CN116068460B - 一种旋转变压器故障检测方法及电路 - Google Patents

一种旋转变压器故障检测方法及电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种旋转变压器故障检测方法及电路，包括以下步骤：采集旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号；对旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号分别进行半波整流；对正弦信号和余弦信号半波整流后输出信号进行求和；对求和后输出的信号进行斩波；对斩波输出信号进行有源滤波；判断有源滤波后输出信号的电压值是否恒等于阈值；当不恒等于阈值时，判定旋转变压器故障。本发明可实现旋转变压器故障检测，并提高诊断信号的响应速度和准确性。

Description

一种旋转变压器故障检测方法及电路
技术领域
本发明涉及旋转变压器检测技术领域，尤其涉及一种旋转变压器故障检测方法及电路。
背景技术
旋转变压器一种电机旋转角度检测传感器，具有精度高、抗干扰能力强、可靠耐用，大量应用于新能源汽车、机器人、船舶、军事、航空等场合。旋转变压器故障直接影响伺服系统的动态和静态性能，甚至使系统不稳定，因此旋转变压器故障检测具有非常高的经济性和适用性。
目前国内外的旋转变压器实时在线监控的方法大部分都是基于旋变反馈正弦和余弦信号的平方和为定值的数学原理，但是这种方法硬件实现电路复杂，成本高并且响应速度慢。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种旋转变压器故障检测方法及电路，以实现旋转变压器故障检测，并提高诊断信号的响应速度和准确性。
本发明提供的技术方案是：
本发明公开了一种旋转变压器故障检测方法，包括以下步骤：
采集旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号；
对旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号分别进行半波整流；
对正弦信号和余弦信号半波整流后输出信号进行求和；
对求和后输出的信号进行斩波；
对斩波输出信号进行有源滤波；
判断有源滤波后输出信号的电压值是否恒等于阈值；当不恒等于阈值时，判定旋转变压器故障。
进一步地，在对旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号进行采样时，采用同相输入的方式；将采集到的正弦信号和余弦信号输出到负半轴上；
半波整流电路与输入信号的关系表达式为：
式中，uisin、uosin和K1分别表示正弦信号的输入、输出和放大系数，uicos、uocos和K2分别表示余弦信号的输入、输出和放大系数。
进一步地，所述对求和后输出的信号进行斩波将求和电路输出的半波信号斩波成锯齿波；
用于斩波的斩波电容值式中，UMAX为锯齿波电压最大值，UAV为锯齿波电压的均值；T为正、余弦信号的周期；RL为斩波之后处理电路的等效电阻值。
进一步地，所述对斩波输出信号进行有源滤波的有源滤波器构建，包括：
1)构建有源滤波器输入输出的传递函数：
2)将传递函数转换到频域后化解为标准的二阶系统；
3)根据标准的二阶系统计算滤波器的Q值；
4)通过选择不同的Q值，构建成对应类型的滤波器。
进一步地，将所述有源滤波构建成切比谢夫二阶有源滤波器。
本发明还公开了一种根据如上所述的旋转变压器故障检测方法的检测电路，包括：
半波电路、求和电路、斩波电路、有源滤波电路和逻辑判定电路；
所述半波电路，用于对采集的旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号分别进行半波整流；
所述求和电路，用于对正弦信号和余弦信号半波整流后输出信号进行求和；
所述斩波电路，用于对求和后输出的信号进行斩波；
所述有源滤波电路，用于对斩波输出信号进行二阶有源滤波；
所述逻辑判定电路，用于判断二阶有源滤波后输出信号的电压值是否恒等于阈值；当不恒等于阈值时，判定旋转变压器故障。
进一步地，所述半波电路包括正弦信号半波整流电路和余弦信号半波整流电路；
所述正弦信号半波整流电路包括运放U1A、U1B，二极管D1、D2，电阻R1、R2和R3；其中，运放U1A的同相输入端接入旋转变压器输出的正弦信号，反相输入端与输出端之间反向连接二极管D1；运放U1A的输出端与运放U1B的同相输入端之间反向连接二极管D2；运放U1B的同相输入端与地之间连接电阻R3；运放U1B的输出端与运放U1A的反相输入端之间连接串联的R2和R1；R2和R1的连接端与运放U1B的反相输入端连接；
所述余弦信号半波整流电路包括运放U1C、U1D，二极管D3、D4，电阻R4、R5和R6；其中，运放U1C的同相输入端接入旋转变压器输出的余弦信号，反相输入端与输出端之间反向连接二极管D3；运放U1C的输出端与运放U1D的同相输入端之间反向连接二极管D4；运放U1D的同相输入端与地之间连接电阻R6；运放U1D的输出端与运放U1C的反相输入端之间连接串联的R5和R4；R5和R4的连接端与运放U1B的反相输入端连接。
进一步地，所述求和电路包括运放U2A、电阻R7、R8、R9和R10；所述电阻R7的一端连接正弦信号半波整流电路的输出端，另一端连接运放U2A的反相输入端；所述电阻R8的一端连接余弦信号半波整流电路的输出端，另一端连接运放U2A的反相输入端；电阻R9连接在运放U2A的同相输入端和地之间；所述电阻R10连接在运放U2A的输出端与反相输入端之间。
进一步地，所述斩波电路，用于对求和后输出的信号进行斩波；所述斩波电容的电容值为式中，UMAX为锯齿波电压最大值，UAV为锯齿波电压的均值；T为正、余弦信号的周期；RL为斩波之后处理电路的等效电阻值。
进一步地，所述有源滤波电路包括运放U2B、电阻R11、R12和R13，电容C2和C3；
所述电阻R11和R12串联后连接在斩波输出端和运放U2B的同相输入端；电容C2连接在电阻R11和R12连接端和运放U2B输出端，电容C3连接在运放U2B的同相输入端与地之间，运放U2B输出端与电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端作为有源滤波电路的输出。
本发明的技术方案至少能实现以下有益效果之一：
本发明的旋转变压器故障检测方法及电路，能极大地提高旋转变压器的可靠性、实时性。
在进行旋变信号采集时，具有输入阻抗高的优点，避免了信号的幅值和相位衰减，而产生的型号失真。对输入信号的要求低，即不要求输入信号有多大的功率，就可以对弱信号进行放大了。
通过斩波电路+切比谢夫二阶有源滤波器显著地提升输出信号的响应速度提升了3个数量级，使得输出信号具有快速性和准确性，在滤波截止频率处几乎没有幅值衰减，直接使用贝塞尔二阶有源滤波在滤波截止频率附近的幅值衰减近6dB。
整个旋转变压器故障检测电路的模拟部分仅使用两片型号相同的运放芯片，电阻、电容的数量少，且基本为阻值相同或倍数关系的少数几种电阻；电路简单，标准化和可靠性好，便于检测设备的小型化和批量化生产。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中的旋转变压器原理示意图；
图2为本发明实施例中的旋转变压器故障检测方法流程图；
图3为本发明实施例中的旋转变压器故障检测电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
如图1所示，旋转变压器由初级绕组和次级绕组组成。其中初级绕组采用交流基准源激励(励磁)，次级绕组输出电压的幅值与转子转角成正弦或余弦函数关系，或在一定的转角范围内与转子的转角成正比，而且次级绕组在机械上有90°错位角，即轴角的正弦和余弦调制的两个输出电压(S3-S1，S2-S4)。
通过对轴角的正弦和余弦调制的两个输出电压进行相关检测可实现对旋转变压器故障诊断。
基于上述旋转变压器，本实施例公开了一种旋转变压器故障检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、采集旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号；
采集旋转变压器输出的正弦信号Vb＝Vs×sin(ωt)×sin(θ)和余弦信号Va＝Vs×sin(ωt)×cos(θ)；式中：Va和Vb分别表示旋转变压器输出的余弦和正弦信号，Vs表示感应电势的幅值，θ表示转子的旋转角度，ω表示转子励磁电压的频率。
具体的，正弦信号和余弦信号的采集电路选用同向输入的方式进行采样。该同向输入的采样方式，可使电路的输入阻抗和运放的输入阻抗相等，接近无穷大，非常适合驱动能力较弱的小信号，避免了信号的幅值和相位衰减，而产生的信号失真。
步骤S2、对旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号分别进行半波整流；通过半波整流将采集到的正弦信号和余弦信号输出到负半轴上；
所述半波整流与输入信号的关系表达式为：
式中，uisin、uosin和K1分别表示正弦信号的输入、输出和放大系数，uicos、uocos和K2分别表示余弦信号的输入、输出和放大系数。
通过半波整流后的信号与采集信号的幅值不变，信号周期为采集信号周期T的一半，即频率提升一倍。
步骤S3、对正弦信号和余弦信号半波整流后输出信号进行求和；
具体的，求和的公式可表示为：
uisum＝K(|uisin|+|uicos|)[0-T/2]；式中，uisum为求和后的电压，满足傅里叶级数展开条件；K表示放大倍数。
在本实施例的求和公式中只对半波整流后输出信号进行求和，使设计的求和电路更加简便。
步骤S4、对求和后输出的信号进行斩波；
对半波电路进行斩波处理，斩波电路主要的作用是利用电容器的充放电原理，将求和电路输出的半波信号斩波成锯齿波。
用于斩波的斩波电容值式中，UMAX为锯齿波电压最大值，UAV为锯齿波电压的均值；T为正、余弦信号的周期；RL为斩波之后处理电路的等效电阻值。
在本实施例中，通过斩波，将求和后输出的信号整流成均值为UAV的锯齿波。
在后续对该锯齿波进行有源滤波，可以使输出信号的响应特性显著提升，最终的输出电压更能真实的反应输入的变化特性，可大大减小相位滞后。
步骤S5、对斩波输出信号进行有源滤波；
所述对斩波输出信号进行有源滤波的有源滤波器构建，包括：
1)构建有源滤波器输入输出的传递函数：
通过运放和不同的电阻、电容值构成有源滤波器，构建的滤波器输入输出的传递函数为：
2)将传递函数转换到频域后化解为标准的二阶系统；
将传递函数转换到频域：
将其化解为标准的二阶系统得到：
式中；
3)根据标准的二阶系统计算滤波器的Q值；
进一步得到滤波器的Q值：
4)通过选择不同的Q值，构建成对应类型的滤波器。
通过选择Q值将滤波器构建成切比谢夫二阶有源滤波器。
本实施例中，通过使用斩波电路+切比谢夫二阶有源滤波器组合后，最终的输出电压更能真实的反应输入的变化特性，仅滞后输入1微秒左右，在滤波截止频率处几乎没有幅值衰减，极大地提升了故障的检测速度。而直接使用贝塞尔二阶有源滤波最终输出电压滞后大约4左右毫秒，在滤波截止频率附近的幅值衰减近6dB。
步骤S6、判断有源滤波后输出信号的电压值是否恒等于阈值；当不恒等于阈值时，判定旋转变压器故障。
具体的，通过处理器采集有源滤波后输出信号，并对旋转变压器是否故障进行在线判断。
更具体的，本步骤可用单片机或处理器采集切比谢夫二阶有源滤波器输出的电压值，并中断函数里做比较判断，如果恒等于输出的幅值则视为正常，若不恒等于输出的幅值则视为输出故障。
本发明的实施例中还公开了一种旋转变压器故障检测电路，包括半波电路、求和电路、斩波电路、有源滤波电路和逻辑判定电路；
所述半波电路，用于对采集的旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号分别进行半波整流；
所述求和电路，用于对正弦信号和余弦信号半波整流后输出信号进行求和；
所述斩波电路，用于对求和后输出的信号进行斩波；
所述有源滤波电路，用于对斩波输出信号进行二阶有源滤波；
所述逻辑判定电路，用于判断二阶有源滤波后输出信号的电压值是否恒等于阈值；当不恒等于阈值时，判定旋转变压器故障。
其中，半波电路、求和电路、斩波电路和有源滤波电路均由模拟器件搭建而成，如图3所示；
所述半波电路包括正弦信号半波整流电路和余弦信号半波整流电路；
所述正弦信号半波整流电路包括运放U1A、U1B，二极管D1、D2，电阻R1、R2和R3；其中，运放U1A的同相输入端接入旋转变压器输出的正弦信号，反相输入端与输出端之间反向连接二极管D1；运放U1A的输出端与运放U1B的同相输入端之间反向连接二极管D2；运放U1B的同相输入端与地之间连接电阻R3；运放U1B的输出端与运放U1A的反相输入端之间连接串联的R2和R1；R2和R1的连接端与运放U1B的反相输入端连接；
所述余弦信号半波整流电路包括运放U1C、U1D，二极管D3、D4，电阻R4、R5和R6；其中，运放U1C的同相输入端接入旋转变压器输出的余弦信号，反相输入端与输出端之间反向连接二极管D3；运放U1C的输出端与运放U1D的同相输入端之间反向连接二极管D4；运放U1D的同相输入端与地之间连接电阻R6；运放U1D的输出端与运放U1C的反相输入端之间连接串联的R5和R4；R5和R4的连接端与运放U1B的反相输入端连接；
所述电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6的阻值相同，所述运放U1A、U1B、U1C和U1D，采用同一运放芯片的四个运放模块。
所述求和电路包括运放U2A、电阻R7、R8、R9和R10；所述电阻R7的一端连接正弦信号半波整流电路的输出端，另一端连接运放U2A的反相输入端；所述电阻R8的一端连接余弦信号半波整流电路的输出端，另一端连接运放U2A的反相输入端；电阻R9连接在运放U2A的同相输入端和地之间；所述电阻R10连接在运放U2A的输出端与反相输入端之间；
所述电阻R7和R8的阻值为电阻R1的两倍；所述R10的阻值根据求和电路的设计放大倍数进行选择；所述R9的阻值为R9＝(R7//R8//R10)。
所述斩波电路，用于对求和后输出的信号进行斩波；所述斩波电容C1连接在求和电路的运放U2A输出端与地之间。
斩波电容C1的电容值为式中，UMAX为锯齿波电压最大值，UAV为锯齿波电压的均值；T为正、余弦信号的周期；RL为斩波之后处理电路的等效电阻值。
所述有源滤波电路包括运放U2B、电阻R11、R12和R13，电容C2和C3；
所述电阻R11和R12串联后连接在斩波输出端和运放U2B的同相输入端；电容C2连接在电阻R11和R12连接端和运放U2B输出端，电容C3连接在运放U2B的同相输入端与地之间，运放U2B输出端与电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端作为有源滤波电路的输出；
所述电阻R11、R12和R13的阻值相同，电容C2和C3的电容比值λ确定滤波器的Q值；
所述逻辑判定电路可以基于单片机、逻辑器件(FPGA)或处理器件(DSP)等，采集切比谢夫二阶有源滤波器输出的电压值，并中断函数里做比较判断，如果恒等于输出的幅值则视为正常，若不恒等于输出的幅值则视为输出故障。
综上所述，本实施例的旋转变压器故障检测方法及电路，能极大地提高旋转变压器的可靠性、实时性。
在进行旋变信号采集时，具有输入阻抗高的优点，避免了信号的幅值和相位衰减，而产生的型号失真。对输入信号的要求低，即不要求输入信号有多大的功率，就可以对弱信号进行放大了。
通过斩波电路+切比谢夫二阶有源滤波器显著地提升输出信号的响应速度提升了3个数量级，使得输出信号具有快速性和准确性，在滤波截止频率处几乎没有幅值衰减，直接使用贝塞尔二阶有源滤波在滤波截止频率附近的幅值衰减近6dB。
整个旋转变压器故障检测电路的模拟部分仅使用两片型号相同的运放芯片，电阻、电容的数量少，且基本为阻值相同或倍数关系的少数几种电阻，电路简单，标准化和可靠性好，便于检测设备的小型化和批量化生产。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种旋转变压器故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号；
对旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号分别进行半波整流；
对正弦信号和余弦信号半波整流后输出信号进行求和；
对求和后输出的信号进行斩波；
对斩波输出信号进行有源滤波；
判断有源滤波后输出信号的电压值是否恒等于阈值；当不恒等于阈值时，判定旋转变压器故障；
所述对求和后输出的信号进行斩波是将求和电路输出的半波信号斩波成锯齿波；
用于斩波的斩波电容值式中，UMAX为锯齿波电压最大值，UAV为锯齿波电压的均值；T为正、余弦信号的周期；RL为斩波之后处理电路的等效电阻值；
将所述有源滤波构建成切比谢夫二阶有源滤波器。
2.根据权利要求1所述的旋转变压器故障检测方法，其特征在于，
在对旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号进行采样时，采用同相输入的方式；将采集到的正弦信号和余弦信号输出到负半轴上；
半波整流电路与输入信号的关系表达式为：
式中，uisin、uosin和K1分别表示正弦信号的输入、输出和放大系数，uicos、uocos和K2分别表示余弦信号的输入、输出和放大系数。
3.根据权利要求1所述的旋转变压器故障检测方法，其特征在于，所述对斩波输出信号进行有源滤波的有源滤波器构建，包括：
1)构建有源滤波器输入输出的传递函数：
2)将传递函数转换到频域后化解为标准的二阶系统；
3)根据标准的二阶系统计算滤波器的Q值；
4)通过选择不同的Q值，构建成对应类型的滤波器。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的旋转变压器故障检测方法的检测电路，其特征在于，包括：
半波电路、求和电路、斩波电路、有源滤波电路和逻辑判定电路；
所述半波电路，用于对采集的旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号分别进行半波整流；
所述求和电路，用于对正弦信号和余弦信号半波整流后输出信号进行求和；
所述斩波电路，用于对求和后输出的信号进行斩波；
所述有源滤波电路，用于对斩波输出信号进行二阶有源滤波；
所述逻辑判定电路，用于判断二阶有源滤波后输出信号的电压值是否恒等于阈值；当不恒等于阈值时，判定旋转变压器故障。
5.根据权利要求4所述的检测电路，其特征在于，所述半波电路包括正弦信号半波整流电路和余弦信号半波整流电路；
所述正弦信号半波整流电路包括运放U1A、U1B，二极管D1、D2，电阻R1、R2和R3；其中，运放U1A的同相输入端接入旋转变压器输出的正弦信号，反相输入端与输出端之间反向连接二极管D1；运放U1A的输出端与运放U1B的同相输入端之间反向连接二极管D2；运放U1B的同相输入端与地之间连接电阻R3；运放U1B的输出端与运放U1A的反相输入端之间连接串联的R2和R1；R2和R1的连接端与运放U1B的反相输入端连接；
所述余弦信号半波整流电路包括运放U1C、U1D，二极管D3、D4，电阻R4、R5和R6；其中，运放U1C的同相输入端接入旋转变压器输出的余弦信号，反相输入端与输出端之间反向连接二极管D3；运放U1C的输出端与运放U1D的同相输入端之间反向连接二极管D4；运放U1D的同相输入端与地之间连接电阻R6；运放U1D的输出端与运放U1C的反相输入端之间连接串联的R5和R4；R5和R4的连接端与运放U1B的反相输入端连接。
6.根据权利要求4所述的检测电路，其特征在于，所述求和电路包括运放U2A、电阻R7、R8、R9和R10；所述电阻R7的一端连接正弦信号半波整流电路的输出端，另一端连接运放U2A的反相输入端；所述电阻R8的一端连接余弦信号半波整流电路的输出端，另一端连接运放U2A的反相输入端；电阻R9连接在运放U2A的同相输入端和地之间；所述电阻R10连接在运放U2A的输出端与反相输入端之间。
7.根据权利要求4所述的检测电路，其特征在于，所述有源滤波电路包括运放U2B、电阻R11、R12和R13，电容C2和C3；
所述电阻R11和R12串联后连接在斩波输出端和运放U2B的同相输入端；电容C2连接在电阻R11和R12连接端和运放U2B输出端，电容C3连接在运放U2B的同相输入端与地之间，运放U2B输出端与电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端作为有源滤波电路的输出。
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