CN112284427B - 旋转变压器角度信号高速转换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的旋转变压器角度信号高速转换的方法，属于信号转换方法的技术问题。其包括S101:旋转变压器输出的正余弦角度信号采样并线性化处理，确定模拟电压输出和输入的角度θ的对应关系；S102:确定转换后数字量与拟模电压的对应关系；S103:修正所述数字值，并输出修正后转换值。本发明用以降低设备的硬件成本。

Description

旋转变压器角度信号高速转换的方法

技术领域

本发明属于变压器角度输出信号转换方法的技术领域，涉及一种旋转变压器角度信号高速转换的方法。

背景技术

在目前各种伺服机构、天线监控、模拟器、火控系统、飞行仪表系统中，经常需要将旋转变压器、自整角机等各种轴角传感器送来的轴角信号转换成为数字量，目前国内采用较多的是美国AD公司RDC(旋转变压器-数字转换器)/SDC(自整角机-数字转换器)、电子部43所自主研发的HRDC/HSDC系列或中船716所研发的ZSZ/XSZ系列集成轴角数字转换模块。由于该系列产品内部采用伺服跟踪回路，其主要缺点是阶跃响应速度慢，1790阶跃响应一般在400Hz输入激励时为几十～几百ms,50Hz输入激励时为几百ms以上，响应速度慢导致该类型转换器在实际应用过程中一般采用一个转换模块跟踪转换一路旋转变压器信号，而在各种机载、船载伺服机构或火控系统中，一般都存在十几、甚至上百通道正余弦角度信号需要转换的话，需要使用十几、甚至上百个转换器模块，目前一个转换器的成本为3000～5000元，这样导致设备的硬件成本、印制板体积会急剧上升。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转变压器角度信号高速转换的方法，解决现有技术的产品的计算方法成本较高的技术问题。本案的技术方案有诸多技术有益效果，见下文介绍：

本案提供一种旋转变压器角度信号高速转换的方法，其特征在于：

S101:旋转变压器输出的正余弦角度信号采样并线性化处理，确定电压输出和输入的角度θ的对应关系；

S102:确定数字转换后输出数字量与输入的电压的对应关系；

S103:修正所述数字转换后的数值，并将最终转换数值输出。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：

本案的方法，转换器对旋转变压器输出的正余弦角度信号进行数字变转换的速度与通用模拟-数字转换器(A/D)转换速度相当，达到十几μs，则在多角度输入的系统中，通过前端开关切换选择电路选通一路进入后端高速转换器，从而实现角度-数字量的实时转换(两者相差个几十μs时间，对于大多数应用场合，这是完全允许的)，由于仅利用一个转换器就可以完成多路角度传感器信号的转换，能大大降低硬件成本和设备体积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1正余弦变压器角度信号高速转换原理框图

图2旋转变压器示意图

图3线性化处理效果示意图

图4线性处理、转换及修正示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践方面。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示的旋转变压器角度信号高速转换的方法，其具体原理为：

a)依据线性化模型，对输入角度信号进行线性化处理：

依据提出正余弦角度信号线性化处理数学模型，建立输入角度—输出数字量的一一对应的线性关系，这种模型应该是硬件易实现的。具体来讲就是对输入正余弦信号通过该数学模型处理后所产生得到的电压值应该跟输入的角度大小θ成正比且与其它物理量值无关。

b)误差分析及修正：对所提出的线性化数学模型进行误差分析，如果存在理论误差，分析、计算误差大小，并提出可靠、简单的修正方案。

c)高速转换器的实现：利用电路实现线性化数学模型和误差修正，实现对输入的旋转变压器信号数字转换。

具体方法为：

S101:旋转变压器输出的正余弦角度信号采样并线性化处理，确定电压输出和输入的角度θ的对应关系。正常正余弦旋转变压器是指副边两个绕组的输出电压分别与转子转角呈正弦和余弦函数关系如图2所示；

S102:确定数字转换后输出电压与输入的角度θ的对应关系。所述θ的角度为0°～45°，确定0°和45°数字转换后的电压信号，建立输入角度θ与输出数字量的线性关系，并满足D＝4θ/∏×Dmax，对D＝4θ/∏×Dmax进行线性变换，满足，D'＝Dmax[(1+m)sinθ]/(cosθ+m*sinθ)；

以400赫兹激励为例，正余弦变压器输出的信号为：

正弦线：Usin(2π*400t)sinθ；余弦线：Usin(2π*400t)cosθ。

显然，正余弦旋转变压器给出的两个电压在-180°～+180°范围内都不是单值函数且电压幅度均与角度θ不成线性关系，不能直接将它们的幅度信息通过AD转换成数字量。

显然高速转换器设计核心是建立输入角度-电压之间的线性化处理模型，下面以12位转换器为例分析两种线性化处理方案。

设θ在0°～45°范围内输出的9位数字信号与角度的大小成正比，并且有0°对应的转换后数码为D＝0x000000000＝0，45°对应的转换后数码为D＝0x111111111＝511，则对于角度0≤θ≤pi/4，要建立输入角度θ与输出数字量的线性关系，输出的数字量应满足：D＝4θ/∏×Dmax

由于进入系统的信号为含有角度θ的正余弦信号Sinθ，Cosθ，要想完成θ到数字量的线性变换，函数变换为：D'＝Dmax[(1+m)sinθ]/(cosθ+m*sinθ)

显然，当θ＝pi/4时满足D'＝D＝Dmax＝511，设定θ＝pi/8时满足D'＝Dmax/2＝511/2，可以得到m＝0.414。

在同坐标系中绘制两曲线，可见曲线近似曲线D，见附图3，其中：

D'＝Dmax[(1+m)sinθ]/(cosθ+m*sinθ)，D＝4θ/∏×Dmax；

步骤2误差分析计算

显然，在0≤θ≤pi/8期间，按这种方法转换的数据偏大，应往小的方向修正，pi/8≤θ≤pi/4期间，传感器输出的角度，pi，按这种方法转换的数据偏小，应该往大的方向修正。下面计算一下用近似D曲线的最大误差。

Δy＝D'-D＝Dmax[(1+m)sinθ]/(cosθ+m*sinθ)-4θ/∏×Dmax

对△y求导，并令d△y/dθ＝0可得：

cosθ²+m²×sinθ²+2×m×cosθ×sinθ＝4/[(1+m)×∏]，

将m＝0.414代入公式(3.6)，解该式得：

θ1＝0.1626(即9.316°)；

θ2＝0.6224(即35.66°)。

亦即在θ1，θ2处两曲线的误差最大，将θ1＝0.1626(即9.316°)，θ2＝0.6224(即35.66°)代入：

Δy＝D'-D＝Dmax[(1+m)sinθ]/(cosθ+m*sinθ)-4θ/∏×Dmax，可得：△y1＝△y2≈5.2。

结论如下：如果用曲线曲线逼近，在θ1＝0.1626(即9.316°)，θ2＝0.6224(即35.66°)两处误差最大，最大绝对误差为△y＝5.2，最大相对误差η＝4.92％。

可以看出，完全可以用来近似替代。

确定D'＝Dmax[(1+m)sinθ]/(cosθ+m*sinθ)中的最大绝对误差为△y和最大相对误差；所述最大绝对误差为△y和最大相对误差通过数值布尔理论进行输出电压的修正，具体如下：

对输入角度信号经过线性处理，并进行数字量转换后，经过以上计算可知，最大误差为5.2，依据下表对转换后的误差进行修正。

表1误差修正表-转换后的数字信号

从上表可以看出，最大的校正量为5，与理论计算相符。

步骤4象限编码方法

由于步骤1所提出的线性化处理方式都是建立在输入角度为0～45°范围，为了实现在0～360°整个角度范围内的转换，方案采用分段线性化处理措施，将整个0～360°等分成8个象限，每个象限间隔为45°。确定每个区间的编码需要利用Vsina、Vcosa和|Vsina|-|Vcosa|三个信号的符号来共同决定，按照表2来确定8个象限的编码值。

表2象限编码

步骤5高速转换器硬件实现

高速转换器的总体实现框图见图1所示。

采样电路对输入转换的正余弦信号进行采样，得到Vsina、Vcosa，输入至后端电压比较器，进行象限判读，比较器依据利用Vsina、Vcosa和(Vsina-Vcosa)三个信号符号，确定输入角度的象限编码，并依据表3确定输出至后端线性化处理电路的电压V3、V4。

表3象限编码

象限	角度范围	象限编码	28V3	29V4
					0	0～45°	100	30Esinα	31Ecosα
1	45°～90°	101	32Ecosα	33Esinα
					2	90°～135°	110	34-Ecosα	35Esinα
3	135°～180°	111	36Esinα	37-Ecosα
					4	180°～225°	000	38-Esinα	39-Ecosα
5	225°～270°	001	40-Ecosα	41-Esinα
					6	270°～315°	010	42Ecosα	43-Esinα
7	315°～360°	011	44-Esinα	45Ecosα

S103:修正所述数字转换后的输出电压，并进行电压的输出。后端线性处理、转换及修正，过程如下：线性化处理电路接收象限编码电路输出的V3、V4电压，进行线性处理，输出Vin、Vref送AD转换器，AD转换器输入输出关系为：找到跟传感器旋转角度的关系

D＝Dmax*Vin/Vref(对12位转换器，Dmax＝511)

对于第一象限，Vin＝V3＝Esinα，Vref＝K1*V4+K2*V3＝K1*Ecosα+K2*Esinα,取K1＝1/(1+m),K2＝m/(1+m)即可实现输入角度信号至数字量的近似线性转换：

D＝Dmax[(1+m)sinα]/(cosα+m*sinα)m＝0.414

依据表2误差修正表对转换后的数字量进行修正，即可得到与输入角度成完全线性关系的数字量，显然整个转换的时间主要取决于AD转换器的转换时间，一般约为十几us，从而实现正余弦变压器输出角度信号至数字数字的高速转换。

以上对本发明所提供的产品进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种旋转变压器角度信号高速转换的方法，其特征在于：

S101:旋转变压器输出的正余弦角度信号采样并线性化处理，确定电压输出和输入的角度θ的对应关系；

S102:确定数字转换后输出数字值与输入的角度θ的对应关系，其中：所述θ的角度为0°～45°，确定0°和45°数字转换后的电压信号，建立输入角度θ与输出数字量的线性关系，并满足，输入角度数字量转换为理想线性变换输出的理论值D＝4θ/∏×Dmax，对D＝4θ/∏×Dmax进行线性变换，满足，输入角度进行线性处理后的变换输出值D′，D'＝Dmax[(1+m)sinθ]/(cosθ+m*sinθ)，其中，m为线性化系数，Π为圆周率，Dmax为满量程电压转换后的数值；

S103:修正所述数字转换后的数值，并将最终转换值输出，其中：确定D'＝Dmax[(1+m)sinθ]/(cosθ+m*sinθ)中的最大绝对误差为△y和最大相对误差；

所述最大绝对误差为△y和最大相对误差通过数值布尔运算进行输出电压的修正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转变压器输出的正余弦角度信号的角度为-180°～+180°。

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