CN110376940A

CN110376940A - 一种基于dsp的旋转变压器高精度高响应解码方法

Info

Publication number: CN110376940A
Application number: CN201910596324.9A
Authority: CN
Inventors: 杨瑞峰; 郭晨霞; 张伟鹏
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2019-10-25

Abstract

本发明涉及一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法，使用由旋转变压器、混合运算电路、单片机或者可编程逻辑器件构成解码系统；具体方法是利用旋转变压器输出信号进行解调和归一化处理，再经过一些列混合运算得到伪线性信号，对此信号进行逻辑分区判断，根据判断结果进行计算得到未补偿的角度信号，最后通过非线性精度补偿该信号以提高解码精度。本发明所提出的算法很大地为旋转变压器解码节约了成本，同时也降低了解码难度，得到了精确的待测角度数据，完全能够满足大部分高精度应用场合。

Description

一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法

技术领域

本发明属于旋转变压器的解码中的解码算法技术，主要是为提高旋转变压器解码系统的精度，涉及旋转变压器输出信号线性变换的方法和角度解码的实现过程，通过DSP配合模拟电路实现。DSP简称数字信号处理器(Digital Signal Processor)

背景技术

在机器人、机床、飞机、雷达等需要获取角速度信息的场合，大多数使用光电编码器、磁编码器来得到角位置信息，一旦面对极端恶劣的环境，如强振动或者高低温等，这些传感器极易被损坏，而旋转变压器能够很好适应这种环境，同时由于旋转变压器具有高精度、高可靠性的特点，也被广泛应用与工业控制领域。旋转变压器输出两路具有角度信息的调制模拟信号。为了从输出的模拟信号里精确、快速地获取角度信息，许多学者进行了解码算法的研究。

通常，旋转变压器的解码算法主要有反正切法、数字旋转坐标法 (CORDIC)、闭环角度跟踪法。其中，反正切方法对于噪声信号非常敏感，当正余弦信号中含有一定噪声后，通过反正切运算得到的角度值与真值就会存在很大误差；数字旋转坐标法(CORDIC)通常需要采用查表的方法实现，其占用存储资源多，对硬件要求高；闭环角度跟踪法对系统稳定性要求高，当系统存在扰动，角度过大时，闭环设计的方法无法精确跟踪角位置，同时由于积分环节的存在，使得角位置输出也存在一定滞后，影响解码精度。

基于以上分析，研究一种性能优越，并且解码精度高的旋转变压器解码算法以及该算法具体实现的方式方法研究，有着非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的旨在解决针对目前的解码算法存在抗干扰性差、输出滞后、占用内存多，对硬件要求高等问题，提供一种能够节约成本，降低了解码难度，提高精确的基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法，使用由旋转变压器、混合运算电路、单片机或者可编程逻辑器件构成解码系统；利用旋转变压器输出信号进行解调和归一化处理，再经过一些列混合运算得到伪线性信号，对此信号进行逻辑分区判断，根据判断结果进行计算得到未补偿的角度信号，最后通过非线性精度补偿该信号以提高解码精度；其特征是：包括以下步骤：

步骤1：通过把旋转变压器输出的4路正余弦信号，解调归一化后得到幅值Y1和Y2为：

Y₁＝sin(θ)

Y₂＝cos(θ)

其中，θ为正余弦信号的相位角度；根据解调后信号的特点，把幅值Y1和 Y2进行加法运算，并进行一定的幅值调整得到幅值Y3为：

同理，把幅值Y1和Y2进行减法运算，并进行一定的幅值调整得到幅值Y4：

步骤2：把幅值Y1与幅值Y3、Y4分别做加法运算，幅值Y3、Y4与幅值Y2分别做加法和减法运算，并进行一定的幅值调整得到四路辅助信号幅值Y5、Y6、Y7、 Y8为：

步骤3：根据八路信号的幅值和符号关系，把一个周期[0 2π]平均分成16 部分，并进行相应的编码；

步骤4：对步骤1和步骤2得到的八路信号进行取绝对值，再对取过绝对值的信号进行取小运算得到各个区间大小为π/16的伪线性信号：min(|Y₁|,|Y₂|,|Y₃|,|Y₄|,|Y₅|,|Y₆|,|Y₇|,|Y₈|)，由于正弦信号在一个小区间内sin(θ)≈θ，则每个区间等效为一段斜率为±1的直线；

步骤5：得到相位角度θ的初步估计值根据得到的伪线性信号在各个小区间内，是递增还是递减，将步骤4中得到的每个区间再平均分成两段，将经过细分后[0 2π]上的区间分成32部分的伪线性信号，进行如下操作：其中n为1～32 的整数，具体操作为：

所述的对进行精度的补偿：在已有信号的基础上进行最大限度的利用，对伪线性信号进行补偿，采用的校正算法如下所示：

代替步骤5中的进行同样的操作，其中，系数a值由计算可得，并且能够使校正后的值更加接近真实值。

3.如权利要求3所述的一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法，其特征是：将所述的幅值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8八路信号正的部分取值1，负的部分取值-1后分别得到分区编码S_Y1、S_Y2、S_Y3、S_Y4、S_Y5、S_Y6、S_Y7、 S_Y8，利用如下关系进行分区编码：

这样就能实现用Bit₃ Bit₂ Bit₁ Bit₀构成的二进制数表示16个分区部分。

根据所述的幅值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8平均分成16个部分，分别为幅值Z0、Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z12、Z13、 Z14、Z15,并进行相应的编码，然后把相应的分区信息通过寄存器记录。

判断该伪线性信号在32个区间内，那段处于递增段，那段处于递减段，其判断部分的结构为：

在Z0和Z8区间，|Y1|和|Y6|经过比较器，大于0则输出1，小于0则输出0；

在Z1和Z9区间，|Y4|和|Y6|经过比较器，大于0则输出1，小于0则输出0；

在Z2和Z10区间，|Y4|和|Y8|经过比较器，大于0则输出1，小于0则输出0；

在Z3和Z11区间，|Y8|和|Y2|经过比较器，大于0则输出1，小于0则输出0；

在Z4和Z12区间，|Y2|和|Y7|经过比较器，大于0则输出1，小于0则输出0；

在Z5和Z13区间，|Y7|和|Y3|经过比较器，大于0则输出1，小于0则输出0；

在Z6和Z14区间，|Y3|和|Y5|经过比较器，大于0则输出1，小于0则输出0；

在Z7和Z15区间，|Y5|和|Y1|经过比较器，大于0则输出1，小于0则输出0。

所述的混合运算是对于固定系数的乘法，利用DSP的强大运算能力，对转换后的信号进行移位运算实现的；

为了避免过零点采样问题，引入系数K,对两路信号进行放大，其关系如下：

式中，有效扩展位n；对于分区信息部分：

根据所述的分区信息的确定，由两个逻辑部分进行判断，首先，进行逻辑区间划分。其完成的逻辑功能如下

其中：分区编码S_Y1、S_Y2、S_Y3、S_Y4、S_Y5、S_Y6、S_Y7、S_Y8，表示幅值Y₁、Y₂、 Y₃、Y₄、Y₅、Y₆、Y₇、Y₈八路信号正的部分取值1，负的部分取值-1；用Bit₃Bit₂Bit₁Bit₀构成的二进制数表示16个分区部分。

本发明与现有技术相比具有实质性特点和显著的效果是：

本发明所提出的算法很大地为旋转变压器解码节约了成本，同时也降低了解码难度，得到了精确的待测角度数据。理论情况下，在未补偿前解码误差不大于0.0721°；校正后的角度估计值与真实角度值之间的最大误差仅为 8.65X10^-5度，完全能够满足大部分高精度应用场合。

附图说明

图1使用DSP实现旋转变压器解码的系统示意图。

图2旋转变压器解码算法实现的过程示意图。

图3是本发明具有不同相位差的八路信号图。

图4是本发明分区信息与幅值符号关系图

图5是取绝对值后的信号。

图6是本发明伪线性信号。

图7是本发明的未补偿角度估计值。

图8是本发明未作校正前的误差曲线。

图9是本发明校正后的误差曲线。

图10是本发明逻辑电路部分。

图11是本发明的上升下降区间逻辑判断框图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法，其过程是通过DSP自带的PWM调制，DSP简称数字信号处理器(Digital Signal Processor)，PWM简称多种脉冲宽度调制(Pulse width modulation)，经过DAC 转换为旋转变压器的激励信号，DAC数字模拟转换器(Digital to analog converter)，旋转变压器把转过的角度信号经过滤波电路输出给DSP，经过一系列算法的转换，把输出的信号经过ADC转换为具体的角度值。

这样不仅解决了传统算法抗干扰性差，输出滞后，占用内存资源多，对硬件要求高等缺陷，而且可以实现以较少的存储资源，较快的计算速度实现角度精确解码。

如图2所示，所述的系列算法和解码过程是通过对旋转变压器输出信号进行一些混合运算，将得到的信号进行逻辑分区判断，根据判断结果进行误差补偿等算法得出最终信号的相位角度值，所述的系列算法和解码过程包含以下步骤：

Y₁＝sin(θ)

Y₂＝cos(θ)

其中，θ为正余弦信号的相位角度；根据解调后信号的特点，把幅值Y1和 Y2进行加法运算，并进行一定调整得到幅值Y3为：

步骤2：把幅值Y1与幅值Y3、Y4分别做加法运算，幅值Y3、Y4与幅值Y2分别做加法和减法运算，并进行一定的幅值调整得到四路辅助信号的幅值Y5、Y6、 Y7、Y8为：

这样我们得到幅值为1，但是相位不等的八路可用信号，如图3所示。

步骤3：根据八路信号的幅值和符号关系，把一个周期[02π]平均分成16 部分，并进行相应的编码，如图4所示；

步骤4：对步骤1和步骤2所得到的八路信号进行取绝对值，如图5所示，再对取过绝对值的信号进行取小运算得到各个区间大小为π/16的伪线性信号： min(|Y₁|,|Y₂|,|Y₃|,|Y₄|,|Y₅|,|Y₆|,|Y₇|,|Y₈|)，由于正弦信号在一个小区间内sin(θ)≈θ，则每个区间等效为一段斜率为±1的直线，如图6所示；

这样我们由步骤5可以得到相位角度θ的初步估计值如图7所示。

为了便于对初步得到相位角度θ的初步估计值进行误差计算，我们选取作为研究对象，在该区间可以很容易看出，该伪线性变换后其误差随着角度的变大，越来越大并且这种变化是非线性的，经过计算其最大误差η₁为 0.0721°，如图8所示。

步骤6：对进行精度的补偿：在已有信号的基础上进行最大限度的利用，对伪线性信号进行补偿，采用的校正算法如下所示：

其中，随着相位角度θ的变化，系数a的取值范围在[0.333333 0.3379350], 经进一步计算可知，当系数a＝0.335514时，该误差η₂取得最小值。校正后的角度估计误差，如图9所示；几乎能够胜任大多数高精度伺服控制系统。

步骤7：将幅值Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅、Y₆、Y₇、Y₈八路信号正的部分取值1，负的部分取值-1后分别得到分区编码S_Y1、S_Y2、S_Y3、S_Y4、S_Y5、S_Y6、S_Y7、S_Y8，利用如下关系进行分区编码。

这样就能实现用Bit₃Bit₂Bit₁Bit₀构成的二进制数表示16个分区部分。

根据步骤7所示的逻辑算法可以实现整个2Π周期的16部分划分，从而为进一步区间划分，提供了基础。其逻辑电路部分如图10所示。

步骤8：判断该伪线性信号在32个区间内，那段处于递增段，那段处于递减段，其判断部分的结构为：

在Z7和Z15区间，|Y5|和|Y1|经过比较器，大于0则输出1，小于0则输出0；

根据输出的1或者0，我们就可以确定图6中的信号是处于递增段还是递减段，即实现了步骤7中的区间进一步划分。其上升和下降区间逻辑判断，如图11 所示。

本发明中基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码技术设计的基本流程如图2示，下面结合框图中所涉及算法的一些部分进行如下阐述。

本发明一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法的运算：

本发明的计算通过混合运算实现，不需要查表，故节省很多存储资源。

对于固定系数的乘法，利用DSP的强大运算能力，对转换后的信号进行移位运算实现。

本发明中为了避免过零点采样问题，引入系数K,对两路信号进行放大，其关系如下。

式中，有效扩展位n

对于分区信息部分：

根据本发明中涉及到的分区信息的确定，需要两个逻辑部分进行判断，首先，如图11所示，进行逻辑区间划分。其完成的逻辑功能如下

其中：S_Y1、S_Y2、S_Y3、S_Y4、S_Y5、S_Y6、S_Y7、S_Y8，表示幅值Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、 Y₅、Y₆、Y₇、Y₈八路信号正的部分取值1，负的部分取值-1。用Bit₃ Bit₂ Bit₁ Bit₀构成的二进制数表示16个分区部分。图11中，对于划分的逻辑区间，进行处于上升还是下降段判断。

表1中，是以TMS320F28335微控制器配合AD9854和AD5791为例，表示本发明方法精度校正后，在某些特殊点处的输出值，以及所对应的误差值。

对于初步估计误差计算的实现：

η₁＝θ-min(|Y₁|,|Y₂|,|Y₃|,|Y₄|,|Y₅|,|Y₆|,|Y₇|,|Y₈|)

＝1-sin(θ) θ∈[0 π/16]

对于精度补偿后误差计算的方式为：

η₂＝θ-η₁-λ₂

＝1-sin(θ)-a×(1-cos(θ))×sin(θ) θ∈[0 π/16]

以上所述的具体实施步骤，主要对解码算法的实现途径进行的具体阐述。

Claims

1.一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法，使用由旋转变压器、混合运算电路、单片机或者可编程逻辑器件构成解码系统；利用旋转变压器输出信号进行解调和归一化处理，再经过一些列混合运算得到伪线性信号，对此信号进行逻辑分区判断，根据判断结果进行计算得到未补偿的角度信号，最后通过非线性精度补偿该信号以提高解码精度；其特征是：包括以下步骤：

Y₁＝sin(θ)

Y₂＝cos(θ)

其中，θ为正余弦信号的相位角度；根据解调后信号的特点，把幅值Y1和Y2进行加法运算，并进行一定的幅值调整得到幅值Y3为：

步骤2：把幅值Y1与幅值Y3、Y4分别做加法运算，幅值Y3、Y4与幅值Y2分别做加法和减法运算，并进行一定的幅值调整得到四路辅助信号幅值Y5、Y6、Y7、Y8为：

步骤3：根据八路信号的幅值和符号关系，把一个周期[0 2π]平均分成16部分，并进行相应的编码；

步骤5：得到相位角度θ的初步估计值根据得到的伪线性信号在各个小区间内，是递增还是递减，将步骤4中得到的每个区间再平均分成两段，将经过细分后[0 2π]上的区间分成32部分的伪线性信号，进行如下操作：其中n为1～32的整数，具体操作为：

2.如权利要求1所述的一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法，其特征是：所述的对进行精度的补偿：在已有信号的基础上进行最大限度的利用，对伪线性信号进行补偿，采用的校正算法如下所示：

3.如权利要求1所述的一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法，其特征是：将所述的幅值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8八路信号正的部分取值1，负的部分取值-1后分别得到分区编码S_Y1、S_Y2、S_Y3、S_Y4、S_Y5、S_Y6、S_Y7、S_Y8，利用如下关系进行分区编码：

4.如权利要求1所述的一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法，其特征是：根据所述的幅值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8平均分成16个部分，分别为幅值Z0、Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z12、Z13、Z14、Z15,并进行相应的编码，然后把相应的分区信息通过寄存器记录。

5.如权利要求4所述的一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法，其特征是：判断该伪线性信号在32个区间内，那段处于递增段，那段处于递减段，其判断部分的结构为：

6.如权利要求1所述的一种基于DSP的旋转变压器高精度高响应解码方法，其特征是：所述的混合运算是对于固定系数的乘法，利用DSP的强大运算能力，对转换后的信号进行移位运算实现的；

式中，有效扩展位n；对于分区信息部分：

其中：分区编码S_Y1、S_Y2、S_Y3、S_Y4、S_Y5、S_Y6、S_Y7、S_Y8，表示幅值Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅、Y₆、Y₇、Y₈八路信号正的部分取值1，负的部分取值-1；用Bit₃ Bit₂ Bit₁ Bit₀构成的二进制数表示16个分区部分。