CN115563467A - 一种旋转变压器的位置计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于旋转变压器领域，公开了一种旋转变压器的位置计算方法。本发明通过参考已有旋转变压器的原始信号，对应构建出三个新的信号，与原有信号进行数学处理，计算得到旋转变压器输出的包络信号，最后利用反正切法计算得出旋转变压器转子的位置。与现有的旋转变压器位置计算方式相比，本发明无需增加外围旋变‑数字转换(RDC)芯片对已有的旋转变压器原始信号进行繁杂的解码；也没有使用滤波方式等信号处理，不会在软件解码过程中因为滤波处理产生转子位置角度的滞后误差。本发明简单快捷，且计算精度较高，克服了对仅利用原始信号提取旋转变压器输出包络线的困难。

Description

一种旋转变压器的位置计算方法

技术领域

本发明涉及旋转变压器领域，特别涉及一种利用旋转变压器包络线信号的位置计算方法。

背景技术

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，具有灵敏度高、抗干扰能力强等特点，特别适用于高温、严寒、潮湿、高速、高震动等环境条件比较恶劣的场合，因此，被广泛应用于伺服控制系统、机器人系统和汽车、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、矿山、油田等领域的角度、位置检测系统中，用于传输与转角相应的电信号。特别应该提出的是，目前各国都非常重视的电动汽车，其中所用的位置、速度传感器也都是旋转变压器。例如，驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀的角度测量、真空室传送器的角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。

而作为角度位置传感元件，常用的有光学编码器和旋转变压器。光电编码器因其数据处理电路简单，容易实现高分辨率，并且检测精度高，输出信号平滑，是目前使用最普遍的位置传感器。但是光电编码器的抗干扰性差，不宜应用在条件恶劣的场合中。相比较而言，旋转变压器由于结构简单，坚固耐用，抗干扰性强，能够应用在各种条件恶劣的场合，从而获得了越来越广泛的应用。然而旋转变压器的硬件解码由于信号处理电路比较复杂，且例如RDC等解码芯片价格比较贵的原因，其应用受到了限制。并且解码过程中使用了滤波器，会导致计算的位置产生滞后误差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种旋转变压器的位置计算方法，先计算出旋转变压器输出的包络信号，再利用反正切法计算得出旋转变压器转子的位置。本发明通过参考已有原始信号额外构建出三个新的信号，和原始信号进行合并化简，从而提取出旋转变压器输出的包络信号，克服了对仅利用原始信号提取旋转变压器输出包络线的困难。

本发明采用如下技术方案实现：

旋转变压器是利用定转子之间电磁感应效应实现位置检测。旋转变压器转子与待测旋转物体同轴安装，随待测物体同步转动，定子侧绕制三相绕组，包括一相输入励磁绕组和两相输出反馈绕组。当所述励磁绕组通高频的激励信号后，定转子之间建立脉振磁场，反馈绕组交链该磁场，感应输出电压信号，而感应输出电压与励磁电压相关的耦合系数随转子转角而改变，因此旋转变压器输出电压信号的包络信号包含了转子的位置信息，后续对旋转变压器的输出电压信号进行处理分析，可以实现转子位置信息的检测。

首先旋转变压器工作时，通常包含激励信号输入，反馈绕组的感应正弦信号、感应余弦信号输出。旋转变压器的原副边绕组之间耦合系数随转子位置变化，当在一次侧绕组施加高频激励正弦电压U_c，其二次侧两路绕组产生cos、sin感应与转子位置相关且相互正交的电压信号U_cos和U_sin。

所述旋转变压器的输入输出电压，具体时域波形函数表达式如下：

U_cos(t)＝kU_c(t)cosθ(2)

U_sin(t)＝kU_c(t)sinθ(3)

式中，U_m为激励正弦电压的幅值，ω为激励正弦电压角频率，k为电压变比系数，θ为实际旋转变压器转子的位置角度，

为上一时刻的变压器转子位置角度，在信号高频采样情况下，

的变化很小，对于ωt来说可以忽略不计。

在已知输出激励电压频率ω的情况下，本发明仿真模拟出相同频率的激励余弦电压U_c′。同理，仿真模拟出对应的二次侧两路绕组cos、sin电压信号U_cos′和U_sin′。所述U_cos′和U_sin′与转子位置相关，且相互正交。

所述激励余弦电压U_c′及其对应的cos、sin电压信号，具体时域波形函数表达式如下：

为了得到旋转变压器输出信号的正弦、余弦包络线，进而计算旋转变压器转子的位置，本发明将所述U_c、U_c′、U_cos、U_cos′、U_sin、U_sin′信号作如下处理：

将U_c与U_sin、U_cos分别相乘，获得U₁、U₂信号；同理将U_c′与U_sin′、U_cos′分别相乘，获得U₃、U₄信号；然后利用三角函数公式(7)对U₁、U₂、U₃、U₄信号进行处理,公式如下所示：

sin²θ+cos²θ＝1(7)

因为在信号的高频采样的情况下，θ与

可以近似相等，所以我们将U₁与U₃、信号相加，U₁与U₄信号相加，可以得到旋转变压器输出信号的正弦、余弦包络线ksinθ、kcosθ。其中k为电压变比系数，对最后计算的转子位置没有影响。利用反正切法，对得到的两个旋转变压器输出的包络线信号进行处理，即可计算得到旋转变压器转子的实际位置θ。

本发明的优点在于：

与现有的旋转变压器位置计算方式相比，本发明无需增加外围旋变-数字转换(RDC)芯片对已有的旋转变压器原始信号进行繁杂的解码；没有使用滤波器等信号电路处理，也不会在软件解码过程中因为滤波处理产生转子位置角度的滞后误差。

本发明通过激励正弦电压，模拟出激励余弦电压及其输出信号，再对转子的位置信号进行数学处理，得到旋转变压器输出的包络信号，再利用反正切法计算出旋转变压器的转子实际位置。本发明简单快捷，且计算精度较高。

附图说明

图1为旋转变压器输入输出波形示意图；

图2为转子位置的信号处理框图；

图3为总体仿真模型图；

图4为激励正弦电压信号模型图；

图5为激励余弦电压信号模型图；

图6为U_cos信号模型图；

图7为U_sin信号模型图；

图8为旋转变压器输出U_cos、U_sin信号波形图；

图9为U_cos′信号模型图；

图10为U_sin′信号模型图；

图11为旋转变压器转子位置图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图，对本发明进行详细说明。

旋转变压器是利用定转子之间电磁感应效应实现位置检测。旋转变压器的转子与待测旋转物体同轴安装，随待测物体同步转动；定子侧绕制三相绕组，包括一相输入励磁绕组和两相输出反馈绕组。当所述励磁绕组通高频的激励信号后，定转子之间建立脉振磁场，反馈绕组交链该磁场，感应输出电压信号。而所述感应输出电压与励磁电压相关的耦合系数随转子转角而改变，因此旋转变压器输出电压信号的包络信号包含了转子的位置信息。本发明的计算方法对旋转变压器的输出电压信号进行处理分析，可以实现转子位置信息的检测。

旋转变压器工作时，通常包含激励信号输入，反馈绕组的感应正弦信号、感应余弦信号输出。旋转变压器的原副边绕组之间的耦合系数随转子位置变化，当在一次侧绕组施加高频激励正弦电压U_c，其二次侧两路绕组产生cos、sin感应与转子位置相关、且相互正交的电压信号U_cos和U_sin，如图1所示。

旋转变压器的输入输出电压，具体时域波形函数表达式如下：

U_cos(t)＝kU_c(t)cosθ(2)

U_sin(t)＝kU_c(t)sinθ(3)

式中，U_m为激励正弦电压的幅值，ω为激励正弦电压的角频率，t为时间，k为电压变比系数，θ为实际旋转变压器转子的位置角度，

为上一时刻旋转变压器转子位置角度，在信号高频采样情况下，

的变化很小，对于ωt来说可以忽略不计。

本发明在已知激励正弦电压的角频率ω的情况下，仿真模拟出相同频率的激励余弦电压，记为U_c′。同理，仿真模拟出对应的与转子位置相关、且相互正交的cos、sin感应电压信号U_cos′和U_sin′。

所述激励余弦电压U_c′及其对应的cos、sin电压信号，具体时域波形函数表达式如下：

在已知U_c、U_c′、U_cos、U_cos′、U_sin、U_sin′信号的情况下，为了得到旋转变压器输出信号的正弦、余弦包络线，进而计算旋转变压器转子位置，本发明将上述信号做如下处理，图2为获得转子位置的信号处理过程的框图。

将U_c与U_sin、U_cos分别相乘，从而获得U₁、U₂信号；同理将U_c′与U_sin′、U_cos′分别相乘，获得U₃、U₄信号，然后利用三角函数公式(7)对U₁、U₂、U₃、U₄信号进行处理，公式如下所示：

sin²θ+cos²θ＝1(7)

因为在信号的高频采样的情况下，θ与

可以近似相等，所以将U₁与U₃、信号相加，U₁与U₄信号相加，可以得到旋转变压器输出信号的正弦、余弦包络线ksinθ、kcosθ。其中k为电压变比系数，对最后计算的转子位置没有影响。得到旋转变压器输出的包络线信号后，利用反正切法就可以获得旋转变压器转子的实际位置θ。

本发明使用Matlab的Simulink平台，进行仿真模型的搭建。旋转变压器的输入输出信号，及最终的旋转变压器转子位置角度都可由仿真模型查看，总体仿真模型如图3所示。

结合附图的具体实施步骤如下：

步骤1：创建当前模型的模拟时间Clock，作为旋转变压器信号的时间基准。

步骤2：模拟旋转变压器的激励正弦电压U_c(t)信号，具体实施例中的电压变比系数k与幅值U_m对最后计算的转子位置没有影响，所以本发明在实际构建中将k默认为1，电压幅值也为1，公式如下：

模型建立如图4所示，模型中的fπ即为公式(8)中的ω，f为自定义的信号频率，在本发明中f为100hz，fπ实际上为信号角频率ω的一半，但信号角频率的大小不会直接影响转子位置的计算，所以本发明直接将fπ看作为信号角频率ω。模型中thtae为公式(8)中的

它是旋转变压器上一时刻转子位置的反馈角度，但在旋转变压器旋转的过程中，信号高频采样的情况下，

的变化很小，对于ωt来说可以忽略不计。

步骤3：参考步骤2中旋转变压器的原始激励正弦电压信号U_c(t)，构建对应的激励余弦电压信号U_c′(t)，信号频率与U_c(t)相同，

也近似看作当前时刻的位置角度，公式如下：

模型建立如图5所示。

步骤4：模拟出由高频激励正弦电压U_c(t)在旋转变压器二次侧两路绕组产生的、与位置相关且相互正交的电压信号U_cos和U_sin，公式如下：

U_cos(t)＝U_c(t)cosθ(10)

U_sin(t)＝U_c(t)sinθ(11)

U_cos和U_sin信号模型建立分别如图6、图7所示。模型中的thta为公式中θ，也就是旋转变压器转子的实际位置。U_cos和U_sin信号波形如图8所示。

步骤5：参考步骤4中，旋转变压器原有输出信号U_cos和U_sin，模拟出由步骤3构建的高频激励余弦电压U_c′(t)，在旋转变压器二次侧两路绕组产生的、与位置相关且相互正交的电压信号U_cos′和U_sin′。公式如下所示：

U_cos′和U_sin′信号模型建立如图9、图10所示。图中thtae即

是上一时刻旋转变压器转子位置的反馈角度。

与原有输出信号U_cos和U_sin不同，新构建的辅助信号U_cos′和U_sin′并不是由当前时刻位置角度得出的感应电压，而是利用上一时刻的反馈位置角度等效生成。

步骤6：将U_c与U_sin、U_cos分别相乘获得U₁、U₂信号，同理将U_c′与U_sin′、U_cos′分别相乘获得U₃、U₄信号，公式如下所示：

步骤7：因为在旋转变压器电压信号高频采样的情况下，

近似等于θ，误差可忽略不计，所以可将

等作θ，然后利用三角函数公式sin²θ+cos²θ＝1，可将U₁、U₃信号相加近似合并，得到实际旋转变压器sinθ包络线信号。公式如下：

同理，将U₂、U₄信号相加近似合并，得到实际旋转变压器的cosθ包络线信号。公式如下：

步骤8：在得到旋转变压器输出信号的包络线信号后，将包络线信号代入atan2函数(即反正切法)，sinθ为变量y，cosq为变量x,可计算出转子实际位置θ，公式如下：

步骤9：将步骤8计算得出的转子实际位置角度与理想位置角度对比，发现两者位置波形吻合，如图11所示，其中(a)为理想转子位置图，(b)为实际转子位置图。

综上，本实施例实现了旋转变压器的位置计算，本发明的重点在于旋转变压器输出包络线的新型计算方法。而该方法在旋转变压器原有信号的基础上，对应性地构建出额外的三个新的信号，只需通过数学方法的处理计算出旋转变压器输出信号的包络线，计算方法简单，位置精度高，且几乎没有位置角度滞后的误差，为旋转变压器的位置计算提供了一种新型高效的解决方法。

Claims (8)

1.一种旋转变压器的位置计算方法，其特征在于，包括：

步骤1：模拟旋转变压器一次侧绕组施加的高频激励正弦电压U_c，以及二次侧绕组对应输出的两路电压信号U_cos和U_sin；时域波形函数表达式为：

U_cos(t)＝kU_c(t)cosθ

U_sin(t)＝kU_c(t)sinθ

式中，U_m为激励正弦电压的幅值，ω为激励正弦电压角频率，t为时间，k为电压变比系数，θ为实际旋转变压器转子的位置角度，

为上一时刻旋转变压器转子的位置角度，

步骤2：仿真模拟出与步骤1中所述高频激励正弦电压U_c相同频率的高频激励余弦电压U_c′，以及对应的二次侧绕组输出的两路电压信号U_cos′和U_sin′；时域波形函数表达式为：

步骤3：将所述U_c与U_sin、U_cos分别相乘，分别计算获得U₁、U₂信号；同理，将U_c′与U_sin′、U_cos′分别相乘，分别计算获得U₃、U₄信号；

步骤4：根据三角函数公式，将所述U₁、U₃信号近似合并化简，计算得到旋转变压器输出信号的k sinθ包络线信号；将U₂、U₄信号近似合并化简，得到旋转变压器输出信号的k cosθ包络线信号；

步骤5：将所述旋转变压器输出信号的k sinθ、k cosθ包络线信号，通过反正切法计算得到实际旋转变压器转子的位置角度θ。

2.根据权利要求1所述的一种旋转变压器的位置计算方法，其特征在于：

在高频信号采样的情况下，θ与

近似相等，在所述U₁和U₃信号、U₂和U₄进行近似合并化简时，将

近似等于θ处理。

3.根据权利要求2所述的一种旋转变压器的位置计算方法，其特征在于：

所述U₁、U₃信号近似合并化简的公式为：

4.根据权利要求2所述的一种旋转变压器的位置计算方法，其特征在于：

所述U₂、U₄信号近似合并化简的公式为：

5.根据权利要求1所述的一种旋转变压器的位置计算方法，其特征在于：

所述U_c、U_c′、U_cos、U_cos′、U_sin、U_sin′信号在Matlab的Simulink平台进行仿真模型。

6.根据权利要求5所述的一种旋转变压器的位置计算方法，其特征在于：

所述仿真模型中的fπ即为所述高频激励正弦电压U_c的角频率ω，所述f为自定义的信号频率。

7.根据权利要求1所述的一种旋转变压器的位置计算方法，其特征在于：

所述U_cos和U_sin与转子位置相关，且相互正交；所述U_cos′和U_sin′与转子位置相关，且相互正交。

8.根据权利要求5所述的一种旋转变压器的位置计算方法，其特征在于：

所述仿真模型中，电压变比系数k与幅值U_m的选择，对计算转子位置没有影响。

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