSP模块利用计算出电机转子的角位置，对角位置进行差分计算，得到电机转子的角速度ω，通过对角速度进行换算，得到电机转子的转速。
上述进一步技术方案的有益效果为：DSP模块通过利用上述简单的算法即可解算得到旋转变压器的角位置和速度信息，降低了程序开发成本，提高了计算效率，降低了出错率。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1所述旋转变压器初级绕组(R1-R2)和次级绕组(S1-S3、S2-S4)示意图；
图2为本发明实施例1所述基于PWM信号激磁的旋转变压器软件解码原理示意图；
图3为本发明实施例1所述方法的流程示意图；
图4为本发明实施例1所述运放与推挽放大电路电路图；
图5为本发明实施例1所述旋转变压器激磁信号和次级绕组输出信号波形示意图；
图6为本发明实施例1所述旋转变压器激磁信号和输出信号波形示意图；
图7为本发明实施例1所述正弦解调信号、余弦解调信号和角位置波形示意图；
图8为本发明实施例1所述PWM信号激磁与正弦信号激磁时旋转变压器输入、输出波形示意图；
图9为本发明实施例1所述PWM信号激磁与正弦信号激磁时旋转变压器输入、输出波形局部放大示意图。
图10为本发明实施例2所述系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明的一个具体实施例，公开了一种基于PWM信号激磁的旋转变压器解码方法，图1为旋转变压器初级绕组(R1-R2)和次级绕组(S1-S3、S2-S4)示意图，图2为基于PWM信号激磁的旋转变压器解码原理示意图。采用DSP(数字信号处理器)的PWM信号作为旋转变压器的激磁信号Vexc，对旋转变压器输出的正弦信号Vsin(t)和余弦信号Vcos(t)进行同步采样获得正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，采用基于反正切算法的软件方法解算，获取所需的旋转变压器角位置和速度信息；
所述方法的流程示意图，如图3所示，所述方法具体包括以下步骤：
步骤S1、生成PWM信号并施加于旋转变压器初级绕组；
具体的，DSP的PWM模块产生用于激磁的PWM信号，通过运放和推挽放大电路进行增益调节和功率放大后施加于旋转变压器初级绕组；
图4为运放与推挽放大电路电路图，V_EXC是DSP处理器输出的PWM信号，V_EXC_OUT是经过运放进行调节增益并通过推挽放大电路进行功率放大后的PWM信号，将其作为激磁信号，直接施加给旋转变压器处理器。图4中，U1为运算放大器，V_EXC为DSP处理器输出的PWM激磁信号，V_REF为参考电压，V_EXC和V_REF分别输入U1的反相端和同相端，通过电阻R1、R5、R6和R8控制放大比例；经过电阻R2、R3、R4、R7、R9和R10、二极管D1和D2、三极管Q1和Q2组成推挽放大电路输出；
PWM信号通过运放与推挽放大电路进行增益调节和功率放大，使得PWM信号具备合适的幅值和足够的驱动能力；
需要说明的是，DSP的PWM模块产生的PWM信号幅值最大为3V，DSP的ADC模块允许的输入信号幅值最大为3V，旋转变压器的典型变压比为0.286，因此R1和R5分别取值为5.1kΩ和1.5kΩ,将电压放大比例设置为3.4。
旋转变压器的典型输入阻抗在100Ω至200Ω间，驱动旋转变压器所需的电流为200mA，因此通过选取NPN三极管BC846B和PNP三极管BC856B构成推挽放大电路，对PWM信号的电流驱动能力进行增强。
步骤S2、旋转变压器次级绕组输出正弦信号和余弦信号，对所述正弦信号和余弦信号进行同步采样，得到正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc；
具体的，当电机转动时，旋转变压器初级绕组上的激磁信号在两个正交的次级绕组中分别耦合出正弦信号Vsin(t)和余弦信号Vcos(t)；在PWM激磁信号每个周期的初始、中点或终止时刻，DSP的ADC(模数转换器)模块对经幅值放大处理后的输出正弦信号和余弦信号进行同步采样，得到正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc；需要说明的是，选择PWM激磁信号每个周期初始、中点或终止的时刻进行采样，便于对正弦信号和余弦信号进行同步采样。
ADC模块用于模拟信号和数字信号转换的，本实施例中ADC模块为DSP内部集成的，此ADC模块精度已足够，并且价格成本相比外部芯片更低；
当使用正弦信号作为旋转变压器初级绕组激磁信号时，如图5为旋转变压器激磁信号和次级绕组输出信号波形示意图，旋转变压器两个次级绕组的输出信号在每个激磁信号周期内仍为正弦或余弦形式，其波形包络即为包含电机转速和角位置信息的正弦信号Vs和余弦信号Vc。
使用PWM信号作为旋转变压器初级绕组激磁信号时，如图6所示，旋转变压器两个次级绕组的输出信号在每个激磁信号周期内不再呈现规律的正弦或余弦形式，也不是规律的方波脉冲，但其波形包络仍然是包含电机转速和角位置信息的正弦信号Vs和余弦信号Vc。
由此可见，使用PWM信号作为激磁信号时，仍然可以从旋转变压器的输出信号中解调出包含电机的角位置和转速信息的正弦信号Vs和余弦信号Vc。
步骤S3、根据正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，解算出电机转子的角位置以及转速；
DSP采用反正切算法，解算出角位置，进而计算出转速。
旋转变压器输出的正弦信号Vsin(t)和余弦信号Vcos(t)为DSB-SC(抑制载波双边带调制)信号，同步解调是DSB-SC信号最常用的解调方式，用相同的激磁信号可以去除旋变输出的正弦和余弦信号中呈现出的激磁信号分量。将激磁信号与旋变输出的正弦和余弦信号相乘，再经过低通滤波，即可还原出旋转变压器输出信号Vsin(t)和Vcos(t)的包络正弦信号Vs和余弦信号Vc。
当采用传统正弦波信号作为旋转变压器初级绕组激磁信号时：
激磁信号Vexc＝sin(2πfet)
旋转变压器输出正弦信号Vsin(t)＝α·sin(2πfet)·sin(θ)
旋转变压器输出余弦信号Vcos(t)＝α·sin(2πfet)·cos(θ)
其中，fe为激磁信号频率，α为旋转变压器转换比，θ为电机转子的角位置。
采用同步解调方式，将激磁信号与旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号分别相乘：
Vs′和Vc′经过低通滤波去高频分量后，得到正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，通过正反切即可解算出角位置，计算公式如下：
PWM信号作为旋转变压器初级绕组激磁信号时，旋转变压器输出的正弦信号Vsin(t)和余弦信号Vcos(t)不再是规则的DSB-SC信号，因此同步解调的方式不再适用；此时，通过在PWM激磁信号每个周期的初始、中点或终止时刻，对旋转变压器输出的正弦信号Vsin(t)和余弦信号Vcos(t)进行同步采样，以得到与原来使用正弦信号激磁时相同的正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，利用(3)-(5)对正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc进行反正切计算，即可解算得到旋转变压器的角位置，波形如图7所示。
接着对角位置进行差分计算，得到电机转子的角速度，即(单位：rad/s)进行换算后，即可得到电机转子的转速，即(单位：rpm)
PWM信号激磁与正弦信号激磁时旋转变压器输入、输出波形示意图，如图8所示，为左边是采用PWM信号激磁时的激磁信号、正弦输出信号、余弦输出信号波形，右边是采用正弦信号激磁时的激磁信号、正弦输出信号、余弦输出信号波形；
PWM信号激磁与正弦信号激磁时旋转变压器输入、输出波形局部放大示意图，如图9所示。
通过将图8和图9中左边和右边对比，可知，用正弦信号激磁时，正弦输出信号和余弦输出信号的每个周期内也是规则的正弦信号；而用PWM激磁时，正弦输出信号和余弦输出信号的每个周期内是不规则的锯齿波；但是他们的波形包络，也就是最终进行反正切计算需要的正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc是相同的。
实施例2
本发明的另一个具体实施例，公开了一种基于PWM信号激磁的旋转变压器解码系统，所述系统的结构示意图，如图10所示，所述包括DSP模块和旋转变压器，所述DSP模块中的PWM信号生成模块与旋转变压器的初始绕组相连，所述旋转变压器的次级绕组与DSP模块中的ADC模块相连，
所述DSP模块中的PWM信号生成模块生成PWM信号并施加于所述旋转变压器的初级绕组；
所述旋转变压器的次级绕组输出正弦信号和余弦信号，所述DSP模块中的ADC模块对所述正弦信号和余弦信号进行同步采样，得到正弦解调信号和余弦解调信号；
所述DSP模块根据正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，解算出电机转子的角位置以及转速。
另一个具体实施例中，所述系统还包括运放与推挽放大电路，如图4所示，DSP模块中的PWM信号生成模块与所述运放与推挽放大电路正向输入端V_EXC相连，所述运放与推挽放大电路的反向输入端V_REF为参考端；运放与推挽放大电路的输出端V_EXC_OUT与旋转变压器的初级绕组的一端连接，所述初级绕组的另一端为参考端；
其中，旋转变压器的次级绕组输出正弦信号和余弦信号，具体包括：施加于所述旋转变压器初级绕组上的激磁信号在两个正交的次级绕组中分别耦合，输出正弦信号和余弦信号。
另一个具体实施例中，所述系统还包括运放，所述运放输入端与次级绕组相连，所述运放输出端与ADC模块相连；所述DSP模块中的ADC模块对所述正弦信号和余弦信号进行同步采样，具体包括：所述运放对所述输出正弦信号和余弦信号进行幅值放大处理，在PWM激磁信号每个周期初始、中点或终止时刻，DSP模块中的ADC模块对经幅值放大处理的正弦信号和余弦信号进行同步采样。
需要说明的是，与ADC模块相连的运放为两个，分别对输出正弦信号和输出余弦信号进行幅值放大处理，图2中，与PWM信号生成模块连接的运放是指运放与推挽放大电路中包含的运放；
所述DSP模块根据正弦解调信号和余弦解调信号，解算出电机转子的角位置以及转速，具体包括：DSP模块利用计算出电机转子的角位置，对角位置进行差分计算，得到电机转子的角速度ω，通过对角速度进行换算，得到电机转子的转速。
本发明系统采用一个DSP和简单形式的外围电路即可实现，其结构简单，无需内部集成了正弦激磁信号发生器和数字跟踪环路的专门的旋转变压器数字转换器芯片，即无需外加晶体器件、独立供电、输出缓冲等附加电路，大大简化了电路结构，减小了成本；并在简化电路结构的同时，通过简单的算法即可解算得到电机转子的角位置和速度信息，降低了程序开发成本，计算效率高及出错率低。
需要说明的是，本发明技术方案中的DSP，可替换为ARM等其他具备PWM信号生成和A/D采样功能的微处理器；采用DSP的ADC模块对旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号进行同步采样的方式，也可替换为采用专用A/D芯片的方式；本发明中采用反正切算法对正弦解调信号和余弦解调信号进行解算获得角位置和转速信息，对于内置函数库的微处理器，可以直接调用反正切函数计算；对于无内置函数库的微处理器可使用查表方式计算。
需要说明的是，上述两个实施例基于相同的原理及发明构思，未重复描述之处可互相借鉴。
本发明采用更易获取的PWM信号代替正弦信号作为旋转变压器初级绕组激磁信号，这种方案简化了旋转变压器激磁信号生成和输出信号解调电路形式；在保证较高转换精度的前提下，用DSP替代了专用数字转换器芯片，降低了通过旋转变压器进行角位置和转速测量的成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PWM信号激磁的旋转变压器解码方法，其特征在于，包括以下步骤：
生成PWM信号并施加于旋转变压器初级绕组；
旋转变压器次级绕组输出正弦信号和余弦信号，对所述正弦信号和余弦信号进行同步采样，得到正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc；
根据正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，解算出电机转子的角位置以及转速。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生成PWM信号并施加于旋转变压器初级绕组，具体包括：生成PWM信号后，进行增益调节和功率放大后施加于旋转变压器初级绕组。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转变压器次级绕组输出正弦信号和余弦信号，具体包括：施加于旋转变压器初级绕组上的激磁信号在两个正交的次级绕组中分别耦合，输出正弦信号和余弦信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述正弦信号和余弦信号进行同步采样，具体包括：对所述输出正弦信号和余弦信号进行幅值放大处理，在PWM激磁信号每个周期初始、中点或终止时刻，对经幅值放大处理的正弦信号和余弦信号进行同步采样。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，解算出电机转子的角位置以及转速，具体包括：利用计算出电机转子的角位置，对角位置进行差分计算，得到电机转子的角速度ω，通过对角速度进行换算，得到电机转子的转速n。
6.一种基于PWM信号激磁的旋转变压器解码系统，其特征在于，包括DSP模块和旋转变压器，所述DSP模块中的PWM信号生成模块与旋转变压器的初始绕组相连，所述旋转变压器的次级绕组与DSP模块中的ADC模块相连；
所述DSP模块中的PWM信号生成模块生成PWM信号并施加于所述旋转变压器的初级绕组；
所述旋转变压器的次级绕组输出正弦信号和余弦信号，所述DSP模块中的ADC模块对所述输出正弦信号和余弦信号进行同步采样，得到正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc；
所述DSP模块根据正弦解调信号Vs和余弦解调信号Vc，解算出电机转子的角位置以及转速。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括运放与推挽放大电路，所述DSP模块中的PWM信号生成模块与所述运放与推挽放大电路输入端相连，所述运放与推挽放大电路的输出端与旋转变压器的初级绕组相连；
所述DSP模块的PWM信号生成模块生成PWM信号并施加于所述旋转变压器的初级绕组，具体包括：所述DSP模块的PWM信号生成模块生成PWM信号后，经过运放进行调节增益并通过推挽放大电路进行功率放大后，施加于旋转变压器初级绕组。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，旋转变压器的次级绕组输出正弦信号和余弦信号，具体包括：施加于所述旋转变压器初级绕组上的激磁信号在两个正交的次级绕组中分别耦合，输出正弦信号和余弦信号。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括运放，所述运放输入端与次级绕组相连，所述运放输出端与ADC模块相连；所述DSP模块中的ADC模块对所述正弦信号和余弦信号进行同步采样，具体包括：所述运放对所述输出正弦信号和余弦信号进行幅值放大处理，在PWM激磁信号每个周期初始、中点或终止时刻，DSP模块中的ADC模块对经幅值放大处理的正弦信号和余弦信号进行同步采样。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述DSP模块根据正弦解调信号和余弦解调信号，解算出电机转子的角位置以及转速，具体包括：DSP模块利用计算出电机转子的角位置，对角位置进行差分计算，得到电机转子的角速度ω，通过对角速度进行换算，得到电机转子的转速。
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