CN117792198B - 一种电机位置角度的软解码方法、装置、设备和介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机位置角度的软解码方法、装置、设备和介质，其中方法包括：获取原始旋变反馈信号；获取延时励磁参考信号；将延时励磁参考信号作用于原始旋变反馈信号，形成第一旋变反馈信号；对第一旋变反馈信号进行IIR与FIR串联滤波计算，形成第二旋变反馈信号，提取第一旋变反馈信号的包络线；基于包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度；对第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度，基于第二位置角度控制电机。由此，通过滤波计算提取包络线时，可以对原始旋变反馈信号进行过采样，不再受仅在峰值采样的局限，缩短了采样周期，减少了采样信号的波动，提升了解调信号的精度。

Description

一种电机位置角度的软解码方法、装置、设备和介质

技术领域

本发明涉及电机角度解码技术领域，尤其涉及一种电机位置角度的软解码方法、装置、设备和介质。

背景技术

由于新能源汽车永磁同步电机驱动系统中需要实时获取精确的电机转子位置，旋转变压器凭借结构简单，灵敏度高，抗干扰性强以及对恶劣环境适应性强等特点被广泛应用于新能源汽车领域。根据旋转变压器的解码形式不同，可以将旋转变压器解码方式分为硬件解码和软件解码。因硬件解码芯片价格昂贵，且FPGA具有高采样速率与并行运算的快速计算优势，能够支持使用软件解码替换硬件解码，以降低硬件解码芯片成本。

相关技术的软件解码方式中一般采用峰值采样法或积分法对采集到的旋变信号进行解调制。在传统转变压器解码方式中，使用正弦波作为旋变的励磁信号，由于励磁信号由芯片引脚发出后会经过硬件放大和滤波电流作用于旋转变压器，再由ADC采集旋变反馈的正余弦电压信号，这个过程会存在信号延迟。使用峰值采样法可直接获得正余弦信号包络线，但对信号的采样点要求严苛，仅在旋变反馈信号的波峰与波谷处进行采样，延迟时间可能导致采样时间的不准确，解调信号的更新速度也会受到采样频率的限制，采样点极容易受到噪声与采样波动的影响，当采集到的信号出现毛刺表现不稳定时，就造成解调信号的不准确，从而影响解算角度的准确性。另一种实现解调制的方式是采用积分法，采样频率较高，需要对ADC采集的旋变反馈信号进行正负极性判断，并对半个励磁信号周期进行积分，同样，采集信号出现毛刺与波动时，或积分值不准确时，都会造成解调信号的偏差。

发明内容

本发明提供了一种电机位置角度的软解码方法、装置、设备和介质，基于FPGA芯片，通过IIR与FIR串联滤波法对旋变反馈信号进行软解码解调，以解决相关技术中采用峰值采样法或积分法对旋变反馈信号进行解调时，采样信号容易出现毛刺等，导致的解调信号不准，以及采样频率容易受到励磁信号频率的限制的问题。

为解决上述问题，本发明一方面实施例提出了一种电机位置角度的软解码方法，包括：

获取原始旋变反馈信号，所述原始旋变反馈信号包括正弦旋变反馈信号和余弦旋变反馈信号；

获取延时励磁参考信号；

将所述延时励磁参考信号作用于所述原始旋变反馈信号，校正所述原始旋变反馈信号与原始励磁参考信号之间的延迟，形成第一旋变反馈信号；

对所述第一旋变反馈信号进行IIR与FIR串联滤波计算，滤除所述原始励磁参考信号形成第二旋变反馈信号，提取所述第一旋变反馈信号的包络线；

基于所述包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度；

对所述第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度，基于所述第二位置角度控制所述电机。

根据本发明的一个实施例，所述获取延时励磁参考信号包括：

当原始励磁参考信号从0开始产生时，控制同频时钟从0进行计数；

并且当接收到所述原始旋变反馈信号时，控制所述同频时钟停止计数，并根据所述同频时钟的计数得到第一延迟时间；

基于所述第一延迟时间和所述原始励磁参考信号的周期得到实质延迟时间；其中，对以上步骤至少进行一次循环，当循环多次时，所述实质延迟时间为每次获取的所述实质延迟时间的平均值；

将所述原始励磁参考信号延时实质延迟时间后得到所述延时励磁参考信号。

根据本发明的一个实施例，所述将所述延时励磁参考信号作用于所述原始旋变反馈信号包括：

对所述原始旋变反馈信号乘以所述延时励磁参考信号中对应时刻的正负号，形成所述第一旋变反馈信号。

根据本发明的一个实施例，所述基于所述包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度包括：

基于所述包络线中的正弦包络线和余弦包络线的比值得到正切信号；

使用CORDIC算法对所述正切信号进行反正切计算得到电机的第一位置角度。

根据本发明的一个实施例，所述对所述第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度包括：

使用三阶角度观测器对所述第一位置角度进行滤波，得到第一滤波位置角；

获取所述三阶角度观测器计算的所述第一位置角度对应的角速度，以及获取自接收到所述原始旋变反馈信号至得到所述第一滤波位置角之间的第二延迟时间；

基于所述角速度和所述第二延迟时间计算得到角度补偿量；

对所述第一滤波位置角进行所述角度补偿量的补偿，得到所述第二位置角度。

根据本发明的一个实施例，所述三阶角度观测器包括：第一正弦函数处理模块、第二正弦函数处理模块、第一余弦函数处理模块、第二余弦函数处理模块、第一位置角度输入模块、第一滤波位置角输出模块、偏差计算模块、滤波调整模块；

所述第一正弦函数处理模块对所述第一位置角度进行处理得到第一输入量，所述第一余弦函数处理模块对所述第一位置角度进行处理得到第二输入量；所述第二正弦函数处理模块对所述第一滤波位置角进行处理得到第三输入量，所述第二余弦函数处理模块对所述第一滤波位置角进行处理得到第四输入量；

所述偏差计算模块用于计算当前所述第一输入量与前一所述第四输入量的乘积、当前所述第二输入量与前一所述第三输入量的乘积之间的偏差；

所述偏差计算模块的输出作为所述滤波调整模块的输入，并经过所述滤波调整模块计算后，输出所述第一滤波位置角。

根据本发明的一个实施例，在获取原始旋变反馈信号之前，还包括：

控制所述原始励磁参考信号产生；其中，所述原始励磁参考信号由以下步骤产生：基于预存储的0-45°的正弦数值，根据正弦波形的对称性分别将0-45°的正弦值映射到0-90°，再将360°划分为四个象限根据角度所处不同象限调整数据的符号，产生所述原始励磁参考信号；

对所述原始励磁参考信号进行delta-sigma调制生成调制波信号；

对所述调制波信号进行两路正反输出，形成差分信号；

对所述差分信号进行滤波和放大后经由旋转变压器产生所述原始旋变反馈信号。

根据本发明的一个实施例，在获取原始旋变反馈信号之后，将所述延时励磁参考信号作用于所述原始旋变反馈信号之前，还包括：

对所述原始旋变反馈信号进行低通滤波，得到所述原始旋变反馈信号中的直流成分；

将所述原始旋变反馈信号减去所述直流成分，得到零偏校正后的所述原始旋变反馈信号。

为解决上述问题，本发明第二方面实施例提出了一种电机位置角度的软解码装置，包括：

第一获取模块，用于获取原始旋变反馈信号，所述原始旋变反馈信号包括正弦旋变反馈信号和余弦旋变反馈信号；

第二获取模块，用于获取延时励磁参考信号；

第一计算模块，用于将所述延时励磁参考信号作用于所述原始旋变反馈信号，校正所述原始旋变反馈信号与原始励磁参考信号之间的延迟，形成第一旋变反馈信号；

第二计算模块，用于对所述第一旋变反馈信号进行IIR与FIR串联滤波计算，滤除所述原始励磁参考信号形成第二旋变反馈信号，提取所述第一旋变反馈信号的包络线；

第三计算模块，用于基于所述包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度；

角度补偿模块，用于对所述第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度，基于所述第二位置角度控制所述电机。

为解决上述问题，本发明第三方面实施例提出了一种电子设备，所述电子设备包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例所述的电机位置角度的软解码方法。

为解决上述问题，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现本发明任一实施例所述的电机位置角度的软解码方法。

根据本发明实施例提出的电机位置角度的软解码方法、装置、设备和介质，其中方法包括：获取原始旋变反馈信号；获取延时励磁参考信号；将延时励磁参考信号作用于原始旋变反馈信号，校正原始旋变反馈信号与原始励磁参考信号之间的延迟，形成第一旋变反馈信号；对第一旋变反馈信号进行IIR与FIR串联滤波计算，滤除原始励磁参考信号形成第二旋变反馈信号，提取第一旋变反馈信号的包络线；基于包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度；对第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度，基于第二位置角度控制电机。由此，通过滤波计算提取包络线时，可以对原始旋变反馈信号进行过采样，不再受仅在峰值采样的局限，缩短了采样周期，减少了采样信号的波动，提升了解调信号的精度。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要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是本发明实施例提出的电机位置角度的软解码方法流程图；

图2是本发明实施例提出的电机位置角度的软解码方法中第一延迟时间的示意图；

图3是本发明实施例提出的电机位置角度的软解码方法中三阶角度观测器的结构示意图；

图4是本发明实施例提出的电机位置角度的软解码芯片的结构示意图；

图5是本发明实施例提出的电机位置角度的软解码方法的示意图；

图6是实现本发明实施例的电机位置角度的软解码方法的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

当前旋转变压器软件解码的解调方式主要分为峰值采样法和积分法两大类。在传统旋转变压器解码方式中，使用正弦波作为旋变的励磁信号，实现解调时常常采用峰值采样法，但是由于励磁信号由芯片引脚发出后会经过硬件滤波电路作用于旋变，再由电磁感应在输出绕组两端产生正余弦反馈电压信号，这个过程往往会存在信号延迟，使用峰值采样法需要固定采样频率为正弦励磁信号的周期频率，仅在旋变反馈信号的波峰与波谷处进行采样，解调信号的更新速度会受到采样频率的限制，并且采样点也极容易受到噪声与采样波动的影响，当采集到的信号出现毛刺表现不稳定时，就造成解调信号的不准确，从而影响解算角度的准确性。积分法是对正弦励磁信号半个周期内的反馈信号进行积分，同样，当采集到的信号出现毛刺与波动时，也会造成解调信号的不准确。

实施例一

图1是本发明实施例提出的电机位置角度的软解码方法流程图。如图1所示，该方法包括：

S101，获取原始旋变反馈信号，原始旋变反馈信号包括正弦旋变反馈信号和余弦旋变反馈信号；

其中，原始旋变反馈信号为原始励磁参考信号经过旋变后生成的信号。

S102，获取延时励磁参考信号；

其中，延时励磁参考信号为经过延时补偿的原始励磁参考信号的正负号形成的信号。

S103，将延时励磁参考信号作用于原始旋变反馈信号，校正原始旋变反馈信号与原始励磁参考信号之间的延迟，形成第一旋变反馈信号；

其中，第一旋变反馈信号为原始旋变反馈信号进行延时补偿后的信号。

S104，对第一旋变反馈信号进行IIR与FIR串联滤波计算，滤除原始励磁参考信号形成第二旋变反馈信号，以提取第一旋变反馈信号的包络线；

其中，第二旋变反馈信号为第一旋变反馈信号滤除原始励磁信号的信号，即为第一旋变反馈信号的包络线。

S105，基于包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度；

S106，对第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度，基于第二位置角度控制电机。

可以理解的是，旋变即指旋转变压器，由定子和转子组成，当励磁绕组上施加励磁信号，转子与电机同轴旋转，旋变的输出绕组两端便会产生与转子位置相关的两路正交波形。软解码的意思是旋变信号软件自解码，不使用硬件解码芯片，依靠软件计算将旋变信号进行轴角变换得到转子位置角。上述的电机位置角度的软解码方法适用于FPGA芯片，进行软解码。

对电机位置角进行解码后对电机的控制过程如下：产生的原始励磁参考信号被处理后，进入旋转变压器，经过旋转变压器后形成带有电机位置角度信息的原始旋变反馈信号，FPGA芯片中的AD采样器可以对原始旋变反馈信号进行高频采样，并且对采样后的信号进行IIR与FIR串联滤波计算，从而，滤除原始励磁参考信号，得到带有电机位置角度信息的包络线信息，然后根据带有电机位置角度信息的包络线信息解码出电机位置角度，接着根据电机位置角度对电机进行适应性电流分配，实现对电机的控制。

在一个示例中，励磁参考信号自产生再到旋转变压器，再被采样后，这个过程会出现一定的延迟，由此，需要对采样的信号先进行延迟校正，形成第一旋变反馈信号。进而，IIR与FIR串联滤波计算可以针对第一旋变反馈信号进行，IIR与FIR串联滤波计算第一旋变反馈信号形成第二旋变反馈信号。另外，自第一旋变反馈信号至得到第一位置角度的过程中，由于计算和滤波，会出现相应的延迟和抖动，进而，需要对第一位置角度进行延迟补偿和滤波后得到第二位置角度，从而可以依据第二位置角度对电机进行坐标变换与矢量控制。这样，可以提升控制电机的精确度。

其中，在上述示例的IIR与FIR串联滤波计算中，IIR滤波参数可以设置为：直接II型1阶低通，截止信号频率设置为2kHz。FIR滤波参数可以设置为：32阶低通；截止信号频率设置为2kHz。将上述滤波参数设置输入到matlab中进行具体参数设计，FIR滤波可调用FPGA芯片自带IP核实现。由此实现了旋变反馈正余弦信号的解调制。

由此，本发明中通过对采样的信号进行第一次延迟校正后再进行IIR与FIR串联滤波计算，得到具有电机位置角信息的第二旋变反馈信号，即得到基于第一旋变反馈信号提取带有电机位置角信息的包络线，然后再基于该包络线进行电机位置角的求解得到第一位置角度，接着再对第一位置角度进行第二次延迟补偿，得到第二位置角度。这个过程中，由于IIR与FIR串联滤波计算直接将原始励磁参考信号滤除，从而无需仅在旋变反馈信号的峰值采样，而是可以实现过采样，从而采样频率不再局限旋变反馈信号的周期，提升了采样频率，缩短了采样周期，减少了采样信号的波动，提升了解调信号的精度。并且通过两次延迟补偿，使得解码得到的第二位置角度更加精准。

相比于采用积分提取包络线的方式，滤波得到的包络线离散点的密度高于积分法提取到的包络线离散点，且包络线更为平滑，不受采样噪声的影响，对励磁信号延时补偿要求也没有那么高；而积分方法提取到的包络线是离散的点，且更新频率为1/2正弦励磁信号频率，非常容易收到AD采样噪声的影响，需要励磁信号延时补偿非常精准。本发明实施例的方法指明了滤波器串联结构，所提取到的包络线平滑，抗采样干扰能力强，对励磁信号延时补偿要求不高，实时更新，并且后续的解码计算不再受到包络线更新频率影响，能够对角度进行快速精准的计算。

在FPGA芯片内部进行信号解调制过程会使用到原始励磁参考信号的符号，但由于原始励磁参考信号在FPGA芯片内部产生后还需要经过二阶滤波放大电路产生正弦波，作用于旋变再由AD采集器采集旋变反馈的正余弦信号，这个期间实际采集的信号会存在延迟，从而需要对原始励磁参考信号延时补偿后，再使用延时补偿后的延时励磁参考信号的符号进行解调制，这样可以提升解调制过程的准确性。下面来具体介绍对原始旋变反馈信号的延迟补偿的具体过程。

根据本发明的一个实施例，S102获取延时励磁参考信号包括：

当原始励磁参考信号从0开始产生时，控制同频时钟从0进行计数；

并且当接收到原始旋变反馈信号时，控制同频时钟停止计数，并根据同频时钟的计数得到第一延迟时间；

基于第一延迟时间和原始励磁参考信号的周期得到实质延迟时间；其中，对以上步骤至少进行一次循环，当循环多次时，实质延迟时间为每次获取的实质延迟时间的平均值；

将原始励磁参考信号延时实质延迟时间后得到延时励磁参考信号。

可以理解的是，原始励磁参考信号可以为正弦参考信号。对于延时自动补偿，软件设计如下：连接好实际旋变之后将延迟时间测试模式的测试标志位置1进入延迟时间测试模式，控制FPGA正弦参考信号由0开始产生正弦信号，同时以同频时钟从0进行计数，当旋变正余弦采集的两路AD超出无信号波动阈值时认为此时励磁信号经由旋变到达了AD采样，停止计时，比较正余弦AD采集信号的幅值，选取幅值较大的信号对应计数值作为第一延迟时间delay_cnt1，将该第一延迟时间计数值对正选参考信号的周期取余后得到延迟时间计数值得到实质延迟时间delay_cnt2，记录此时的实质延迟时间delay_cnt2，然后关闭励磁正弦参考信号的产生，将正弦参考信号置0，重复上述步骤共进行10次，将10次采集到的实质延迟时间delay_cnt2取平均，得到原始励磁参考信号的延迟delay_TimCnt。此时将测试标志位置0退出测试模式，按照同频时钟延迟delay_TimCnt个时钟周期后产生1与-1交替的延时励磁参考信号，与正弦参考信号周期保持一致。若测试模式delay_cnt2与前一次差值过大则舍弃，重新记录。至此便完成了原始励磁参考信号延时的自动补偿。

示例性的，如图2所示，当正弦参考信号从0开始产生时，同频时钟开始计数，由于正弦参考信号经过旋变之后，变成正弦旋变反馈信号和余弦旋变反馈信号，进而，可以同时采集这两路信号到AD采样器。由于延迟，AD采样器刚开始采集到的信号很微弱，幅值一直在0附近进行波动，当突然间出现一定幅值时，也就是超出无信号波动阈值时，说明AD采样器采到了正弦旋变反馈信号和余弦旋变反馈信号，然后选取幅值较大的信号对应计数值，这样，可以防止误判。示例性的，可以按余弦旋变反馈信号的幅值来检测。比如从0到当前为止的时间为第一延迟时间delay_cnt1，由于信号均为周期函数，进而，可以对delay_cnt1进行周期取余后，得到实质延迟时间delay_cnt2。

在其他示例中，为了实质延迟时间更为精准，可以多进行几次测试。得到的实质延迟时间delay_cnt2作平均得到原始励磁参考信号的延迟delay_TimCnt。

根据本发明的一个实施例，将延时励磁参考信号作用于原始旋变反馈信号包括：

对原始旋变反馈信号乘以延时励磁参考信号中对应时刻的正负号，形成第一旋变反馈信号。

进而，相乘之后，原始旋变反馈信号中的时刻对应延时励磁参考信号中的时刻，并对幅值的正负进行修正，这样，就得到了延迟补偿后的第一旋变反馈信号。

根据本发明的一个实施例，基于包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度包括：

基于包络线中的正弦包络线和余弦包络线的比值得到正切信号；

使用CORDIC算法对正切信号进行反正切计算得到电机的第一位置角度。

需要说明的是，将解调制后的旋变反馈正弦信号，余弦信号/>相除/>，再进行反正切运算即可得到位置角/>，即/>，此处的/>即为位置角度。将旋变反馈信号比值得到的/>限制在0-1以内，通过角度预处理划分为四象限后使用CORDIC算法对0-45°以内的/>进行求解，再根据三角函数特性将0-45°的角度还原到0-360°。运算过程可通过移位进行，迭代次数为15次以保证求解角度的精度。CORDIC算法可通过调用FPGA内部资源实现，在此不针对CORDIC算法的原理做过多描述。至此可以得到转子位置角。现有软解码中关于反正切函数求解通常使用查表法，往往由于芯片存储资源限制，查表参考值存储个数受限，通过查表法求解得到的转子位置角度精度不高。若想要提高位置角度解码精度则需要更大的存储空间，故查表法需要在解码精度和存储资源这二者之间做取舍。本发明中使用的CORDIC算法进行反正切计算，相比于现有技术采用查表的方式大幅提升了求解迭代次数，进而提升了求解精度，且更适配FPGA芯片。

现软解码滤波部分大多参照DSADC原理，使用三阶观测器（相当于PID模块）进行滤波，然而由于PID需要一定的调节时间，转子位置角度是从0-2π进行周期性变化，在2π处为防止通过滤波后角度计算的转速产生突变，需要对三阶观测器进行固定周期调度，其调度频率慢于采样和解码的频率，导致角度信号更新频率受限于三阶观测器的调度频率，无法突出FPGA并行计算快速性的优势，此外，如何保证计算转速不突变的前提下进行PID三个参数调节也具有难度。并且，当转速发生大幅变动时三阶观测器输出的位置角容易出现失稳，造成软解码最终输出计算位置角度严重偏离真实的位置角度的情况，使软解码功能失效甚至发生危险情况。由此，针对上述情况下面来对第一位置角度进行滤波以及角度补偿进行说明。

根据本发明的一个实施例，对第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度包括：

使用三阶角度观测器对第一位置角度进行滤波，得到第一滤波位置角；

获取三阶角度观测器计算的第一位置角度对应的角速度，以及获取自接收到原始旋变反馈信号至得到第一滤波位置角之间的第二延迟时间；

基于角速度和第二延迟时间计算得到角度补偿量；

对第一滤波位置角进行角度补偿量的补偿，得到第二位置角度。

可以理解的是，从AD采样到三阶角度观测器滤波后得到第一滤波位置角，这个过程中会存在滤波延迟和计算上的延迟，需在最终输出时对角度进行补偿。补偿时间分为两个部分，如下公式，；/>；

其中，代表第二延迟时间，/>代表滤波延迟时间，/>代表计算过程延迟时间。将第二延迟时间/>与电角速度/>相乘便得到了延时位置角/>，将延时位置角补偿叠加在三阶角度观测器输出的位置角上作为最终角度输出。其中，滤波延迟时间和计算过程延迟时间均可以通过同步时钟的计数得到。

由于过采样，CORDIC算法计算反正切得到的第一位置角度会存在一定的波动，需要通过三阶角度观测器进行滤波。但PID滤波模块需要一定的调节时间，转子位置角度是从0-2π进行周期性变化，在2π处为防止通过滤波后角度计算的转速产生突变，需要对PID滤波模块进行固定周期调度，如何保证计算转速不突变的前提下进行PID三个参数调节也具有难度。此方法对PID三阶角度观测器进行改进，将输入和输出的位置角度进行sin和cos处理，角度误差得到如下近似，当角度误差很小时有。；本发明实施例的三阶角度观测器结构如图3所示，本质上相当于带有PID功能的积分器，其参数可按照如下公式进行设定。，其中/>代表增益，/>代表超调， />代表震荡周期，/>为第一滤波位置角，p、i、d分别对应图3中的a、b、c。

根据本发明的一个实施例，三阶角度观测器包括：第一正弦函数处理模块、第二正弦函数处理模块、第一余弦函数处理模块、第二余弦函数处理模块、第一位置角度输入模块、第一滤波位置角输出模块、偏差计算模块、滤波调整模块；

第一正弦函数处理模块对第一位置角度进行处理得到第一输入量，第一余弦函数处理模块对第一位置角度进行处理得到第二输入量/>；第二正弦函数处理模块对第一滤波位置角进行处理得到第三输入量/>，第二余弦函数处理模块对第一滤波位置角进行处理得到第四输入量/>；

偏差计算模块用于计算当前第一输入量与前一第四输入量的乘积、当前第二输入量与前一第三输入量的乘积/>之间的偏差/>；其中，；

偏差计算模块的输出作为滤波调整模块的输入，并经过滤波调整模块计算后，输出第一滤波位置角/>。

其中，图3中的为角加速度，/>为角速度。示例性的，前一第一位置角度对应的第一滤波位置角/>为2π，第一滤波位置角与当前第一位置角度0作用得到偏差，此时偏差为2π，偏差值较大。若进行三角函数处理后，sin(2π-0)仍然为0，进而，从2π向0切换时，不会出现阶跃，保持观测器的稳定性。

由此，针对现有技术使用三阶角度观测器（PID）进行滤波的方式，在观测器输入端进行处理，分别对输入信号与输出信号进行正余弦变换，使得误差信号由原先的周期性2π阶跃转变为平滑变化，并给出了PID参数设计的参考公式，改进后的三阶角度观测器参数更便于调节，且针对突加突减工况改进后的观测器稳定性更好，不会出现失控情况，加强了位置角计算的稳定性与安全性。

根据本发明的一个实施例，在获取原始旋变反馈信号之前，还包括：

控制原始励磁参考信号产生；其中，原始励磁参考信号由以下步骤产生：基于预存储的0-45°的正弦数值，根据正弦波形的对称性分别将0-45°的正弦值映射到0-90°，再将360°划分为四个象限根据角度所处不同象限调整数据的符号，产生原始励磁参考信号；

对原始励磁参考信号进行delta-sigma调制生成调制波信号；

对调制波信号进行两路正反输出，形成差分信号；

对差分信号进行滤波和放大后经由旋转变压器产生原始旋变反馈信号。

也就是说，原始励磁参考信号为10kHz正弦波，在FPGA芯片内部以.mif文件格式存储0-45°的正弦数值，根据正弦波形的对称性分别将0-45°的正弦值映射到0-90°，再将360°划分为四个象限根据角度所处不同象限调整数据的符号，使用时钟触发递增信号address_sig进行内存地址的查表，由此完成正弦参考信号的生成。将正弦参考信号比例缩放后采用delta-sigma进行调制生成调制波信号并发波，使FPGA相关引脚1输出PDM调制波，FPGA相关引脚2直接对相关引脚1的输出信号取反，得到差分信号。将两路差分信号通过二阶硬件滤波电路及放大电路，即产生了10kHz的正弦励磁信号。这种方式产生的正弦信号抗干扰能力强，信号正弦度好且信号纹波小。

其中，正弦参考信号生成公式如下：

；/>。

根据本发明的一个实施例，在获取原始旋变反馈信号之后，将延时励磁参考信号作用于原始旋变反馈信号之前，还包括：

对原始旋变反馈信号进行低通滤波，得到原始旋变反馈信号中的直流成分；

将原始旋变反馈信号减去直流成分，得到零偏校正后的原始旋变反馈信号。

也就是说，将采集信号通过低通滤波滤出信号中所含的直流成分，用AD采集的旋变反馈信号减去滤波得到的直流成分，即完成了AD采集信号的零偏校正。

总的来说，继续参考图4和图5，图4中的励磁信号产生或图5中的正弦参考信号产生（即均为原始励磁参考信号），然后经过硬件放大滤波电路的调制和滤波之后形成的信号u_ref进入旋转变压器，旋转变压器产生原始旋变反馈信号u_s和u_c，被AD信号采集，进行零偏校正，然后进行位置角度解码。图4和图5中的R1/R2/S1/S2/S3/S4均为旋转变压器的相应引脚。θ₂为第二位置角度。

由此，本发明实施例提出的信号解调制部分添加自动校零和励磁参考信号延时自动补偿功能，且正余弦包络线提取采用IIR+FIR串联的方式，保证准确性的同时滤出的信号抗干扰能力更强，连续信号适配后续的高计算频率。另外，提出在FPGA芯片上使用CORDIC算法计算反正切函数，并优化三阶角度观测器，对输入输出端进行特殊处理得到误差信号，在反应真实误差的情况下使误差信号更加平滑，不会出现周期性阶跃，更适配PID调节，避免了特殊极端工况下调节失控的情况。

实施例二

本发明实施例提出了一种电机位置角度的软解码装置，包括：

第一获取模块，用于获取原始旋变反馈信号，原始旋变反馈信号包括正弦旋变反馈信号和余弦旋变反馈信号；

第二获取模块，用于获取延时励磁参考信号；

第一计算模块，用于将延时励磁参考信号作用于原始旋变反馈信号，校正原始旋变反馈信号与原始励磁参考信号之间的延迟，形成第一旋变反馈信号；

第二计算模块，用于对第一旋变反馈信号进行IIR与FIR串联滤波计算，滤除原始励磁参考信号形成第二旋变反馈信号，提取第一旋变反馈信号的包络线；

第三计算模块，用于基于包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度；

角度补偿模块，用于对第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度，基于第二位置角度控制电机。

根据本发明的一个实施例，获取延时励磁参考信号包括：

计数模块，用于当原始励磁参考信号从0开始产生时，控制同频时钟从0进行计数；

第一延迟时间获取模块，用于并且当接收到原始旋变反馈信号时，控制同频时钟停止计数，并根据同频时钟的计数得到第一延迟时间；

实质延迟时间获取模块，用于基于第一延迟时间和原始励磁参考信号的周期得到实质延迟时间；其中，对以上步骤至少进行一次循环，当循环多次时，实质延迟时间为每次获取的实质延迟时间的平均值；

延时励磁参考信号获取模块，用于将原始励磁参考信号延时实质延迟时间后得到延时励磁参考信号。

根据本发明的一个实施例，第一计算模块用于对原始旋变反馈信号乘以延时励磁参考信号中对应时刻的正负号，形成第一旋变反馈信号。

根据本发明的一个实施例，第三计算模块用于基于包络线中的正弦包络线和余弦包络线的比值得到正切信号；使用CORDIC算法对正切信号进行反正切计算得到电机的第一位置角度。

根据本发明的一个实施例，角度补偿模块用于使用三阶角度观测器对第一位置角度进行滤波，得到第一滤波位置角；获取三阶角度观测器计算的第一位置角度对应的角速度，以及获取自接收到原始旋变反馈信号至得到第一滤波位置角之间的第二延迟时间；基于角速度和第二延迟时间计算得到角度补偿量；对第一滤波位置角进行角度补偿量的补偿，得到第二位置角度。

根据本发明的一个实施例，三阶角度观测器包括：第一正弦函数处理模块、第二正弦函数处理模块、第一余弦函数处理模块、第二余弦函数处理模块、第一位置角度输入模块、第一滤波位置角输出模块、偏差计算模块、滤波调整模块；

第一正弦函数处理模块对第一位置角度进行处理得到第一输入量，第一余弦函数处理模块对第一位置角度进行处理得到第二输入量；第二正弦函数处理模块对第一滤波位置角进行处理得到第三输入量，第二余弦函数处理模块对第一滤波位置角进行处理得到第四输入量；

偏差计算模块用于计算当前第一输入量与前一第四输入量的乘积、当前第二输入量与前一第三输入量的乘积之间的偏差；

偏差计算模块的输出作为滤波调整模块的输入，并经过滤波调整模块计算后，输出第一滤波位置角。

根据本发明的一个实施例，还包括：原始励磁参考信号产生模块，用于控制原始励磁参考信号产生；其中，原始励磁参考信号由以下步骤产生：基于预存储的0-45°的正弦数值，根据正弦波形的对称性分别将0-45°的正弦值映射到0-90°，再将360°划分为四个象限根据角度所处不同象限调整数据的符号，产生原始励磁参考信号；

对原始励磁参考信号进行delta-sigma调制生成调制波信号；

对调制波信号进行两路正反输出，形成差分信号；

对差分信号进行滤波和放大后经由旋转变压器产生原始旋变反馈信号。

根据本发明的一个实施例，在获取原始旋变反馈信号之后，将延时励磁参考信号作用于原始旋变反馈信号之前，还包括：

对原始旋变反馈信号进行低通滤波，得到原始旋变反馈信号中的直流成分；

将原始旋变反馈信号减去直流成分，得到零偏校正后的原始旋变反馈信号。

本发明实施例所提供的电机位置角度的软解码装置可执行本发明任意实施例所提供的电机位置角度的软解码方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

实施例三

本发明实施例提出了一种电子设备，所述电子设备包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例所述的电机位置角度的软解码方法。

为解决上述问题，本发明实施例提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现本发明任一实施例所述的电机位置角度的软解码方法。

图6示出了可以用来实施本发明的实施例的电子设备的结构示意图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备（如头盔、眼镜、手表等）和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。

如图6所示，电子设备10包括至少一个处理器11，以及与至少一个处理器11通信连接的存储器，如只读存储器（ROM）12、随机访问存储器（RAM）13等，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，处理器11可以根据存储在只读存储器（ROM）12中的计算机程序或者从存储单元18加载到随机访问存储器（RAM）13中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在随机访问存储器（RAM）13中，还可存储电子设备10操作所需的各种程序和数据。处理器11、只读存储器（ROM）12以及随机访问存储器（RAM）13通过总线14彼此相连。输入/输出（I/O）接口15也连接至总线14。

电子设备10中的多个部件连接至输入/输出（I/O）接口15，包括：输入单元16，例如键盘、鼠标等；输出单元17，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元18，例如磁盘、光盘等；以及通信单元19，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元19允许电子设备10通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

处理器11可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。处理器11的一些示例包括但不限于中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、各种专用的人工智能（AI）计算芯片、各种运行机器学习模型算法的处理器、数字信号处理器（DSP）、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。处理器11执行上文所描述的各个方法和处理，例如电机位置角度的软解码方法。

在一些实施例中，电机位置角度的软解码方法可被实现为计算机程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质，例如存储单元18。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由只读存储器（ROM）12和/或通信单元19而被载入和/或安装到电子设备10上。当计算机程序加载到随机访问存储器（RAM）13并由处理器11执行时，可以执行上文描述的电机位置角度的软解码方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，处理器11可以通过其他任何适当的方式（例如，借助于固件）而被配置为执行电机位置角度的软解码方法。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在以场可编程门阵列（FPGA）为基础，以及数字电子电路系统、集成电路系统、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、芯片上系统的系统（SOC）、负载可编程逻辑设备（CPLD）、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本发明的方法的计算机程序可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，使得计算机程序当由处理器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。计算机程序可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的计算机程序。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。备选地，计算机可读存储介质可以是机器可读信号介质。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在电子设备上实施此处描述的系统和技术，该电子设备具有：用于向用户显示信息的显示装置（例如，CRT（阴极射线管）或者LCD（液晶显示器）监视器）；以及键盘和指向装置（例如，鼠标或者轨迹球），用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给电子设备。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈（例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈）；并且可以用任何形式（包括声输入、语音输入或者、触觉输入）来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统（例如，作为数据服务器）、或者包括中间件部件的计算系统（例如，应用服务器）、或者包括前端部件的计算系统（例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互）、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信（例如，通信网络）来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网（LAN）、广域网（WAN）、区块链网络和互联网。

计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。

综上所述，根据本发明实施例提出的电机位置角度的软解码方法、装置、设备和介质，其中方法包括：获取原始旋变反馈信号；获取延时励磁参考信号；将延时励磁参考信号作用于原始旋变反馈信号，校正原始旋变反馈信号与原始励磁参考信号之间的延迟，形成第一旋变反馈信号；对第一旋变反馈信号进行IIR与FIR串联滤波计算，滤除原始励磁参考信号形成第二旋变反馈信号，提取第一旋变反馈信号的包络线；基于包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度；对第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度，基于第二位置角度控制电机。由此，通过滤波计算提取包络线时，可以对原始旋变反馈信号进行过采样，不再受仅在峰值采样的局限，缩短了采样周期，减少了采样信号的波动，提升了解调信号的精度。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电机位置角度的软解码方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取原始旋变反馈信号，所述原始旋变反馈信号包括正弦旋变反馈信号和余弦旋变反馈信号；

获取延时励磁参考信号；

将所述延时励磁参考信号作用于所述原始旋变反馈信号，校正所述原始旋变反馈信号与原始励磁参考信号之间的延迟，形成第一旋变反馈信号；

对所述第一旋变反馈信号进行IIR与FIR串联滤波计算，滤除所述原始励磁参考信号形成第二旋变反馈信号，提取所述第一旋变反馈信号的包络线；

基于所述包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度；

对所述第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度，基于所述第二位置角度控制所述电机；

所述获取延时励磁参考信号包括以下步骤：

当原始励磁参考信号从0开始产生时，控制同频时钟从0进行计数；

并且当接收到所述原始旋变反馈信号时，控制所述同频时钟停止计数，并根据所述同频时钟的计数得到第一延迟时间；

基于所述第一延迟时间和所述原始励磁参考信号的周期得到实质延迟时间；其中，对以上步骤至少进行一次循环，当循环多次时，所述实质延迟时间为每次获取的所述实质延迟时间的平均值；

将所述原始励磁参考信号延时实质延迟时间后得到所述延时励磁参考信号。

2.根据权利要求1所述的电机位置角度的软解码方法，其特征在于，所述将所述延时励磁参考信号作用于所述原始旋变反馈信号包括：

对所述原始旋变反馈信号乘以所述延时励磁参考信号中对应时刻的正负号，形成所述第一旋变反馈信号。

3.根据权利要求1所述的电机位置角度的软解码方法，其特征在于，所述基于所述包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度包括：

基于所述包络线中的正弦包络线和余弦包络线的比值得到正切信号；

使用CORDIC算法对所述正切信号进行反正切计算得到电机的第一位置角度。

4.根据权利要求1所述的电机位置角度的软解码方法，其特征在于，所述对所述第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度包括：

使用三阶角度观测器对所述第一位置角度进行滤波，得到第一滤波位置角；

获取所述三阶角度观测器计算的所述第一位置角度对应的角速度，以及获取自接收到所述原始旋变反馈信号至得到所述第一滤波位置角之间的第二延迟时间；

基于所述角速度和所述第二延迟时间计算得到角度补偿量；

对所述第一滤波位置角进行所述角度补偿量的补偿，得到所述第二位置角度。

5.根据权利要求4所述的电机位置角度的软解码方法，其特征在于，所述三阶角度观测器包括：第一正弦函数处理模块、第二正弦函数处理模块、第一余弦函数处理模块、第二余弦函数处理模块、第一位置角度输入模块、第一滤波位置角输出模块、偏差计算模块、滤波调整模块；

所述第一正弦函数处理模块对所述第一位置角度进行处理得到第一输入量，所述第一余弦函数处理模块对所述第一位置角度进行处理得到第二输入量；所述第二正弦函数处理模块对所述第一滤波位置角进行处理得到第三输入量，所述第二余弦函数处理模块对所述第一滤波位置角进行处理得到第四输入量；

所述偏差计算模块用于计算当前所述第一输入量与前一所述第四输入量的乘积、当前所述第二输入量与前一所述第三输入量的乘积之间的偏差；

所述偏差计算模块的输出作为所述滤波调整模块的输入，并经过所述滤波调整模块计算后，输出所述第一滤波位置角。

6.根据权利要求1所述的电机位置角度的软解码方法，其特征在于，在获取原始旋变反馈信号之前，还包括：

控制所述原始励磁参考信号产生；其中，所述原始励磁参考信号由以下步骤产生：基于预存储的0-45°的正弦数值，根据正弦波形的对称性分别将0-45°的正弦值映射到0-90°，再将360°划分为四个象限根据角度所处不同象限调整数据的符号，产生所述原始励磁参考信号；

对所述原始励磁参考信号进行delta-sigma调制生成调制波信号；

对所述调制波信号进行两路正反输出，形成差分信号；

对所述差分信号进行滤波和放大后经由旋转变压器产生所述原始旋变反馈信号。

7.根据权利要求1所述的电机位置角度的软解码方法，其特征在于，在获取原始旋变反馈信号之后，将所述延时励磁参考信号作用于所述原始旋变反馈信号之前，还包括：

对所述原始旋变反馈信号进行低通滤波，得到所述原始旋变反馈信号中的直流成分；

将所述原始旋变反馈信号减去所述直流成分，得到零偏校正后的所述原始旋变反馈信号。

8.一种电机位置角度的软解码装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取原始旋变反馈信号，所述原始旋变反馈信号包括正弦旋变反馈信号和余弦旋变反馈信号；

第二获取模块，用于获取延时励磁参考信号；

第一计算模块，用于将所述延时励磁参考信号作用于所述原始旋变反馈信号，校正所述原始旋变反馈信号与原始励磁参考信号之间的延迟，形成第一旋变反馈信号；

第二计算模块，用于对所述第一旋变反馈信号进行IIR与FIR串联滤波计算，滤除所述原始励磁参考信号形成第二旋变反馈信号，提取所述第一旋变反馈信号的包络线；

第三计算模块，用于基于所述包络线进行反正切计算得到电机的第一位置角度；

角度补偿模块，用于对所述第一位置角度进行滤波以及角度补偿，得到电机的第二位置角度，基于所述第二位置角度控制所述电机；

所述获取延时励磁参考信号包括以下步骤：

当原始励磁参考信号从0开始产生时，控制同频时钟从0进行计数；

并且当接收到所述原始旋变反馈信号时，控制所述同频时钟停止计数，并根据所述同频时钟的计数得到第一延迟时间；

基于所述第一延迟时间和所述原始励磁参考信号的周期得到实质延迟时间；其中，对以上步骤至少进行一次循环，当循环多次时，所述实质延迟时间为每次获取的所述实质延迟时间的平均值；

将所述原始励磁参考信号延时实质延迟时间后得到所述延时励磁参考信号。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-7中任一项所述的电机位置角度的软解码方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的电机位置角度的软解码方法。