CN110426062A - 一种具有误差抑制功能的全数字rdc解码系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转变压器的信号处理，具体为一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统。本发明通过对旋变输出信号幅值不平衡及相位非正交所引起的误差进行分析，提出一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统。通过对输入的正余弦信号进行幅值和相位校正，得到幅值平衡、相位正交的正余弦信号，再通过跟踪型轴角数字转换器解析出永磁直驱电机的转子位置和转速。采用该方法能够提高旋转变压器解析出转子位置和转速的精度，从而进一步提高永磁直驱电机的控制性能。该发明方法不仅适用于大功率永磁直驱电力机车，同样适用于以旋转变压器为位置传感器的各项永磁同步电机的应用场合。

Description

一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统

技术领域

本发明涉及旋转变压器的信号处理，具体为一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统。

背景技术

永磁电机牵引系统具有损耗低、效率高、启动特性好、加速性能强、噪声低等显著优点，代表了未来节能减排、绿色环保的技术发展趋势，成为下一代牵引系统的发展方向。直接传动技术，具备解决传递损耗、噪声和维修等问题，减轻车辆的总体重量，提高传动效率，给转向架的设计提供更多自由的空间等优点。目前中车永济电机有限公司与大同电力机车有限公司合作的大功率永磁直驱电力机车完成装车，并且已完成整车的联调试验。

在永磁直驱电机的矢量控制过程中，为了获得高动态响应、高精度调速和高效率等控制特性，需要实时获取电机的转速和转子位置信息。比较常用的位置传感器有编码器和旋转变压器，旋转变压器具有精度高、耐高温高湿、可靠性高、防水防尘和抗干扰能力强等优点，在轨道交通、电动汽车、航空及航天等多种领域得到广泛应用。

理想情况下，旋转变压器通过向励磁绕组注入高频励磁信号，输出包含转子位置信息的正余弦反馈信号，然后通过解调，即可得到电机的转速和转子位置信息。但在实际应用中，旋转变压器受结构设计和外围电路的影响，其输出的模拟信号并不是随转角按理想的正余弦变化的，总是存在偏差。当旋转变压器的正余弦绕组与励磁绕组的磁场耦合存在差异，或者轴角转换电路的增益不一致时，会造成正余弦反馈绕组感应电动势的最大值不同，从而表现为幅值不平衡误差；当旋转变压器在制造时正余弦反馈绕组空间分布存在偏差，或者信号在传输及放大过程中存在电抗性元件，导致两相信号之间出现相位误差，从而表现为相位正交误差。

现有技术一(CN208092582U)提出一种旋转变压器的信号处理电路，包括信号滤波电路和差分调制电路，信号滤波电路由共模电感构成，两个输入端连接旋转变压器，两个输出端连接差分调制电路的两个输入端；差分调制电路由二阶有源低通滤波电路构成，两个输出端用于连接解码芯片。现有技术一提出的信号处理电路采用二阶有源低通滤波电路，能够有效地抑制共模噪声和差模噪声，提高信号的抗干扰能力，但在某种程度上造成了相位延迟，并且对旋变信号的幅值不平衡及相位非正交造成的误差没有抑制作用。此外现有技术一采用旋变解码芯片解析转子位置，成本比较高。

现有技术二(CN108631656A)提供了一种旋转变压器解码方法及系统，首先获取旋转变压器的正余弦反馈信号以及锁相环所得的转子转速，然后基于正余弦反馈信号计算得到目标d-q轴电压分量。再基于锁相环所得的转子转速，确定出与转子转速对应的负序分量权重值，并根据负序分量权重值，对正序d-q轴电压分量以及负序d-q轴电压分量进行解耦，得到目标正序q轴分量，最后将目标正序q轴分量输入锁相环，得到永磁同步电机的转子位置和转速。现有技术二根据锁相环所得的转子转速，确定解耦的输入参数，进而加快锁相环的响应过程，并且能够抑制幅值不平衡和相位非正交造成的误差，但是算法比较复杂，不容易实现。

发明内容

本发明通过对旋变输出信号幅值不平衡及相位非正交所引起的误差进行分析，提出一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统。通过对控制器采到的正余弦反馈信号进行幅值和相位校正，得到幅值平衡、相位正交的正余弦反馈信号，再通过跟踪型轴角数字转换器解析出永磁直驱电机的转子位置和转速。采用该方法能够提高旋转变压器解析出转子位置和转速的精度，从而进一步提高永磁直驱电机的控制性能。该发明方法不仅适用于大功率永磁直驱电力机车，同样适用于以旋转变压器为位置传感器的各项永磁同步电机的应用场合。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，包括DSP控制器、励磁信号放大与滤波电路、旋转变压器、正余弦信号调理电路，其中DSP控制器内部包括励磁PWM产生模块、旋变信号解调模块和具有误差抑制功能的RDC解码模块，励磁PWM产生模块用于产生正弦励磁参考信号，正弦励磁参考信号经过励磁信号放大与滤波电路得到适合于旋转变压器励磁的正弦励磁信号，送至旋转变压器；正余弦信号调理电路对旋转变压器输出的正余弦反馈信号进行调理，将其转换成单端正余弦信号,送至DSP控制器；DSP控制器内部旋变信号解调模块在励磁参考信号的峰值时刻通过AD对单端正余弦信号进行采样，即可得到与电机转子位置相关的正余弦包络信号，具有误差抑制功能的RDC解码模块首先对正余弦包络信号进行幅值和相位校正，然后通过跟踪型轴角数字变换器得到电机控制所需的转子位置和转速，用于电机控制算法。

上述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，具有误差抑制功能的RDC解码模块首先对正余弦包络信号进行幅值校正得到幅值相等的正余弦信号，之后通过向量加减法对相位进行校正，得到相位正交的正余弦信号，但是此时两信号幅值又不平衡，并且和原信号相位相差一定角度，因此需要再次进行幅值校正，并且在跟踪型轴角数字变换器的角度计算中加上计算出的角度补偿，从而得到更加精确的转子位置和转速。

上述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，具有误差抑制功能的RDC解码模块对正余弦包络信号进行幅值校正时，首先找到正弦和余弦两相信号的最大值，即信号的幅值，然后对其中一信号乘以两信号幅值的比值，即可校正为幅值相等的两相信号。

上述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，对经过幅值校正的正余弦信号进行相加减，得到正交的两相信号V_s2和V_c2。

上述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，令V_s2＝A₂sinβ，V_c2＝A₃cosβ，V_c2与相位校正前的信号V_c1相差一个固定角度θ_c，θ_c的计算公式为：δ为正余弦包络信号间的相位误差。

上述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，经过相位校正的两相信号，先找到两相信号的最大值，即信号的幅值，然后对其中一信号乘以两信号幅值的比值，即可校正为幅值相等的两相信号。

上述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，跟踪型轴角数字变换器通过幅值平衡、相位正交的正余弦信号解析出转子位置β和转速ω_r，解析出的转速是真实的转速，解析出的转子位置补偿掉相位误差θ_c得到真实转子位置θ。

上述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，励磁PWM产生模块通过查表法产生正弦励磁参考信号。

上述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，励磁信号放大与滤波电路采用芯片TC1427对励磁PWM产生模块输出的正弦励磁参考信号进行功率放大，得到适合于旋变励磁功率的SPWM信号，再经过低通滤波器滤除SPWM信号中的高频成分，得到差分的正弦励磁信号。

上述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，正余弦信号调理电路采用型号为INA128U的高精度宽电压范围的仪用放大器，对正余弦反馈信号进行放大并转换为适合于DSP采样的单端正余弦信号。

本发明技术方案带来的有益效果

采用本发明方法能够校正由于旋转变压器结构设计或外围电路的影响引起的幅值不平衡误差或者相位非正交误差，从而提高经过跟踪型轴角数字转换器解析出转子位置和转速的精度，进而提高永磁同步电机的控制性能。该技术方案适用于大功率永磁直驱电力机车，同样适用于所有以旋转变压器为位置传感器的永磁同步电机应用场合。

附图说明

图1为本发明旋转变压器解码系统控制框图。

图2为旋转变压器定子绕组示意图。

图3为旋转变压器励磁及反馈信号示意图。

图4为励磁参考信号产生的中断流程图。

图5为励磁信号放大与滤波电路原理图。

图6为正弦信号调理电路原理图。

图7为解调中断流程图。

图8为峰值采样框图。

图9为采样包络信号示意图。

图10为具有误差抑制功能的全数字RDC解码方法框图。

图11为相位校正向量示意图。

图12为跟踪型轴角转换原理框图。

图13为适用于机车的全速度范围内分段矢量控制策略框图。

具体实施方式

旋转变压器部分

旋转变压器是一种特殊的测量电机，转子和永磁同步电机转子通过机械结构相连，定子上含有一个用于励磁的初级绕组和两个用于反馈的次级绕组，如图2所示。工作时，R1-R2绕组从外部电路输入用于励磁的正弦励磁信号V_r，随着电机的旋转，反馈绕组S2-S4和S1-S3输出与电机位置相关的正余弦反馈信号V_a、V_b，如图3所示。励磁信号的表达式如式(1)所示，正余弦反馈信号的表达式如式(2)所示。

V_r＝V_p×sin(ωt)(1)

式中，V_p为励磁信号的幅值，sin(ωt)为励磁信号的频率，V_q为正余弦反馈信号的幅值，θ为轴角，由于信号从初级绕组感应到次级绕组会有一定衰减，所以一般情况下V_q小于V_p。

励磁PWM产生部分

旋转变压器的励磁信号本质上是正弦函数信号，励磁PWM产生模块通过查表法来获得正弦励磁参考信号REF_PWM，该方法虽然需要占用一定存储空间，但方法简单易行，并且容易获得励磁参考信号的峰值时刻。选取励磁信号的频率为4KHz，通过DSP的ePWM模块输出频率为160KHz的SPWM，在DSP程序中储存计算好的40点的正弦值，当使用PWM中断定期更新占空比时，每个励磁周期PWM占空比更新40次，励磁参考信号REF_PWM生成的中断程序流程图如图4所示。

励磁信号放大与滤波电路部分

通过励磁PWM产生模块产生的励磁参考信号REF_PWM驱动能力较差，需要经过励磁信号放大与滤波电路才能达到旋变的励磁需求。励磁信号放大与滤波电路如图5所示，首先采用芯片TC1427对励磁PWM产生模块产生的励磁参考信号REF_PWM进行功率放大，得到适合于旋变励磁功率的SPWM信号，再经过由电阻和电容构成的低通滤波器，滤除SPWM信号中的高频成分，得到差分的正弦励磁信号V_r。

正余弦信号调理电路部分

旋转变压器输出的正余弦反馈信号V_a、V_b是差分的，而DSP控制器只能对0～3.0V的模拟信号进行采样，因此需要调整放大电路的比例系数，使信号峰峰值为3.0V，并且通过调理电路将其转换成单端正余弦信号。本发明采用INA128U将差分信号进行放大，并且在其REF端给定直流偏置电压1.5V，便得到范围在0～3.0V的单端正余弦信号V_e、V_f。正弦反馈信号调理电路如图6所示，余弦反馈信号的调理电路与此相同。

旋变信号解调部分

旋转变压器输出的正余弦反馈信号是转角位置的正余弦函数对励磁信号幅值的调制波，由于励磁参考信号是通过查找正弦表得到的，因此比较容易获得励磁参考信号的峰值时刻，在励磁参考信号的峰值时刻对单端正余弦信号V_e、V_f进行采样，便获得正余弦包络信号V_s、V_c。解调中断的程序流程图和峰值采样的框图分别如图7和图8所示，采样所得的包络信号示意图如图9所示。

旋转变压器存在的误差分析

在实际应用中，受众多非理想因素的影响，旋转变压器的误差可分为幅值误差和正交误差，下面对两种误差的来源及引起的位置误差进行简要分析。

1)幅值误差分析

当旋转变压器的正余弦绕组与励磁绕组的磁场耦合存在差异，或者轴角转换电路的增益不一致时，会造成正余弦反馈绕组感应电动势的最大值不同，从而表现为幅值误差，设DSP控制器采到的正余弦包络信号为：

式中θ为旋转变压器轴的绝对位置，A₁为正弦包络信号幅值，(1+α)A₁为余弦包络信号幅值。

采用跟踪型轴角数字转换器进行解码时，正余弦包络信号经过跟踪型轴角变换，输出的角度误差信号为：

比较容易看出，当时，e不恒等于0，而根据轴角数字转换原理，只有满足e＝0恒成立时，RDC才停止跟踪输入角度。设定转子之间的角度误差且令式(4)中e＝0恒成立，则可得到下式：

sin△θ-αcosθsin(θ-△θ)＝0(5)

由于△θ比较小，可以近似认为sin△θ≈△θ，cos△θ≈1，并且忽略二次项αcos²θ_m，便可根据式(5)推导出角度误差△θ的表达式为

由式(6)可知，正余弦包络信号幅值不平衡导致的角度误差△θ具有二次谐波特征，且误差的幅值与正余弦反馈信号的幅值偏差α成正比。

2)正交误差分析

理论上，旋转变压器的正余弦输出信号应该完全对称且正交，两相之间相差π/2的电弧度，但实际情况下，由于正余弦反馈绕组空间分布存在偏差，或者信号在传输及放大过程中存在电抗性元件，导致两相信号之间出现相位误差。设DSP控制器采到的正余弦包络信号为：

式中δ为两相之间的相位误差，A₁为正余弦包络信号的幅值。

采用跟踪型轴角数字转换器进行解码时，正余弦包络信号经过跟踪型轴角变换，输出的角度误差信号为：

由于δ也比较小，近似认为cosδ≈1，sinδ≈δ，则式(8)可改写为：

同样当时，e不恒等于0，存在误差。仍设定转子之间的角度误差令式(7)中e＝0恒成立，略去2次以上微量得：

可知当正余弦包络信号存在正交误差时，导致解析出的转子位置误差与2倍转角2θ呈余弦关系，且与相位差的大小成正比。

由本部分分析可知，当DSP控制器采到的正余弦包络信号存在幅值或正交误差时，通过跟踪型轴角数字转换器直接解析出的转子位置和实际转子位置会有偏差，因此提出具有误差抑制功能的全数字RDC解码方法。

具有误差抑制功能的全数字RDC解码方法

具有误差抑制功能的RDC解码方法框图如图10所示，假设DSP采回的正余弦包络信号幅值不平衡且相位非正交，首先通过部分1幅值校正得到幅值相等的正余弦信号，之后通过部分2的向量加减法对相位进行校正，得到相位正交的正余弦信号，但是此时两信号幅值又不平衡，并且和原信号相位相差一定角度，因此需要部分3再次进行幅值校正，并且在部分5的角度计算中加上部分4计算出的角度补偿，从而得到更加精确的转子位置和转速。其基本原理是对输入带有偏差的正余弦包络信号进行重构，根据重构出的幅值平衡、相位正交的正余弦信号解析出准确的转子位置和转速，下面对该算法框图中的每一部分进行具体介绍。

1)部分1幅值校正部分

实际情况下，旋转变压器输出的可能是幅值不平衡且相位非正交的正余弦反馈信号，假设DSP采到的正余弦包络信号为：

式中A₁为正弦包络信号幅值，(1+α)A₁为余弦包络信号幅值，δ为正余弦包络信号间的相位误差。

以其中一相信号的幅值为基准，对另一相信号幅值进行校正，如以正弦包络信号幅值为基准，对余弦包络信号幅值乘以两信号幅值的比值，即可校正为幅值相等的两相信号：

2)部分2相位校正部分

如图11所示，对经过幅值校正的正余弦信号V_s1和V_c1进行相加减，便可得到正交的两相信号V_s2和V_c2：

令V_s2＝A₂sinβ，V_c2＝A₃cosβ，则有：

3)部分3补偿角度计算

经过相位校正以后，虽然两相信号满足正交条件，但重构后的信号角度V_c2与原始信号V_c1相差一个固定角度θ_c，需要在最后解析出的转子位置中补偿掉这个角度才能得到转子的真实位置，θ_c的计算公式为：

4)部分4幅值校正

经过相位校正的V_s2与V_c2的幅值又不相等，因此需要再次执行幅值校正，方法同部分1，便可得到幅值平衡、相位正交的正余弦信号V_s3与V_c3。

5)部分5角度计算

此部分选用跟踪型轴角数字转换器解析出转子位置和转速，跟踪型轴角数字转换器基于数字锁相环原理，具有很好的跟踪效果，对采样幅值要求低，具有实时、快速等优点，其原理框图如图12所示。部分5通过部分3输出的幅值平衡、相位正交的正余弦信号V_s3和V_c3解析出转子位置β和转速ω_r，解析出的转速是真实的转速，而解析出的转子位置还需要补偿掉部分2相位校正引入的相位误差θ_c，才能得到真实转子位置θ。

值得强调的是，在实际应用中可以先使用DSP离线测出原始信号的幅值，得到两相信号幅值比值以及补偿角度；一般对于固定的旋转变压器，δ是固定的，因此A₂和A₃也是恒定不变的，将其作为已知系数，就可不需要实时地测量原始信号的幅值，减少了运算量，提高了算法执行效率。

电机控制算法部分

电机控制算法采用一种适用于机车的全速度范围内的分段矢量控制策略，其总体控制框图如图13所示。

该控制策略总体上分为控制算法、调制算法和相角调节器三部分，其中控制算法与调制算法独立设计，控制算法的计算频率高于载波频率，可以减小PWM的延时。

控制算法：此部分采用固定计算频率，完成AD采样，指令的接收，矢量控制算法的实现，最终生成电压指令；当电机运行于非弱磁区域时，采用MTPA控制策略，当运行于高速弱磁区域时，采用弱磁控制策略，两种控制策略能够实现无冲击的切入与切出。

调制算法：受大功率传动系统的低开关频率的限制，调制部分在不同的速度区域设计不同的调制策略，实现从启动阶段的高载波比到方波下单脉冲模式的逐级过渡，以满足全速度范围内运行的需要；并且在不同调制策略之间过渡时，确保切换过程不会出现严重电流冲击，即实现平滑过渡。

相角调节器：由于控制算法固定的计算时间和调制算法不固定的载波周期导致电压角度的计算频率不同，可能会导致指令电压的相位和PWM实际实现的基波电压相位不一致，甚至造成矢量控制算法的失败，通过相角调节器可以保证电压指令相位和实际基波电压相位的一致。

Claims (10)

1.一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，其特征在于包括DSP控制器、励磁信号放大与滤波电路、旋转变压器、正余弦信号调理电路，其中DSP控制器内部包括励磁PWM产生模块、旋变信号解调模块和具有误差抑制功能的RDC解码模块，励磁PWM产生模块用于产生正弦励磁参考信号，正弦励磁参考信号经过励磁信号放大与滤波电路得到适合于旋转变压器的正弦励磁信号，送至旋转变压器；正余弦信号调理电路对旋转变压器输出的正余弦反馈信号进行调理，将其转换成单端正余弦信号,送至DSP控制器；DSP控制器内部旋变信号解调模块在励磁参考信号的峰值时刻通过AD对单端正余弦信号进行采样，即可得到与电机转子位置相关的正余弦包络信号，具有误差抑制功能的RDC解码模块首先对正余弦包络信号进行幅值和相位校正，然后通过跟踪型轴角数字变换器得到电机控制所需的转子位置和转速，用于电机控制算法。

2.根据权利要求1所述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，其特征在于具有误差抑制功能的RDC解码模块首先对正余弦包络信号进行幅值校正得到幅值相等的正余弦信号，之后通过向量加减法对相位进行校正，得到相位正交的正余弦信号，但是此时两信号幅值又不平衡，并且和原信号相位相差一定角度，因此需要再次进行幅值校正，并且在跟踪型轴角数字变换器的角度计算中加上计算出的角度补偿，从而得到更加精确的转子位置和转速。

3.根据权利要求2所述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，其特征在于具有误差抑制功能的RDC解码模块对正余弦包络信号进行幅值校正时，首先找到正弦和余弦两相信号的最大值，即信号的幅值，然后对其中一信号乘以两信号幅值的比值，即可校正为幅值相等的两相信号。

4.根据权利要求3所述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，其特征在于对经过幅值校正的正余弦信号进行相加减，得到正交的两相信号V_s2和V_c2。

5.根据权利要求4所述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，其特征在于令V_s2＝A₂ sinβ，V_c2＝A₃ cosβ，V_c2与幅值校正后的信号V_c1相差一个固定角度θ_c，θ_c的计算公式为：δ为正余弦包络信号间的相位误差。

6.根据权利要求5所述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，其特征在于经过相位校正的两相信号，先找到两相信号的最大值，即信号的幅值，然后对其中一信号乘以两信号幅值的比值，即可校正为幅值相等的两相信号。

7.根据权利要求6所述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，其特征在于跟踪型轴角数字变换器通过幅值平衡、相位正交的正余弦信号解析出转子位置β和转速ω_r，解析出的转速是真实的转速，解析出的转子位置补偿掉相位误差θ_c得到真实转子位置θ。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，其特征在于励磁PWM产生模块通过查表法产生正弦励磁参考信号。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，其特征在于励磁信号放大与滤波电路采用芯片TC1427对励磁PWM产生模块输出的正弦励磁参考信号进行功率放大，得到适合于旋变励磁功率的SPWM信号，再经过低通滤波器滤除SPWM信号中的高频成分，得到差分的正弦励磁信号。

10.根据权利要求1或2或3所述的一种具有误差抑制功能的全数字RDC解码系统，其特征在于正余弦信号调理电路采用型号为INA128U的高精度宽电压范围的仪用放大器，对正余弦反馈信号进行放大并转换为适合于DSP控制器采样的单端正余弦信号。