CN220830399U - 用于旋转变压器的驱动电路、旋转变压装置和车辆 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于旋转变压器的驱动电路、旋转变压装置和车辆，所述驱动电路包括信号提供模块以及相位调节模块。所述信号提供模块与所述旋转变压器的励磁线圈的两端相连接，配置成为所述旋转变压器提供驱动电压信号。所述相位调节模块与所述励磁线圈并联连接，所述相位调节模块包括串联连接的电阻单元和电容单元。本申请的用于旋转变压器的驱动电路能够抑制因驱动电路的电压和电流之间存在相位角而产生的额外能量消耗。

Description

用于旋转变压器的驱动电路、旋转变压装置和车辆

技术领域

本申请涉及电子技术领域，具体而言，涉及用于旋转变压器的驱动电路、旋转变压装置和车辆。

背景技术

旋转变压器用于精确测量角度，因其在恶劣环境下仍然具有较好的特性，被广泛应用在新能源汽车上。旋转变压器基于初级绕组和次级绕组的耦合量随旋转角度变化而改变的特性工作。

旋转变压器因其转子定子分离，防护等级高，使用寿命长的特点，成为主流的新能源汽车角度信息获取方案。在主驱电机的复杂电磁环境下，往往需要抬高驱动电路的工作电压去应对，这就使得驱动电路消耗很大的功率，这对驱动电路的功率运放提出了很高的要求，市面上驱动电流超过200mA的车规运放型号很少，导致必须采用分立器件设计，造成硬件电路成本高可靠性差。

实用新型内容

本申请的实施例提供了一种用于旋转变压器的驱动电路、旋转变压装置和车辆。在利用驱动电压信号输入旋转变压器的初级绕组来驱动旋转变压器工作的情况下，由于驱动电路的电压和电流之间存在相位角，因而驱动电路容易产生额外的能量消耗。本申请实施例提供的用于旋转变压器的驱动电路能够抑制因上述原因所产生的能量消耗，从而拓展驱动电路的适用范围。

根据本申请的一方面，提供一种用于旋转变压器的驱动电路，所述驱动电路包括：信号提供模块，所述信号提供模块与所述旋转变压器的励磁线圈的两端相连接，配置成为所述旋转变压器提供驱动电压信号；以及相位调节模块，所述相位调节模块与所述励磁线圈并联连接，所述相位调节模块包括串联连接的电阻单元和电容单元。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述电阻单元的电阻值R₁和所述电容单元的电容值C₁配置成使得所述驱动电路的电压与电流之间的相位角为0°或者近似0°。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述电阻值R₁和所述电容值C₁基于如下的关系公式来配置：

其中U(ω)表示所述驱动电压信号的电压，I*(ω)表示所述驱动电路的电流，R_sr表示所述励磁线圈的电阻性特征阻抗，jωL_sl表示所述励磁线圈的电感性特征阻抗，1/jωC₁表示所述电容单元的容抗，并且其中ω＝2πf，f表示所述驱动电压信号的频率。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述电阻单元的所述电阻值R₁由一个或多个电阻器确定。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述电容单元的所述电容值C₁由一个或多个具有标准电容值参数的电容器来确定。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述标准电容值参数为选自1nF-1μF的电容值。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述f取值为5kHz～20kHz。

在本申请的一些实施例中，可选地，所述信号提供模块包括第一功率运放和第二功率运放，所述第一功率运放和所述第二功率运放分别连接到所述励磁线圈的两端。

根据本申请的另一方面，提供一种旋转变压装置，所述旋转变压装置包括：旋转变压器；以及如上文所述的任意一种驱动电路。

根据本申请的又一方面，提供一种车辆，所述车辆包括如上文所述的任意一种旋转变压装置。

本申请提出的用于旋转变压器的驱动电路在旋转变压器的初级绕组的输入端并联了相位调节模块，从而实现了驱动电路的电压和电流之间的相位调节，改善了驱动电路的负载功率因数，实现了无功功率的降低，拓展了驱动电路的适用范围，使得用于旋转变压器的驱动电路更加节能可靠。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本申请的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1示出了根据本申请的一个实施例的旋转变压装置的示意图；

图2示出了在未设置相位调节模块的情况下驱动电路的电压与电流的相位波形变化示意图；以及

图3示出了在设置有相位调节模块的情况下驱动电路的电压与电流的相位波形变化示意图。

具体实施方式

出于简洁和说明性目的，本文主要参考其示范实施例来描述本申请的原理。但是，本领域技术人员将容易地认识到相同的原理可等效地应用于所有类型的用于旋转变压器的驱动电路、旋转变压装置和车辆，并且可以在其中实施这些相同或相似的原理，任何此类变化不背离本申请的真实精神和范围。

下面将结合图1来描述本申请的一个实施例的旋转变压装置100。

图1示出了根据本申请的一个实施例的旋转变压装置100。如图1所示，旋转变压装置100包括驱动电路110和旋转变压器120。

旋转变压器120包括定子122和转子124。定子122上设有一个初级绕组和两个次级绕组。为了简化图示，图1用初级绕组和次级绕组来表示定子122。如图1所示，一个初级绕组为初级绕组T1，两个次级绕组分别为次级绕组SIN和次级绕组COS。初级绕组T1用于接受励磁电压，为了方便描述，本文中也将“初级绕组”称为“励磁线圈”。旋转变压器120可以在励磁电压的驱动下处于工作状态，本文将“励磁电压”称为“驱动电压信号”。

如图1所示，驱动电路110与励磁线圈T1的两端相连接，能够为励磁线圈T1提供励磁电压。本文还可以将“驱动电路”称为“励磁电路”。在一些实施例中，驱动电路110可以包括信号提供模块112，以通过信号提供模块112来为旋转变压器120提供励磁电压。如图1所示，信号提供模块112可以与励磁线圈T1的两端相连接。

在一些实施例中，信号提供模块112可以包括第一功率运放U1和第二功率运放U2，其中第一功率运放U1和第二功率运放U2分别连接到励磁线圈T1的两端。励磁电路110可以由第一功率运放U1和第二功率运放U2产生的驱动电压信号驱动旋转变压器120工作。在其它一些实施例中，信号提供模块112可以配置为通过其它的构造来为旋转变压器120的励磁线圈T1提供驱动电压信号。作为示例，驱动电压信号可以是正弦电压信号。

旋转变压器120的初级绕组T1在接收到来自信号提供模块112的励磁电压的驱动下，旋转变压器120可以处于工作状态。在旋转变压器120工作期间，随着转子124的角位移θ发生变化，旋转变压器120中的初级绕组T1和次级绕组的耦合量也发生变化，继而旋转变压器120的输出电压也发生变化。基于此，旋转变压器120可以用来测量旋转物体的角位移θ。

如上文所描述的实施例，励磁电路110产生的正弦电压信号可以输入给旋转变压器120的初级绕组T1供耦合使用。然而，为提升励磁电路110在恶劣环境下的抗扰能力，励磁电路110产生的正弦电压信号的幅值通常设定较高，这往往导致励磁电路110的能耗增加，并对励磁电路110的设计带来挑战。

为了抑制驱动电路110的能量损耗，本申请在驱动电路110中配置了相位调节模块114。如图1所示，相位调节模块114与励磁线圈T1并联连接。通过将相位调节模块114与励磁线圈T1并联连接，可以调节驱动电路110中电压与电流之间的相位差，从而降低信号提供模块112中的运放损耗，实现驱动电路110的设计性能和成本的优化。需要说明的是，针对图1中所示出的旋转变压装置100，本文中所称的驱动电路110的电压等于由信号提供模块112所提供的励磁电压。另外，本文中所称的驱动电路110的电流为驱动电路110主路上的电流。针对图1中所示出的旋转变压装置100，驱动电路110的电流大致等于流经相位调节模块114的支路电流与流经励磁线圈T1的支路电流的总和。

如图1所示，相位调节模块114可以包括串联连接的电阻单元R1和电容单元C1。在一些实施例中，为了消除驱动电路110中的电压与电流之间的相位角，可以合理地调节电阻单元R1的电阻值R₁以及电容单元C1的电容值C₁的大小，以将电阻单元R1的电阻值R₁和电容单元C1的电容值C₁配置成使得驱动电路110的电压与电流之间的相位角为0°或者近似0°。本文中所称的“近似0°”是本领域技术人员认为能够大致消除驱动电路110中的电压与电流之间的相位角以降低运放损耗的度数。具体地，本文中“近似0°”可以是指电压与电流之间的相位角的差值在±10°以内，例如，在±5°以内。

在图1中所示的示例中，电阻单元R1包括一个电阻器。相应地，电阻单元R1的电阻值R₁由一个电阻器的配置来确定。在其它示例中，电阻单元R1可以包括多个电阻器。相应地，电阻值R₁可以由多个电阻器的共同配置来确定。在一些实施例中，电阻值R₁可以是选自10Ω-200Ω中的任何电阻值。可选地，电阻值R₁可以是选自20Ω-60Ω中的任何电阻值。

另外，在图1中所示的示例中，电容单元C1包括一个电容器。相应地，电容单元C1的电容值C₁由一个电容器的配置来确定。在其它示例中，电容单元C1可以包括多个电容器。相应地，电容值C₁可以由多个电容器的共同配置来确定。在一些实施例中，构成电容单元C1的一个或多个电容器可以是具有标准电容值参数的电容器。可选地，标准电容值参数可以是选自1nF-1μF中的任何电容值。例如，标准电容值参数可以包括以下任何一项或多项电容值：1nF、4.7nF、10nF、22nF、33nF、47nF、68nF、100nF、150nF、220nF、330nF、470nF。在其它示例中，电容单元C1可以包括具有其它标准电容值参数的电容器。在一些实施例中，电容值C₁可以是选自47nF-1μF中的任何电容值。可选地，电容值C₁可以是选自100nF-200nF中的任何电容值。作为示例，在电容值C₁为147nF的情况下，电容单元C1可以由标准电容值参数为100nF的电容器和标准电容值参数为47nF的电容器共同构成。

本申请通过在驱动电路110中设置相位调节模块114来针对驱动电路110实施相位调节，从而使得驱动电路110的电压与电流之间的相位角为0°或者近似0°，以降低驱动电路110中的无功功耗，实现降低驱动电路110功耗的目的。

接下来将结合图2和图3来描述相位调节模块114对驱动电路110的电压和电流之间的相位角的影响。

图2示出了在未设置相位调节模块114的情况下驱动电路110的电压与电流的相位波形变化示意图。如图2所示，在驱动电压信号是正弦电压信号的情况下，驱动电路110的电压与驱动电压信号一致，也是正弦电压。针对驱动电路110，记信号提供模块112向励磁线圈T1提供的电压为U(ω)，其中ω＝2πf，f表示驱动电压信号的频率。在一些实施例中，f可以取5～20kHz中的任何值。例如，f的取值可以是10kHz或者可以是9.8kHz，在其它实施例中，f的取值也可以是其它值。

根据旋转变压器120的固有特性，在励磁线圈T1接入驱动电路110以接收来自信号提供模块112的驱动电压信号的情况下，励磁线圈T1具有电阻性特征阻抗以及电感性特征阻抗。本文将励磁线圈T1的电阻性特征阻抗记为R_sr，并且将励磁线圈T1的电感性特征阻抗记为jωL_sl，其中L_sl表示励磁线圈T1的电感系数。在一些实施例中，R_sr可以是10Ω-200Ω中的任何值。可选地，R_sr可以是20Ω至60Ω中的任何值。在一些实施例中，L_sl可以是0.5mH至10mH中的任何值。可选地，L_sl可以是1mH至2mH中的任何值。需要说明的是，励磁线圈T1的电阻性特征阻抗R_sr以及电感系数L_sl是励磁线圈T1的固有参数。在其它实施例中，R_sr和L_sl可以是其它任何适当的值。

针对图1所示的旋转变压装置100，在驱动电路110中未设置相位调节模块114的情况下，可以通过如下的式(1)来描述驱动电路110的电压U(ω)与电流I(ω)之间的关系：

结合式(1)可以看到，针对图1所示的旋转变压装置100，在驱动电路110中未设置相位调节模块114的情况下，驱动电路110的电流I(ω)大致等于流经励磁线圈T1的电流。

根据式(1)，可以绘图得到在未设置相位调节模块114的情况下电压U(ω)与电流I(ω)的相位波形变化示意图图2。也就是说，图2示出的电压U(ω)与电流I(ω)的相位波形变化对应于驱动电路110中未设置相位调节模块114的情形。如图2所示，在未设置相位调节模块114的情况下，驱动电路110的电压U(ω)与电流I(ω)之间存在相位差，即，两者的相位角不为0°。

在未设置相位调节模块114的情况下，本文将驱动电路110的电压相位Φ(U)与电流相位Φ(I)之间的关系通过如下的式(2)来表达：

|Φ(U)-Φ(I)|＞＞0° (2)

旋转变压器110的励磁线圈T1因自身特性作为一种感性负载，其阻抗主要分为电感性和电阻性，其中励磁线圈T1的电流变化滞后于电压变化。这种滞后性导致了电压U(ω)与电流I(ω)之间存在相位角，使得驱动电路110的电压相位Φ(U)与电流相位Φ(I)之间的相位角不为0°，从而导致了驱动电路110的无功功耗的存在，以至于提升了驱动电路110的驱动功率，降低了驱动电路110的驱动效率。

根据信号提供模块112的功率运放的输出特性，只有当驱动电路110的电压和电流相位角接近或等于0°时，其功率运放自身的能量消耗才最小。也就是说，电压相位Φ(U)与电流相位Φ(I)之间的相位角不为0°会导致驱动电路110中产生额外的能量消耗，从而增大了功率运放的散热需求，甚至导致额外的参数和成本需求。

图3示出了在设置有相位调节模块114的情况下驱动电路110的电压与电流的相位波形变化示意图。在驱动电路110中设置相位调节模块114，可以针对驱动电路110实现功耗抑制的作用。

结合图1可以看到，相位调节模块114并联在旋转变压器120的励磁线圈T1的两端。其中，相位调节模块114可以包括串联连接的电阻单元R1和电容单元C1。根据电容单元C1的固有特性，在电容单元C1接入到驱动电路110以接收来自信号提供模块112的驱动电压信号的情况下，电容单元C1具有容抗。本文将电容单元C1的容抗记为1/jωC₁，其中ω＝2πf，f表示驱动电压信号的频率，C₁表示电容单元C1的电容值。

需要说明的是，由于信号提供模块112向励磁线圈T1提供的电压不受相位调节模块114的影响，因此，在驱动电路110中未设置相位调节模块114以及设置有相位调节模块114的这两种情形中，驱动电路110提供的电压都相同，本文均可以将其记为U(ω)。然而，相位调节模块114的设置会影响到驱动电路110的电流。在驱动电路110中未设置有相位调节模块114的情形中，驱动电路110的电流大致等于流经励磁线圈T1的电流，本文将该电流记为I(ω)。在驱动电路110中设置有相位调节模块114的情形中，驱动电路110的电流大致等于流经相位调节模块114的支路电流与流经励磁线圈T1的支路电流的总和，本文将该电流记为I^*(ω)。

在驱动电路110中设置相位调节模块114的情况下，可以通过如下的式(3)来描述驱动电路110的电压U(ω)与电流I^*(ω)之间的关系：

其中(R_sr+jωL_sl)||(R₁+1/jωC₁)表示串联连接的电阻单元R1和电容单元C1在与励磁线圈T1并联连接后，电阻单元R1、电容单元C1和励磁线圈T1这三者所形成的总阻值。

根据励磁线圈T1的阻抗特性，通过并联电阻单元R1和电容单元C1的方式可实现驱动电路110中功率因数的调节，从而降低或者消除励磁运放的电压和电流的相位角，降低运放损耗，实现设计性能和成本的优化。

在已知驱动电压信号的状态的情况下，由于ω由驱动电压信号的频率确定，U(ω)表示驱动电压信号的电压，因而ω和U(ω)均是已知的。另外，由于R_sr和L_sl均基于励磁线圈T1的阻抗特性来确定，因而也是已知的。结合式(3)可以看出，在ω、U(ω)、R_sr和L_sl都是已知的情况下，通过合理地调节和配置R₁和C₁的值，可以使得驱动电路110的电压U(ω)与电流I^*(ω)之间的相位角为0°或者近似0°。例如，可以通过调节相位调节模块114中的电阻单元R1和电容单元C1来逐步减小驱动电路110的电压U(ω)与电流I^*(ω)的相位角，以至于可以实现驱动电路110的电压U(ω)与电流I^*(ω)的相位角的消除。

由此可知，相位调节模块114中的电阻单元R1的电阻值R₁和电容单元C1的电容值C₁可以根据旋转变压装置100的特性进行特征参数匹配而确定。考虑到不同的旋转变压器120具有不同的旋变参数(例如，不同的旋转变压器120中的励磁线圈T1具有不同的R_sr和L_sl)，并且考虑到不同的驱动电路110具有不同的驱动参数(例如，不同的驱动电路110产生的驱动电压信号具有不同的ω和U(ω))，需要针对不同的旋转变压器120和不同的驱动电路110在相位调节模块114中适配具有合适电阻值R₁大小的电阻单元R1和具有合适电容值C₁大小的电容单元C1，以实现相位调节模块114的功耗抑制能力。

根据式(3)，可以绘图得到在合理设置相位调节模块114的情况下电压U(ω)与电流I^*(ω)的相位波形变化示意图图3。如图3所示，在基于式(3)合理配置相位调节模块114的情况下，驱动电路110的电压U(ω)与电流I^*(ω)之间的相位角可以为0°。在基于式(3)来合理配置相位调节模块114中的电阻单元R1的电阻值R₁大小和电容单元C1的电容值C₁大小的情况下，驱动电路110的电压相位Φ(U)与电流相位Φ(I^*)之间的关系可以通过如下的式(4)来表达：

|Φ(U)-Φ(I^*)|≈0° (4)

需要说明的是，由于相位调节模块114的设置不会影响到驱动电路110的电压相位，但是会影响到电流相位，因此，结合式(2)和式(4)可以看到，无论驱动电路110中是否设置有相位调节模块114，电压相位均由Φ(U)来表示，另外，针对驱动电路110中未设置相位调节模块114的情形，本文将驱动电路110的电流相位记为Φ(I)，针对驱动电路110中设置有相位调节模块114的情形，本文将驱动电路110的电流相位记为Φ(I^*)。

在驱动电路110中设置有相位调节模块114的情况下，通过合理地配置相位调节模块114中电阻单元R1的电阻值R₁以及电容单元C1的电容值C₁，可以使得驱动电路110的电压U(ω)与电流I^*(ω)之间的相位角为0°或者近似0°，从而达到无功功耗的消除或降低。

如上文的实施例中所描述的，电容单元C1可以包括一个或多个具有标准电容值参数的电容器。可选地，标准电容值参数可以是选自1nF-1μF中的任何电容值，例如，标准电容值参数可以包括：1nF、4.7nF、10nF、22nF、33nF、47nF、68nF、100nF、150nF、220nF、330nF、或470nF。也就是说，在电容单元C1由具有标准电容值参数的电容器组成的情况下，电容单元C1的电容值C₁可以由一个或多个具有标准电容值参数的电容器来共同确定。基于式(3)，使用具有标准电容值参数的电容器来组成电容单元C1既可以满足降低或消除驱动电路110的电压和电流的相位角的目的，又可以有效地降低相位调节模块114的构建成本。

在基于式(3)从具有标准电容值参数的电容器中选定合适的电容器来组成电容单元C1的基础上，可以获取到电容单元C1当前确定的电容值C₁。另外，在电容单元C1的电容值C₁已经确定的基础上，可以进一步基于式(3)来选取合适的电阻值R₁，从而有效地调节驱动电路110中的功率因数，使得电压和电流的相位角为0°或者近似0°。基于选定的电阻值R₁，可以选择一个或多个合适阻值的电阻器来组成电阻单元R1。

也就是说，基于式(3)来确定电容单元C1的电容值C₁和电阻单元R1的电阻值R₁以使得电压U(ω)与电流I^*(ω)之间的相位角为0°或者近似0°是确定电容单元C1的电容值C₁和电阻单元R1的电阻值R₁的总原则。在此基础上，在一些实施例中，可以先从具有标准电容值参数的电容器中选定合适的电容器来组成电容单元C1以确定最合适的电容值C₁，再基于已确定的电容值C₁来确定电阻单元R1的电阻值R₁。

通过在驱动电路110中设置相位调节模块114，可以抑制或消除驱动电路110中的电压相位Φ(U)与电流相位Φ(I^*)之间的相位角，从而抑制因驱动电路110的电压和电流间存在相位角而导致的驱动电路110的额外的能量消耗。

本申请提供了一种用于旋转变压器120的驱动电路110，其在励磁线圈T1的两端并联相位调节模块114，能够通过调节驱动电路110的功率因数实现旋转变压器120驱动功耗的降低，从而拓展驱动电路110的适用范围，起到提升驱动电路110的适用性且更加节能可靠的作用。

本申请还提供了一种车辆，所述车辆包括如上文所述的任意一种本申请实施例的旋转变压装置100。本申请中所称的车辆可以是具有至少由电池、功率变换设备以及驱动电机组成的驱动系统的任何适当的车辆，例如，混合动力汽车、电动车、插电式混动电动车等。混合动力汽车是一种具有两个或更多功率源的车辆，例如汽油动力和电动车辆。

以上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此。本领域的技术人员可以根据本申请所披露的技术范围想到其他可行的变化或替换，此等变化或替换皆涵盖于本申请的保护范围之中。在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征还可以相互组合。本申请的保护范围以权利要求的记载为准。

Claims (10)

1.一种用于旋转变压器的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括：

信号提供模块，所述信号提供模块与所述旋转变压器的励磁线圈的两端相连接，配置成为所述旋转变压器提供驱动电压信号；以及

相位调节模块，所述相位调节模块与所述励磁线圈并联连接，所述相位调节模块包括串联连接的电阻单元和电容单元。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述电阻单元的电阻值R₁和所述电容单元的电容值C₁配置成使得所述驱动电路的电压与电流之间的相位角为0°或者近似0°。

3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述电阻值R₁和所述电容值C₁基于如下的关系公式来配置：

其中U(ω)表示所述驱动电压信号的电压，I^*(ω)表示所述驱动电路的电流，R_sr表示所述励磁线圈的电阻性特征阻抗，jωL_sl表示所述励磁线圈的电感性特征阻抗，1/jωC₁表示所述电容单元的容抗，并且其中ω＝2πf，f表示所述驱动电压信号的频率。

4.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述电阻单元包括一个或多个电阻器。

5.根据权利要求4所述的驱动电路，其特征在于，所述电容单元包括一个或多个具有标准电容值参数的电容器。

6.根据权利要求5所述的驱动电路，其特征在于，所述标准电容值参数为选自1nF-1μF的电容值。

7.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述f取值为5kHz～20kHz。

8.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述信号提供模块包括第一功率运放和第二功率运放，所述第一功率运放和所述第二功率运放分别连接到所述励磁线圈的两端。

9.一种旋转变压装置，其特征在于，所述旋转变压装置包括：

旋转变压器；以及

如权利要求1-8中任一项所述的驱动电路。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求9所述的旋转变压装置。