CN111164385B - 用于测量运动的方法、电处理器电路及系统 - Google Patents

Abstract

一种测量运动的方法，该方法包括以下步骤：·获取并数字化跨感应式运动传感器的第一次级绕组的端子的第一测量电压(V_a)以及跨第二次级绕组的端子的第二测量电压(V_b)；·将第一测量电压与自身相差以便获得交叉矢量(V_c)的第一分量(V₁)，将第二测量电压与自身相差以便获得交叉矢量(V_c)的第二分量(V₂)，并将第一测量电压和第二测量电压相乘在一起以便获得交叉矢量(V_c)的第三分量(V₃)；·施加交叉矢量作为低通滤波器的输入，以便获得经滤波矢量(V_f)；以及·根据经滤波矢量(V_f)的分量来估计运动。

Description

用于测量运动的方法、电处理器电路及系统

本发明涉及利用感应式运动传感器来测量运动的方法的领域。

背景技术

感应式运动传感器，诸如线性可变差动变压器(LVDT)、旋转可变差动变压器(RVDT)或解析器，在各种工业领域中被用于多种应用。

具体地，在现代飞行器中将找到许多感应式运动传感器，其中机电致动器逐渐取代了纯机械的致动器以及液压的致动器。

传统上，这种感应式运动传感器包括初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈。激励电压被施加到初级线圈的端子。跨第一次级线圈的端子生成第一测量电压，并且跨第二次级线圈的端子生成第二测量电压。

然后，电处理器电路获取第一测量电压和第二测量电压，并且基于第一测量电压和第二测量电压来估计轴向或角向运动。

同步解调经常被用在电子处理器电路中以便估计运动。同步解调具体包括：将第一测量电压乘以同相激励电压并乘以正交激励电压，以及将第二测量电压乘以同相激励电压并乘以正交激励电压。

因此，电处理器电路必须获取激励电压以便执行同步解调。

然而，经常发生的情况是，激励电压不是由电处理器电路生成的，而是由与电处理器电路不同的、并且潜在地位于与电处理器电路相隔一定距离处的发电机电路生成的。作为示例，电处理器电路可被集成在位于飞行器舱内的装备中，而发电机电路可被集成在例如位于致动器附近的远程装备中。

因此，电处理器电路和发电机电路需要通过将激励电压传递到电处理器电路的电缆来连接在一起。

发明目的

本发明的目的是减少包括感应式运动传感器和电处理器电路的系统的重量并增加其可靠性。

发明内容

为了实现该目的，提供了一种测量运动的方法，该方法包括以下步骤：

·获取并数字化跨感应式运动传感器的第一次级绕组的端子的第一测量电压以及跨第二次级绕组的端子的第二测量电压；

·将第一测量电压与自身相差以便获得交叉矢量的第一分量，将第二测量电压与自身相差以便获得交叉矢量的第二分量，并将第一测量电压和第二测量电压相乘在一起以便获得交叉矢量的第三分量；

·施加交叉矢量作为低通滤波器的输入，以便获得经滤波矢量；以及

·根据经滤波矢量的分量来估计运动。

为了估计运动，本发明的测量方法因此不利用施加到感应式运动传感器的初级线圈的端子上的激励电压。

因此可能的是，省去传统用于传送激励电压的电缆，从而减少包括感应式运动传感器的系统和电处理器电路的重量，同时还增加所述系统的可靠性。

还提供了一种用于连接至感应式运动传感器的电处理器电路，该电处理器电路包括被布置为执行如上所述的测量方法的处理器组件。

还提供了一种包括如上所述的电处理器电路以及感应式运动传感器的系统。

在阅读了下面的对本发明的特定、非限制性实施例的描述之后，本发明的其他特征及优点将变得显而易见。

附图简述

参考附图，在附图中：

·图1示出了一种包括解析器、电采集电路、电处理器电路和发电机电路的系统，其中在电处理器电路中执行本发明的第一实现的测量方法；

·图2示出了电处理器电路的处理器组件；

·图3示出了本发明的第一实现的测量方法的初始化步骤；

·图4示出了本发明的第一实现的测量方法的步骤；

·图5示出了电处理器电路的处理器组件，其中在本发明的第二实现中使用测量方法；

·图6示出了本发明第二实现的测量方法的初始化步骤；以及

·图7示出了本发明的第二实现的测量方法的步骤。

具体实施方式

在本发明的第一实现中的测量方法用于测量机电致动器的电动机的转子的角位置。

参考图1，分析器1被集成在电动机中。解析器1包括定子和转子，该定子和转子被约束为与电动机的转子一起旋转。

测量解析器1的转子的角运动，以便获得对电动机的转子的角位置的估计。

该测量方法在电处理器电路3的处理器组件2中被执行。电处理器电路3被安装在集成在第一件电气装备中的电路卡上。作为示例，第一件电气装备是计算机、数据集中器、控制单元等。

在该示例中，处理器组件2是现场可编程门阵列(FPGA)，然而它也可以是其他组件，例如，微控制器、处理器或专用集成电路(ASIC)等。

电处理器电路3被连接到电采集电路4，电采集电路4本身被连接到解析器1。发电机电路5也被连接到电采集电路4。发电机电路5被安装到被集成到位于距第一件电气装备距离一定距离的第二件电气装备中的电路卡。

电采集电路4包括数模转换器7、第一模数转换器8、第二模数转换器 9、第一放大器11、第二放大器12和第三放大器13。

发电机电路5的输出被连接到数模转换器7的输入。数模转换器7 的输出被连接到第一放大器11的输入。第一放大器11的输出被连接到电采集电路4的输出S₁，而电接地被连接到电采集电路4的输出S₂。

第二放大器12与四个电阻器R₁、R₂、R₃和R₄相关联。电阻器R₁被连接在第二放大器12的非反相输入与电采集电路4的输入E₁之间。电阻器 R₂的第一端子被连接到电阻器R₁的端子，而电阻器R₂的第二端子被连接到电接地。电阻器R₃被连接在第二放大器12的输入与电采集电路4的输入E₂之间。电阻器R₄的第一端子被连接到电阻器R₃的端子，而电阻器R₄的第二端子被连接到电接地。

第二放大器12的输出被连接到第一模数转换器8的输入。第一模数转换器8的输出被连接到电处理器电路3的处理器组件2。

同样，第三放大器13与四个电阻器R'₁、R'₂、R'₃和R'₄相关联。四个电阻器R'₁、R'₂、R'₃和R'₄被连接在第三放大器13与输入E₃和E₄之间，并且它们象R₁、R₂、R₃和R₄一样布置。

第三放大器13的输出被连接到第二模数转换器9的输入。第二模数转换器9的输出被连接到电处理器电路3的处理器组件2。

电采集电路4的输出S₁和S₂中的每一者被连接到解析器1的初级绕组 15的相应端子。解析器1的第一次级绕组16的端子被连接到输入E₁和E₂。解析器1的第二次级绕组17的端子被连接到输入E₃和E₄。

当电动机的转子的角位置要被测量时，发电机电路5产生数字激励电压 v_exc，该数字激励电压v_exc由电采集电路4的数模转换器7转换成模拟激励电压 V_EXC。激励电压V_EXC被施加到解析器1的初级绕组15的端子。

激励电压V_EXC使得：

其中U₀、ω和

分别是激励电压V_EXC的幅度、角频率和相位。

跨解析器1的第一次级绕组16的端子的第一测量电压V_a随后由第二放大器12和第一模数转换器8获取并且数字化。同样，解析器1的跨第二次级绕组17的端子的第二测量电压V_b随后由第三放大器13和第二模数转换器9 获取并且数字化。

参考图2，第一测量电压V_a和第二测量电压V_b随后由电处理器电路3 的处理器组件2获取。

理论上可通过以下公式来估计第一测量电压V_a：

V_a＝V_EXC.sin(θ)

其中θ是解析器1的转子的角运动。

理论上可通过以下公式来估计第二测量电压V_b：

V_b＝V_EXC.cos(θ)。

处理器组件2还获取AR系数C_aij和AM系数C_bij。

AR系数C_aij包括第一双二次滤波器的AR系数C_a00、C_a01以及第二双二次滤波器的AR系数C_a10、C_a11。

AM系数C_bij包括第一双二次滤波器的AM系数C_b00、C_b01和C_b02，以及第二双二次滤波器的AM系数C_b10、C_b11和C_b12。

处理器组件2还获取死区阈值ε。

测量方法的实现利用第一双二次滤波器的第一状态矢量S₀₀、第一双二次滤波器的第二状态矢量S₀₁、第二双二次滤波器的第一状态矢量S₁₀和第二双二次滤波器的第二状态矢量S₁₁。

在本申请中，应观察到，适量是使用粗体表示法写的。

矢量S₀₀、S₀₁、S₁₀和S₁₁是矢量，每个矢量包括一列和四行。

参考图3，测量方法从初始化步骤E0开始，在此期间，矢量S₀₀、S₀₁、 S₁₀和S₁₁被初始化为零：

参考图4，第一测量电压V_a随后与自身相乘以获得交叉矢量V_c的第一分量V₁。第二测量电压V_b与自身相乘以获得交叉矢量V_c的第二分量V₂。将第一测量电压V_a和第二测量电压V_b相乘在一起以便获得交叉矢量V_c的第三分量V₃。交叉矢量V_c的第四分量V₄被设为零(步骤E1)。

由此：

然后，交叉矢量V_c被施加作为低通滤波器的输入。

低通滤波器用于从交叉矢量V_c中消除2ω分量。

低通滤波器包括第一双二次滤波器和第二双二次滤波器。

因此，交叉向量V_c最初被应用为第一双二次滤波器的输入(步骤E2)。

得到以下方程：

V_i＝C_b00.V_c+S₀₀

S₀₀＝C_b01.V_c-C_a00.V_i+S₀₁

S₀₁＝C_b02.V_c-C_a01.V_i

V_i是由第一双二次滤波器输出的中间矢量。

然后，中间矢量V_i被施加作为第二双二次滤波器的输入(步骤E3)。

然后，得到以下方程：

V_f＝C_b10.V_i+S₁₀

S₁₀＝C_b11.V_i-C_a10.V_f+S₁₁

S₁₁＝C_b12.V_i-C_a11.V_f

V_f是第二双二次滤波器输出处的经滤波矢量。

然后根据经滤波矢量V_f的分量估计出解析器1的转子的角运动θ。

因此，该测量方法包括以下步骤：计算

其中V_fa是经滤波矢量V_f的第一分量；以及随后计算

其中V_fb是经滤波矢量V_f(步骤 E4)的第二分量。

然后确定V_fc的符号。V_fc是经滤波矢量V_f的第三分量(步骤E5)。

如果V_fc≥0，则通过使用公式θ＝atan2(V'_fa,V'_fb)来估计角运动θ：步骤E6。

如果V_fc<0，则通过使用公式θ＝-atan2(V'_fa,V'_fb)来估计角运动θ：步骤E7。

应该观察到，函数atan2(y,x)可被如下定义：

如果x>0，atan2(y,x)＝arctan(y/x)；

如果y>0，则atan2(y,x)＝π/2-arctan(x/y)；

如果y<0，则atan2(y,x)＝-π/2-arctan(x/y)；

如果x<0，则atan2(y,x)＝arctan(y/x)±π；

如果x＝0且y＝0，则atan2(y,x)未被定义。

然后，测量方法结束。

该测量方法因此可在电处理器电路3不获取激励电压V_EXC的情况下被执行。因此，不需要借助于专用于传送激励电压V_EXC的电缆将第一件电气装备(电处理器电路3位于其中)和第二件电气装备(电发电机电路5位于其中)连接在一起。

这用于减少如上所述的系统的重量和复杂性，并增加了所述系统的可靠性。

应该观察到，所得测量的精度与利用激励电压V_EXC执行同步解调时的精度相同。尽管如此，规定在没有激励的情况下进行的测量仅对位于范围 [-π/2；π/2]中的角度θ有效。在这个定义范围之外，在角度θ的测量上存在弧度π的模糊性。

下面描述本发明的第二实现中的测量方法。这次，本发明的第二实现中的测量方法用于测量机电致动器的致动器构件的角位置。

该测量利用了RVDT。测量RVDT的转子的角运动以便获得对电动致动器的致动器构件的角位置的估计。

进行测量的系统的硬件与如上所述的系统的硬件相似。

参考图5，第一测量电压V_a和第二测量电压V_b随后由电处理器电路的处理器组件20获取。

处理器组件20还获取AR系数C_aij和AM系数C_bij。

AR系数C_aij包括第一双二次滤波器的AR系数C_a00、C_a01以及第二双二次滤波器的AR系数C_a10、C_a11。

AM系数C_bij包括第一双二次滤波器的AM系数C_b00、C_b01、C_b02和C_b03，以及第二双二次滤波器的AM系数C_b10C_b11、C_b12和C_b13。

处理器组件20还获取死区阈值ε。

掠食者(predator)组件20还获得最大角运动θ₀。

参考图6，测量方法从初始化步骤E10开始，在此期间，矢量S₀₀、S₀₁、 S₁₀和S₁₁被初始化为零：

参考图7，第一测量电压V_a随后与自身相乘以获得交叉矢量V_c的第一分量V₁。第二测量电压V_b与自身相乘以获得交叉矢量V_c的第二分量V₂。将第一测量电压V_a和第二测量电压V_b相乘在一起以便获得交叉矢量V_c的第三分量V₃。交叉矢量V_c的第四分量V₄被设为零(步骤E11)。

由此：

交叉矢量V_c然后被施加作为低通滤波器的输入，该低通滤波器包括第一双二次滤波器和第二双二次滤波器。

交叉向量V_c最初被应用为第一双二次滤波器的输入(步骤E12)。

因此，得到以下方程：

V_i＝C_b00.V_c+S₀₀

S₀₀＝C_b01.V_c-C_a00.V_i+S₀₁

S₀₁＝C_b02.V_c-C_a01.V_i

V_i是来自第一双二次滤波器的输出处的中间矢量。

然后，中间矢量V_i被施加作为第二双二次滤波器的输入(步骤E13)。

然后，得到以下方程：

V_f＝C_b10.V_i+S₁₀

S₁₀＝C_b11.V_i-C_a10.V_f+S₁₁

S₁₁＝C_b12.V_i-C_a11.V_f

V_f是第二双二次滤波器输出处的经滤波矢量。

随后根据经滤波矢量的分量估计出RVDT的转子的角运动θ。

因此，该测量方法包括以下步骤：计算V_S＝V_fa+V_fb以及V_D＝V_fa-V_fb，其中V_fa是经滤波矢量V_f的第一分量，而V_fb是经滤波矢量V_f的第二分量(步骤E14)。

如果V_D<ε并且V_D>-ε(步骤E15)，则测量方法包括以下设定步骤：

V_R＝0(步骤E16)。

然后，通过使用以下公式来估计角运动θ：

θ＝θ₀.V_R(步骤E17)。

否则，测量方法包括以下计算步骤：

V_R＝V_S/V_D并且V_R ²＝V_R.V_R(步骤E18)。

其后，将V_R ²与1作比较(步骤E19)。

如果V_R ²≤1，则通过使用以下公式来估计角运动θ：

θ＝θ₀.V_R(步骤E17)。

如果V_R ²>1，则测量方法包括以下计算步骤：

(步骤E20)。

在这类情况下，如果：V_fc≥0并且V_D<0，或者如果V_fc<0并且V_D≥0 (步骤E21)，则测量方法包括以下设定步骤：

V_R＝V_T(步骤E22)。

V_fc是经滤波矢量V_f的第三分量。

否则，测量方法包括以下设定步骤：

V_R＝-V_T(步骤E23)。

然后，通过使用以下公式来估计角运动θ：

θ＝θ₀.V_R(步骤E17)。

然后，测量方法结束。

在这一点上应该观察到，本发明的第二实现中的测量方法也可以与lvdt 一起使用，用于测量线性运动X。

在上文中，角运动θ应该被替换为线性运动X，并且最大角运动θ₀应该被替换为最大线性运动X₀。

因此，通过使用运动d和最大运动d₀来概括测量方法。d是角运动或线性运动，而d₀是最大角运动或最大线性运动。

当然，本发明不限于所描述的实施例，而是覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的范围内的任何变型。

如上所述，第一件电气装备和第二件电气装备未通过用于传送激励电压 V_EXC的电缆连接在一起。具体地，本发明的测量方法不需要激励电压V_EXC。

尽管如此，应该观察到，第一件电气装备和第二件电气装备完全有可能通过这种电缆被连接在一起。作为示例，因而可能在正常操作中通过执行利用激励电压的常规同步解调来执行测量。本发明的测量方法因而可在激励电压不再可用(例如，因为电缆已经断开)时使用。

Claims (7)

1.一种测量运动的方法，所述方法包括以下步骤：

·获取并数字化跨感应式运动传感器(1)的第一次级绕组(16)的端子的第一测量电压(V_a)以及跨第二次级绕组(17)的端子的第二测量电压(V_b)；

·将所述第一测量电压与自身相乘以便获得交叉矢量(V_c)的第一分量(V₁)，将所述第二测量电压与自身相乘以便获得所述交叉矢量(V_c)的第二分量(V₂)，并将所述第一测量电压和所述第二测量电压相乘在一起以便获得所述交叉矢量(V_c)的第三分量(V₃)；

·施加所述交叉矢量作为低通滤波器的输入以便获得经滤波矢量(V_f)；以及

·根据所述经滤波矢量(V_f)的分量来估计所述运动。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述低通滤波器包括第一双二次滤波器和第二双二次滤波器。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述感应式运动传感器是解析器(1)，并且其中所述运动是角运动(θ)，所述测量方法进一步包括以下步骤：

·计算

其中V_fa是所述经滤波矢量(V_f)的第一分量；

·计算

其中V_fb是所述经滤波矢量(V_f)的第二分量；

·确定V_fc的符号，其中V_fc是所述经滤波矢量(V_f)的第三分量；以及

·如果V_fc≥0，则通过使用公式θ＝atan2(V'f_a,V'f_b)来估计所述角运动θ；或者

·如果V_fc<0，则通过使用公式θ＝-atan2(V'_fa,V'_fb)来估计所述角运动θ。

4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述感应式运动传感器是LVDT或rvdt，所述运动是线性运动或角运动，所述测量方法进一步包括以下步骤：

·计算V_S＝V_fa+V_fb，其中V_fa是所述经滤波矢量(V_f)的第一分量，且V_fb是所述经滤波矢量(V_f)的第二分量；

·计算V_D＝V_fa-V_fb；

·如果V_D<ε并且V_D>-ε，则设定V_R＝0，并且通过使用公式d＝d₀·V_R来估计运动d，其中d₀是最大运动，其中ε是死区阈值；

·否则，计算V_R＝V_S/V_D和V_R ²；以及

·根据V_R ²来估计所述运动d。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

·将V_R ²与1作比较；

·如果V_R ²≤1，则通过使用公式d＝d₀·V_R来估计所述运动d；

·如果V_R ²>1，则计算

·V_fc≥0并且V_D<0，或者如果V_fc<0并且V_D≥0，V_fc是所述经滤波矢量(V_f)的第三分量，则设定V_R＝V_T，并且通过使用公式d＝d₀·V_R来估计所述运动d；

·否则设定V_R＝-V_T，并且通过使用公式d＝d₀·V_R来估计所述运动d。

6.一种用于连接至感应式运动传感器(1)的电处理器电路(3)，所述电处理器电路(3)包括被布置为执行根据前述权利要求的任意一项所述测量方法的处理器组件(2)。

7.一种系统，其包括根据权利要求6所述的电处理器电路(3)和感应式运动传感器(1)。

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