CN113777974A - 一种双边带调制信号解调装置及解调方法 - Google Patents

一种双边带调制信号解调装置及解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双边带调制信号解调装置及解调方法，所述解调装置用于多相对称电路输出的高频双边带载波调制信号的解调制，至少包括相连接的偏置电路和检波电路，所述偏置电路与多相对称电路连接，偏置电路获取所述高频双边带载波调制信号，叠加上一个正压偏置，得到单极性信号，该单极性信号和所述正压偏置在检波电路中实现相干解调，所述正压偏置的电压大小满足使所述多相对称电路的输出电压相对正压偏置的参考地始终为正。与现有技术相比，本发明适用于更高载波频率的调制信号解调，解决了相干解调中负电压信号处理的问题，减少了解调装置的成本，并提高其适用性。

Description

一种双边带调制信号解调装置及解调方法
技术领域
本发明属于位置检测与测量技术领域，适用于多相对称载波输出信号的解算，特别是涉及一种基于高频谐振原理的电机转子位置传感器的双边带调制信号解调装置及解调方法。
背景技术
电机位置检测是电机控制的重要参考。目前现有的电机控制策略中，控制的方法有两种，分别为开环控制和闭环控制。其中，开环控制是对输出结果没有检测的控制方式，不对输出结果进行修正，对使用者技术水平和电机力矩、效率等要求较高，一般用于要求控制精度要求不高的场合。因此在高精度的电机控制场景之下常采用闭环控制，闭环控制是对输出结果进行检测，并且根据输出结果与理论要求的差异对输出结果进行修正的控制方式。因此，在闭环控制下对电机的位置检测精度直接影响电机的转动控制。
公开发明专利(授权公告号CN108592781B)中介绍了利用MCR-WPT进行转子位置检测的方法和原理。相比于已知的旋转变压器和涡流式传感器传感器，该发明有效的结合了旋转变压器输出信号强和对安装误差容错性好的特点，同时由于频率选择性，其抗干扰性强。
但是上述发明目前并未给出针对该类特定传感器的高频双边带调制接收信号的解调实现。相较于采用集成型同步解调器，或有关发明专利(申请号CN202011601217.X)所采用的模拟乘法器等方法存在成本和复杂度等问题，限制了上述传感器的推广应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低、电路简单的针对多相对称载波传感器高频双边带调制输出信号的解调装置及解调方法，特别适用于基于MCR-WPT原理的转子位置传感器
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种双边带调制信号解调装置，用于多相对称电路输出的高频双边带载波调制信号的解调制，
该装置至少包括相连接的偏置电路和检波电路，所述偏置电路与多相对称电路连接，偏置电路获取所述高频双边带载波调制信号，叠加上一个正压偏置，得到单极性信号，该单极性信号和所述正压偏置在检波电路中实现相干解调，
所述正压偏置的电压大小满足使所述多相对称电路的输出电压相对正压偏置的参考地始终为正。
进一步地，所述检波电路包括模拟开关，所述单极性信号和正压偏置在模拟开关的切换控制下实现相干解调。
进一步地，所述模拟开关采用单刀双掷型模拟开关。
进一步地，所述单刀双掷型模拟开关的第一模拟输入与偏置后的所述单极性信号连接，第二模拟输入与所述正压偏置连接，通道切换控制信号为与所述高频双边带载波调制信号同频的PWM信号。
进一步地，所述通道切换控制信号为经占空比和相位独立标定的PWM信号。
进一步地，所述标定的原则是使得带偏置电压的双边带调制信号在信号上升和下降至偏置电压时进行切换。
进一步地，所述正压偏置由一偏置电源产生，该偏置电源与多相对称电路的中性线连接。
进一步地，所述相干解调后的信号经低通滤波后得到最终的低频调制信号输出。
进一步地，该装置还包括用于实现电气隔离和阻抗匹配的隔离电路，该隔离电路连接于偏置电路和检波电路之间。
本发明还提供一种双边带调制信号解调方法，用于多相对称电路输出的高频双边带载波调制信号的解调制，
该方法包括以下步骤：
获取所述高频双边带载波调制信号，叠加上一个正压偏置，得到单极性信号，对单极性信号和所述正压偏置进行相干解调，获得解调信号，所述正压偏置的电压大小满足使所述多相对称电路的输出电压相对正压偏置的参考地始终为正。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明解调装置包括偏置电路和检波电路，偏置电路叠加的偏置电压大小可实现多相电路的输出电压相对偏置电平的参考地始终为正，将双极性调制信号变换为单极性信号，检波电路通过通路切换实现信号的解调制，充分利用了多相对称输出信号的对称性，将双极性信号变换为单极性信号，解决了相干解调中负电压信号处理的问题，不需要负电源供电，简化了后续处理电路，其适用性更强。
2、本发明检波电路采用模拟开关，以模拟开关器件代替模拟乘法器，减少了装置成本，可以支持更高载波频率的调制信号解调。
3、本发明还包括隔离电路，可实现检波电路与传感器输出电路的电气隔离和阻抗匹配，安全可靠性高。
4、本发明通道切换控制PWM信号可以被独立标定占空比和相位，能够获得最佳的检波效果，解调精度高。
附图说明
图1为传感器的电路(等效)原理图和信号测量点示意图；
图2为本发明所给出的调制信号解调装置的信号处理过程；
图3为实施例中偏置电路的设计原理图；
图4为实施例中所使用的模拟开关器件原理图；
图5为实施例中任意一路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供一种双边带调制信号解调装置，用于多相对称电路输出的高频双边带载波调制信号的解调制，该装置至少包括相连接的偏置电路和检波电路，所述偏置电路与多相对称电路连接，偏置电路获取所述高频双边带载波调制信号，叠加上一个正压偏置，得到单极性信号，该单极性信号和所述正压偏置在检波电路中实现相干解调，所述正压偏置的电压大小满足使所述多相对称电路的输出电压相对正压偏置的参考地始终为正。相干解调后的信号经低通滤波后得到最终的低频调制信号输出。
在其他实施方式中，该装置还包括隔离电路，该隔离电路连接于偏置电路和检波电路之间，用于实现检波电路与传感器输出电路的电气隔离和阻抗匹配。
实施例1
本实施例重点介绍如何实现多相调制信号的解调过程。
本实施例用于测试的传感器为二对极转子位置检测装置，在特定的线圈结构和电路拓扑设计下，传感器的电路原理图如图1所示，其中激励电路103和三相接收电路105位于定子侧101，反馈电路104位于转子侧102。激励回路通过建立交变磁场，使得转子侧也感应出同频率的感应电动势和电流。由于反馈线圈和三相接收线圈各相的互感被设计成随转子位置正弦变化，因此反馈线圈产生的交变磁场会在各相中产生带有位置信息调制的感应电动势。通过测量接收电路各相电容的电压(即各测量点106到中性点107的电位差)，得到了激励频率为载波，位置信息调制的传感器接收信号，其中一相信号可表示为
Figure BDA0003216882850000041
其中，Ux表示信号幅值，θe表示转子位置电角度，f为载波频率，
Figure BDA0003216882850000042
对应每相的相角。
谐振式传感器的载波频率一般在MHz级别，ux(θe,t)为双极性输出，涉及到负电压信号处理。本发明针对负电压信号和高频检波这两个问题，提出采用偏置电路和模拟开关的组合方案进行解决。
本实施例的信号解调装置结构如图2所示，包括偏置电源201、偏置电路202、模拟开关203和低通滤波器204，偏置电路202分别连接传感器和偏置电源201，模拟开关203分别连接偏置电源201、偏置电路202和低通滤波器204。该解调装置的信号处理过程具体为：
将传感器信号与装置连接后，使用偏置电路使得双边带调制信号叠加上一个恒定的正压偏置，即偏置后的信号描述为
Figure BDA0003216882850000043
Vref为偏置电压。为保证偏置的合理性，应保证
Vref＞Ux
此条件下，双极性信号ux(θe,t)被转换为单极性信号
Figure BDA0003216882850000044
偏置后的电压信号和偏置直流信号通过单刀双掷型模拟开关来实现相干检波。模拟开关在双边带调制信号上升和下降至偏置电压时进行切换，具体的数学原理描述为
Figure BDA0003216882850000051
模拟开关输出信号形式如图2所示。因此，该信号等效为传感器接收信号ux(θe,t)与电平为(0,1)的方波Vsquare相乘后，叠加偏置电压Vref。与载波同频的方波的傅里叶级数展开描述为
Figure BDA0003216882850000052
因此uxs(θe)可以进一步被描述为
Figure BDA0003216882850000053
Figure BDA0003216882850000054
低通滤波后，滤除高频成分，得到低频成分调制信号。
因此模拟开关的输出信号经过低通滤波器(LPF)之后，只保留低频的调制信息Vx(θe)。
图2中，信号对应如下：
①每相双极性对称调制信号ux(θe,t)，
②偏置电压Vref，
③单极性对称调制信号
Figure BDA0003216882850000055
④模拟开关切换控制信号Vsquare，
⑤模拟开关输出信号uxs(θe),
⑥低频调制信号Vx(θe)。
本实施例的偏置电路具体实现如图3所示。301处电平为偏置电压，与传感器电路中性点107相连接。302为装置的信号输入点，与传感器电路的信号测量点106相连接。传感器的接收电路在没有与解调装置连接的时候，输出信号为测量点106到中性点107的差分电压，因此将差分电压的一端连接至偏置电压后即可产生信号偏移，并使用上拉电阻R，保证三相接收电路105的电容上的额外的直流电压分量得以消除。
本实施例的模拟开关的基本原理如图4所示。选用的模拟开关器件能够使用受控的SWITCH引脚进行对通路的主动选择。本实施例中，对控制信号的相位以及PWM占空比进行独立的标定，以获得最佳的检波效果，以解决模拟开关器件的开关切换存在切换延迟和电平上升下降时间的问题。标定的原则是，使得带偏置电压的位置调制信号在信号上升和下降至偏置电压时进行切换。
针对模拟开关器件，由于上述切换延迟和电平上升下降时间的存在，模拟开关器件的检波带宽是确定的，目前常见的芯片性能，上述参数均在纳秒级别，因此可适用于MHz级别调制信号的解调。由于模拟开关器件的输入信号一直保持为正电压，因此模拟开关器件只需要单电源供电。
如上分析，本实施例的信号解调装置，其原理基于相干解调，对于多相对称电路输出的双边带调制信号的解调制处理具有成本低、可处理MHz级别调制信号解调的特点。
实施例2
本实施例重点说明如何在实施例1的基础上，添加隔离电路。
图5展示了一个经过测试的装置的电路原理图，并仅画出其中一路信号的处理电路。其中501为偏置电路，502连接传感器接收信号的一路测量点，503连接到传感器的中性点。偏置后的信号通过电压跟随器504实现偏置电路和检波电路的隔离。隔离后的信号经由模拟开关505和滤波器506进行解调，最后被信号调理后通过模数转换(ADC)进入DSP进行位置解算。
本发明所述解调装置也可用于其他多相对称电路输出的载波调制信号的解调制，不仅仅限于上述例子中所使用的传感器电路拓扑。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双边带调制信号解调装置，其特征在于，用于多相对称电路输出的高频双边带载波调制信号的解调制，
该装置至少包括相连接的偏置电路和检波电路，所述偏置电路与多相对称电路连接，偏置电路获取所述高频双边带载波调制信号，叠加上一个正压偏置，得到单极性信号，该单极性信号和所述正压偏置在检波电路中实现相干解调，
所述正压偏置的电压大小满足使所述多相对称电路的输出电压相对正压偏置的参考地始终为正。
2.根据权利要求1所述的双边带调制信号解调装置，其特征在于，所述检波电路包括模拟开关，所述单极性信号和正压偏置在模拟开关的切换控制下实现相干解调。
3.根据权利要求2所述的双边带调制信号解调装置，其特征在于，所述模拟开关采用单刀双掷型模拟开关。
4.根据权利要求3所述的双边带调制信号解调装置，其特征在于，所述单刀双掷型模拟开关的第一模拟输入与偏置后的所述单极性信号连接，第二模拟输入与所述正压偏置连接，通道切换控制信号为与所述高频双边带载波调制信号同频的PWM信号。
5.根据权利要求所述的双边带调制信号解调装置，其特征在于，所述通道切换控制信号为经占空比和相位独立标定的PWM信号。
6.根据权利要求5所述的双边带调制信号解调装置，其特征在于，所述标定的原则是使得带偏置电压的双边带调制信号在信号上升和下降至偏置电压时进行切换。
7.根据权利要求1所述的双边带调制信号解调装置，其特征在于，所述正压偏置由一偏置电源产生，该偏置电源与多相对称电路的中性线连接。
8.根据权利要求1所述的双边带调制信号解调装置，其特征在于，所述相干解调后的信号经低通滤波后得到最终的低频调制信号输出。
9.根据权利要求1所述的双边带调制信号解调装置，其特征在于，还包括用于实现电气隔离和阻抗匹配的隔离电路，该隔离电路连接于偏置电路和检波电路之间。
10.一种双边带调制信号解调方法，其特征在于，用于多相对称电路输出的高频双边带载波调制信号的解调制，
该方法包括以下步骤：
获取所述高频双边带载波调制信号，叠加上一个正压偏置，得到单极性信号，对单极性信号和所述正压偏置进行相干解调，获得解调信号，所述正压偏置的电压大小满足使所述多相对称电路的输出电压相对正压偏置的参考地始终为正。
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