CN116827204B - 基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，包括：信号产生模块、边沿型激励信号驱动电路、信号调理电路、模数转换模块以及解码模块。其中边沿型激励信号驱动电路由低功率器件组成，将具有边沿特征的功率信号施加到激励绕组；信号调理电路将旋转变压器反馈的正余弦差分信号调理到可供模数转换模块直接采样的范围。本发明利用边沿信号的高变化率特征，在反馈绕组中激励出尖顶的低能量、高幅值正余弦信号，即通过低功率的激励信号即可获得高信噪比反馈正余弦信号，大幅降低了旋变解码电路对驱动功率的要求，同时，由于所需反馈信号能量较小，因此，旋变体积也得以减小。
Description
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体为一种基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统。
背景技术
在电机驱动中，准确的转子位置反馈对于实现精确的控制至关重要。常用的位置反馈测量方法包括编码器和旋转变压器，其中旋转变压器在电机高速运行时被广泛应用。旋转变压器的工作原理是通过在励磁线圈上注入交变的激励信号，在正弦和余弦反馈绕组上便可感应出含有位置信息的反馈信号。
目前旋变领域存在的主要问题在于，在恶劣环境下运行，反馈信号需要有足够信噪比，保证准确可靠的位置信息提取。然而，传统的解算方案中，要保证足够信号幅值，就要求旋变尺寸不能太小，或者激励源具有较大功率，否则正余弦反馈信号幅值较低，难以支撑高可靠性要求的电机控制需求。这是由于常规旋变解算方案常采用正弦波载波，通过解调算法，正弦载波可以获得有效分离，从而提取转子位置信息；然而相同能量信号中，正弦波的幅值较低，不利于高信噪比采样需求，在噪声较大的恶劣工作场景下可靠性较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，只需要在单个信号周期对信号进行单次采样，大大简化了解算过程，降低了微处理器的解算计算量。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，包括：
信号产生模块，用于产生激励信号；
边沿型激励信号驱动电路，用于对激励信号进行放大，并将放大后的信号施加到旋转变压器的激励绕组；
信号调理电路，用于将旋转变压器输出的正、余弦差分信号调理到指定的范围；
模数转换模块，用于将对调理后的正、余弦差分信号进行采样，并转换为正、余弦数字信号；
解码模块，用于在每个采样周期对正、余弦数字信号做归一化处理，并采用锁相环计算出旋变转子位置和转速。
优选地，所述激励信号为边沿型信号。
优选地，所述激励信号边沿配置在每个信号周期的中部。
优选地，所述激励信号由处理器进行脉宽调制产生，脉宽调制的频率与模数转换的频率相同。
优选地，所述边沿型激励信号驱动电路包括三极管QR1、三极管QR2、三极管QR3、三极管QR4、共阴极二极管DR1、共阴极二极管DR2、上拉电阻RR3、上拉电阻RR4、限流电阻RR1、限流电阻RR2、限流电阻RR5、限流电阻RR6，所述上拉电阻RR3、上拉电阻RR4的一端均分别与电源连接，另一端均分别与信号产生模块的输出端连接，所述限流电阻RR1、限流电阻RR5的一端均与上拉电阻RR3的另一端连接，所述限流电阻RR1、限流电阻RR5的另一端分别与三极管QR2的基极、三极管QR4的基极一一对应连接，所述限流电阻RR2、限流电阻RR6的一端均与上拉电阻RR4的另一端连接，所述限流电阻RR2、限流电阻RR6的另一端分别与三极管QR1、三极管QR3的基极一一对应连接，三极管QR1、三极管QR2的发射极均与电源连接，所述三极管QR3、三极管QR4的发射极均与地连接，所述三极管QR2的集电极与三极管QR4的集电极连接，所述三极管QR1的集电极与三极管QR3的集电极连接，所述续流二极管DR1为共阴极二极管，所述续流二极管DR1的阴极与电源连接，所述续流二极管DR1的阳极分别与三极管QR1、三极管QR2的集电极连接，所述续流二极管DR2为共阳极二极管，所述续流二极管DR2的阳极与地连接，阴极分别与三极管QR1、三极管QR2的集电极连接，三极管QR1、三极管QR2的集电极作为边沿型激励信号驱动电路的输出端口。
优选地，信号调理电路包括正弦信号调理电路和余弦信号调理电路，且余弦信号调理电路和正弦信号调理电路结构相同，所述正弦信号调理电路电阻RR8、电阻RR10、电阻RR12、电阻RR14、电阻RR11、电阻RR13和运算放大器，所述电阻RR10、电阻RR12的一端作为旋转变压器正弦反馈绕组输出信号的输入端，所述电阻RR10、电阻RR12的另一端分别与运算放大器的负输入端和正输入端连接，所述电阻RR14的一端与运算放大器的正输入端连接，另一端接2.5V电源，所述电阻RR8的两端分别与运算放大器的负输入端以及输出端连接，电阻RR11的一端与运算放大器的输出端连接，另一端与电阻RR13的一端连接，电阻RR13的另一端接地，所述电阻RR11的另一端作为正弦信号调理电路的输出端。
优选地，经信号调理电路调理后的正余弦信号为：
式中，k为调理电路的放大系数， p r 为旋变极对数，θ r 为旋变转子角度，E EMF (t)为每个激励周期内正余弦绕组上感应电压信号，、/>分别为调理后的正余弦信号。
优选地，正、余弦反馈信号的包络线表达式如下：
其中，R exc 和L exc 是绕组的激励电路的电阻和电感，t sample 是每个激励信号周期的指定采样时刻；
式中，N exc 是激励线圈匝数，N sin 是正余弦采样线圈匝数，为与旋变转子磁导率相关的常数。
优选地，所述模数转换模块进行采样的时刻控制在正余弦信号的峰值左右设定范围内。
优选地，解码模块在每个采样周期进行一次正、余弦数字信号做归一化处理以及旋变转子位置和转速计算。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1）本发明了通过调整采样时刻，使信号幅值尽量靠近峰值，提高信噪比；
2）本发明中处理器只需在每个激励周期采样一次获得正余弦信号包络，无需在一个周期内多次采样，降低了处理器处理负担。
3）通过引入边沿型激励和低能量载波的采样，本发明能够在电机驱动系统中实现更简单、经济的旋转变压器解算方案，同时保持较高测量精度。
附图说明
图1是本发明基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统的原理示意图。
图2是本发明一种实施方案的驱动电路图。
图3是本发明一种实施方案的信号调理电路图。
图4是本发明一种实施方案的旋转变压器结构图。
图5是本发明在实验中测得的旋转变压器的激励信号和在某一位置处经调理后的SIN信号的波形。
图6是本发明使用本方案在实验中测得的SIN和COS调理信号及软件解算出的位置信息。
图7归一化和锁相环处理算法。
图8是本发明在信号的尖峰处采样获得的包络波形。
图9是本发明在信号的非尖峰处采样获得的包络波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1~4所示，一种基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，包括：
信号产生模块，用于产生激励信号；
边沿型激励信号驱动电路，用于对激励信号进行放大，并将放大后的信号施加到旋转变压器的激励绕组；
信号调理电路，用于将旋转变压器输出的正、余弦差分信号调理到指定的范围；
模数转换模块，用于将调理后的正、余弦差分信号转换为正、余弦数字信号，获得包络波形；
解码模块，用于在每个采样周期对正、余弦数字信号做归一化处理，并采用锁相环计算出旋变转子位置和转速。
在某些具体实施例中，信号产生模块、模数转换模块以及解码模块的功能皆由处理器实现。
进一步的实施例中，所述激励信号为边沿型信号。
进一步的实施例中，激励信号边沿配置在每个信号周期的中部。在高速应用场合，应当将激励信号边沿配置在每个信号周期的中部，以抑制相移。
进一步的实施例中，所述激励信号由处理器进行脉宽调制产生，脉宽调制的频率与模数转换的频率相同。
进一步的实施例中，所述边沿型激励信号驱动电路包括三极管QR1、三极管QR2、三极管QR3、三极管QR4、共阴极二极管DR1、共阴极二极管DR2、上拉电阻RR3、上拉电阻RR4、限流电阻RR1、限流电阻RR2、限流电阻RR5、限流电阻RR6，所述上拉电阻RR3、上拉电阻RR4的一端均分别与电源连接，另一端均分别与信号产生模块的输出端连接，所述限流电阻RR1、限流电阻RR5的一端均与上拉电阻RR3的另一端连接，所述限流电阻RR1、限流电阻RR5的另一端分别与三极管QR2的基极、三极管QR4的基极一一对应连接，所述限流电阻RR2、限流电阻RR6的一端均与上拉电阻RR4的另一端连接，所述限流电阻RR2、限流电阻RR6的另一端分别与三极管QR1、三极管QR3的基极一一对应连接，三极管QR1、三极管QR2的发射极均与电源连接，所述三极管QR3、三极管QR4的发射极均与地连接，所述三极管QR2的集电极与三极管QR4的集电极连接，所述三极管QR1的集电极与三极管QR3的集电极连接，所述续流二极管DR1为共阴极二极管，所述续流二极管DR1的阴极与电源连接，所述续流二极管DR1的阳极分别与三极管QR1、三极管QR2的集电极连接，所述续流二极管DR2为共阳极二极管，所述续流二极管DR2的阳极与地连接，阴极分别与三极管QR1、三极管QR2的集电极连接，三极管QR1、三极管QR2的集电极作为边沿型激励信号驱动电路的输出端口。所述边沿型激励信号驱动电路的输入信号为PWMH、PWML，由处理器的开漏输出引脚输出（控制低电平时引脚接地，控制高电平时为高阻态）。放大电路的输出信号为EXC+、EXC-，其中EXC+接在QR2和QR4的集电极，EXC-接在QR1和QR3的集电极。上拉电阻RR3、RR4一端接电源5V，另一端分别接处理器的激励信号引脚，使引脚控制输出高电平时将引脚电压上拉至电源电压。限流电阻RR1、RR2、RR5、RR6一端接在激励信号引脚，另一端分别接于四个三极管基极。PNP三极管QR1、QR2为H桥的上管，NPN三极管QR3、QR4为H桥的下管。续流二极管DR1为共阴极二极管，阴极接电源5V，阳极分别接在QR1、QR2的集电极；续流二极管DR2为共阳极二极管，阳极接电源地，阴极分别接在QR3、QR4的集电极。
进一步的实施例中，信号调理电路包括正弦信号调理电路和余弦信号调理电路，且余弦信号调理电路和正弦信号调理电路结构相同，所述正弦信号调理电路电阻RR8、电阻RR10、电阻RR12、电阻RR14、电阻RR11、电阻RR13和运算放大器，所述电阻RR10、电阻RR12的一端作为旋转变压器正弦反馈绕组输出信号的输入端，所述电阻RR10、电阻RR12的另一端分别与运算放大器的负输入端和正输入端连接，所述电阻RR14的一端与运算放大器的正输入端连接，另一端接2.5V电源，所述电阻RR8的两端分别与运算放大器的负输入端以及输出端连接，电阻RR11的一端与运算放大器的输出端连接，另一端与电阻RR13的一端连接，电阻RR13的另一端接地，所述电阻RR11的另一端作为正弦信号调理电路的输出端。信号调理电路不对边沿型激励信号感应产生的尖顶反馈信号产生滤波作用，只是将该信号抬升调理成正余弦信号。正弦信号调理电路的输入信号为SIN+和SIN-，为旋转变压器正弦反馈绕组的输出信号。正弦信号调理电路的输出信号为SINOUT，供处理器采样。正弦信号调理电路中电阻RR8、RR10、RR12、RR14和运算放大器构成了差分放大和信号抬升电路，将信号放大抬升至0-5V范围。运算放大器的输出经电阻RR11和RR13分压调整至可供处理器模数转换模块直接采样的电压范围。
进一步的实施例中，经信号调理抬升电路调理后的正余弦信号为：
式中，k为调理电路的放大系数，U offset 为调理电路的抬升电压， p r 为旋变极对数，θ r 为旋变转子角度，E EMF (t)为每个激励周期内正余弦绕组上感应电压信号，、/>分别为调理后的正余弦信号。
进一步的实施例中，正、余弦反馈信号的包络线表达式如下：
其中，R exc 和L exc 是绕组的激励电路的电阻和电感，t sample 是每个激励信号周期的指定采样时刻；
式中，N exc 是激励线圈匝数，N sin 是正余弦采样线圈匝数，与旋变转子磁导率相关，为一常数。
进一步的实施例中，所述模数转换模块进行采样的时刻控制在正余弦信号的峰值左右设定范围内，以获得高信号幅值，从而获得高信噪比。
进一步的实施例中，解码模块在每个采样周期进行一次正、余弦数字信号做归一化处理以及旋变转子位置和转速计算。具体地，在处理器中将调理后的包络转换成原始信号的包络，通过归一化和锁相环可以计算出旋转运行转速和转子位置。
一种基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，使用边沿型激励替代传统的正弦信号注入。边沿型激励可以基于脉冲冲量面积等效原理，由处理器产生并由三极管驱动电路放大，不再需要专用旋变解码芯片，硬件更为简单。此外，本发明在单个信号周期只需要对信号进行单次采样，大大简化了解算过程，降低了微处理器的解算计算量。
利用本发明的解码系统进行解码的具体过程为：
处理器的信号产生模块产生激励信号，边沿型激励信号驱动电路将具有边沿特征的激励信号放大后施加到激励绕组；
信号调理电路将尖顶的正余弦差分信号调理到指定范围，并由处理器的模数转换模块进行采样；信号调理电路不对边沿型激励信号感应产生的尖顶反馈信号产生滤波作用，只是将该信号抬升调理成正余弦信号，交给处理器采样。
处理器的解码模块在每个采样周期中对采集到的正余弦信号做归一化处理；基于归一化的正余弦信号，采用锁相环计算出旋变转子位置和转速。
图1给出了处理器解算旋转变压器转子位置的框图。两路互补的PWM信号控制三极管功率放大电路，将边沿激励信号注入到|激励（EXC）绕组中，旋变正、余弦反馈绕组中输出具有位置信息的反馈信号，信号经调理电路处理后由处理器采样并解码位置信息。
图2为一种典型边沿信号功率放大电路，包括4个三极管，通过上下管互补产生边沿信号，四个二极管用于续流，通过处理器产生的脉宽调制信号形成步骤一中的激励信号。
图3为信号调理电路，将差分信号抬高到以2.5V电压为中心上下波动的正余弦反馈信号。COS信号的调理电路与SIN信号相同，实现步骤二的采样功能。
本发明的基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统适用于所有形式的旋转变压器，同时，特别适用于体积尺寸小，绕组匝数有限的旋变，例如图4中所述的轴向磁场旋变，由于采用常规印制电路板（PCB）作为绕组，激励和正余弦反馈绕组匝数非常有限，因此如果采用常规解码方案不易获得高信噪比的正余弦信号。采用所述一种基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，可以获得如图5所示的尖峰形式的低能量波形序列。
处理器对图5的尖峰波形序列进行定时采样，得到图6中的SIN波形的包络，同样的方法可以获得COS波形的包络，通过对这两组包络线进行解码，采用图7所示的归一化和锁相环方法，即可得到转子的角位置信息，形状可以参考图6中的三角波。
需要指出的是，采样时刻应当靠近尖峰处，从而获得更高的信噪比，如果采样时刻远离尖峰，则会导致获得包络信号幅值降低，从而降低信噪比。图8和图9对比了不同采样时刻获得的包络波形，其中图8在尖峰附近采样，而图9在远离尖峰处采样，因此包络幅值明显较低，实际采样获得数据容易受到噪声干扰，不利于高精度旋变解算。
Claims (8)
1.一种基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，其特征在于，包括：
信号产生模块，用于产生激励信号，所述激励信号为边沿型信号；
边沿型激励信号驱动电路，用于对激励信号进行放大，并将放大后的信号施加到旋转变压器的激励绕组；
信号调理电路，用于将旋转变压器输出的正、余弦差分信号调理到指定的范围；
模数转换模块，用于对调理后的正、余弦差分信号进行采样，并转换为正、余弦数字信号，正、余弦数字信号的包络线表达式如下：
，/>，其中，R exc 和L exc 是绕组的激励电路的电阻和电感，t sample 是每个激励信号周期的指定采样时刻；
，式中，N exc 是激励线圈匝数，N sin 是正余弦采样线圈匝数，/>为与旋变转子磁导率相关的常数，k为调理电路的放大系数， p r 为旋变极对数，θ r 为旋变转子角度；
解码模块，用于在每个采样周期对正、余弦数字信号包络线做归一化处理，并采用锁相环计算出旋变转子位置和转速。
2.根据权利要求1所述的基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，其特征在于，所述激励信号边沿配置在每个信号周期的中部。
3.根据权利要求1所述的基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，其特征在于，所述激励信号由处理器进行脉宽调制产生，脉宽调制的频率与模数转换的频率相同。
4.根据权利要求1所述的基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，其特征在于，所述边沿型激励信号驱动电路包括三极管QR1、三极管QR2、三极管QR3、三极管QR4、共阴极二极管DR1、共阳极二极管DR2、上拉电阻RR3、上拉电阻RR4、限流电阻RR1、限流电阻RR2、限流电阻RR5、限流电阻RR6，所述上拉电阻RR3、上拉电阻RR4的一端均分别与电源连接，另一端均分别与信号产生模块的输出端连接，所述限流电阻RR1、限流电阻RR5的一端均与上拉电阻RR3的另一端连接，所述限流电阻RR1、限流电阻RR5的另一端分别与三极管QR2的基极、三极管QR4的基极一一对应连接，所述限流电阻RR2、限流电阻RR6的一端均与上拉电阻RR4的另一端连接，所述限流电阻RR2、限流电阻RR6的另一端分别与三极管QR1、三极管QR3的基极一一对应连接，三极管QR1、三极管QR2的发射极均与电源连接，所述三极管QR3、三极管QR4的发射极均与地连接，所述三极管QR2的集电极与三极管QR4的集电极连接，所述三极管QR1的集电极与三极管QR3的集电极连接，所述共阴极二极管DR1为续流二极管，所述续流二极管DR1的阴极与电源连接，所述续流二极管DR1的阳极分别与三极管QR1、三极管QR2的集电极连接，所述共阳极二极管DR2为续流二极管，所述续流二极管DR2的阳极与地连接，阴极分别与三极管QR1、三极管QR2的集电极连接，三极管QR1、三极管QR2的集电极作为边沿型激励信号驱动电路的输出端口。
5.根据权利要求1所述的基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，其特征在于，信号调理电路包括正弦信号调理电路和余弦信号调理电路，且余弦信号调理电路和正弦信号调理电路结构相同，所述正弦信号调理电路包括电阻RR8、电阻RR10、电阻RR12、电阻RR14、电阻RR11、电阻RR13和运算放大器，所述电阻RR10、电阻RR12的一端作为旋转变压器正弦反馈绕组输出信号的输入端，所述电阻RR10、电阻RR12的另一端分别与运算放大器的负输入端和正输入端连接，所述电阻RR14的一端与运算放大器的正输入端连接，另一端接2.5V电源，所述电阻RR8的两端分别与运算放大器的负输入端以及输出端连接，电阻RR11的一端与运算放大器的输出端连接，另一端与电阻RR13的一端连接，电阻RR13的另一端接地，所述电阻RR11的另一端作为正弦信号调理电路的输出端。
6.根据权利要求1所述的基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，其特征在于，经信号调理电路调理后的正余弦信号为：
，，式中，k为调理电路的放大系数， p r 为旋变极对数，θ r 为旋变转子角度，E EMF (t)为每个激励周期内正余弦绕组上感应电压信号，/>、分别为调理后的正余弦信号，U offset 为调理电路的抬升电压。
7.根据权利要求1所述的基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，其特征在于，所述模数转换模块进行采样的时刻控制在正余弦信号的峰值左右设定范围内。
8.根据权利要求1所述的基于低能量载波反馈的伺服电机旋转变压器解码系统，其特征在于， 解码模块在每个采样周期对正、余弦数字信号进行一次归一化处理，并采用锁相环计算，以获取旋变转子位置和转速。
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- 2023-08-30 CN CN202311104630.9A patent/CN116827204B/zh active Active
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| CN116827204A (zh) | 2023-09-29 |
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