[发明专利]旋转变压器位置测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及旋转变压器技术领域，尤其涉及旋转变压器通过软件解码得到位置信息的测量系统及方法。

背景技术

旋转变压器作为一种角度位置传感器，由于其具有高可靠性以及高精度的优点，广泛应用于各类运动伺服控制系统中，如家用电器，工业生产过程以及电动汽车等。

由于旋转变压器直接输出的信号是两路正交的正弦信号，不能直接用来得到位置信息，需要经过解码过程得到位置信息。传统的旋转变压器主要采用硬件解码电路和专用的解码芯片，一旦解码电路出现故障，则整个系统不能正常工作，这样就降低了旋转变压器位置测量系统的可靠性。

目前关于旋转变压器的专利主要集中在设计适用于各种特殊工况的传感器结构上，如专利200920105933.1设计了一种适用于测井仪器的旋转变压器结构，以及对硬件电路做出相应的改进上，如专利201020121701.8设计了一种通用的旋转变压器解码装置。它们都没有很好的解决系统完全依赖硬件解码电路而造成的可靠性下降的问题。

随着旋转变压器的应用范围越来越广泛，特别是随着电动汽车的推广，旋转变压器的可靠性也越来越受到重视。同时，随着高性能、低成本的嵌入式处理器的出现和推广，在使用硬件解码电路的同时，利用软件对旋转变压器输出的正弦信号进行解码为解决如何提高旋转变压器的可靠性的问题提供一个理想的途径。

目前已有一些关于旋转变压器软件解码技术的文献，其中，在华中科技大学的一篇硕士论文《旋转变压器信号处理与设计》中，讨论了一种基于DSP芯片的旋转变压器软件解码技术，文中利用DSP芯片的数字信号处理能力，设计了一种解算反正切函数的算法。然而整个算法较为复杂，运算量较大，并且反正切运算对输入信号的干扰十分敏感，一旦输入信号出现小的波动，输出就会出现较大的偏差，整个系统难以稳定。

杂志《微特电机》上的一篇论文《一种高精度、低成本旋转变压器信号解算器设计》采用了查表法来处理对反正切函数的计算，简化了计算过程，但是增加了对DSP芯片存储空间的要求。

同时，重庆大学的一篇硕士论文《基于FPGA的旋转变压器解码算法与系统设计》利用了FPGA的硬件资源进行反正切的运算，它的优点是运算速度快，但是采用FPGA大大增加了系统的成本。

从以上三篇文献可以看出，目前的旋转变压器软件解码算法大多数都采用的是计算反正切函数这一途径，这就不可避免的带来了抗干扰性较差的问题。

发明内容

在本发明不采用反正切计算的方法，而是利用了控制理论中经典的PI控制思想，设计了一个闭环位置估计系统，从而保证了系统的稳定性。

本发明的目的就是设计一种基于嵌入式处理器平台，采用软件方式对旋转变压器输出的两路正交正弦信号进行解调，从而得到位置信号的方案，使旋转变压器在硬件解码电路失效的情况下，能继续正常工作，增加位置测量系统的冗余度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种旋转变压器位置测量系统，包括：信号处理电路、硬件解码电路和单片机；其中，信号处理电路与旋转变压器、单片机电连接，用于接收并处理旋转变压器的激励信号以及两路正交正弦信号，并分别输出到单片机的I/O端口以及快速A/D采样模块的两个输入通道；硬件解码电路与旋转变压器、单片机电连接，用于将旋转变压器位置信息解码后生成位置信号输出到单片机的SPI通信接口。

优选的，所述信号处理电路主要由响应信号调理电路构成，响应信号调理电路中两路正交正弦信号通过高精度的电阻与运算放大器输入端相连，经过比例缩小以及直流偏置转化为适合单片机直接采集的信号；硬件解码电路输出的直流参考信号经过比例运放为响应信号调理电路提供直流偏置信号；激励信号通过信号处理电路中的比较器转化为高低电平，并且经过电阻分压后输入给施密特触发器，为单片机提供逻辑电平。

优选的，所述单片机为英飞凌单片机TC1767，TC1767的FADC模块设置为差分输入模式，正端的输入为经过调理的响应信号，负端的输入为响应信号调理电路中的直流偏置电压。

优选的，所述旋转变压器位置测量系统还包括一个解码模块，其设置在单片机中，其主要包括三个部分：外差法、低通滤波器和PI调节器；外差法用于将真实位置信号的绝对值转换成角度误差的形式，便于PI调节器进行调节；低通滤波器用于将位置信号与高频激励信号分离开；PI调节器则不断的控制位置角度误差趋近于零，从而达到跟踪位置的目的。

优选的，所述低通滤波器采用二阶巴特沃斯低通滤波器以滤除高频信号。

优选的，所述PI控制器还包含有一个积分环节。