CN101135573A - 旋转变压器数字转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转变压器数字转换器，可实现对旋转变压器(2)输出信号的精确解调，由信号调理模块(3)、相敏检测器(4)、增益发生器(6)和状态观测器(5)组成。信号调理模块(3)将旋转变压器(2)的输出信号进行幅值调理、模数转换，同时与励磁信号发生器(7)输出的励磁信号进行过零比较，输出电压基值；相敏检测器(4)可根据旋转变压器(2)输出信号及状态观测器(5)输出的角度值，生成包含相位信息的误差信号；增益发生器(6)根据信号调理模块(3)的输出信号，计算出状态观测器(5)所需的增益系数；状态观测器(5)根据上述误差信号和增益系数，解调出电机转子的被测角度和角速度。本发明采用处理器芯片与编译软件的方式进行解调，抗干扰能力强、精度高。

Description

旋转变压器数字转换器

技术领域

本发明涉及一种数字转换器，更特别地说，是指一种实现对旋转变压器器输出信号的解调，在伺服控制***中应用的旋转变压器(位置传感器)数字转换器。

背景技术

旋转变压器由铁心、两个定子线圈和两个转子线圈组成，是用于测量旋转角度的传感器。因其抗干扰能力及环境适应能力强，在转子位置检测中具有不可替代的地位。

目前，旋转变压器数字转换器(RDC)对信号的解调方案很多，应用最为广泛、精度最高的是跟踪型变换方案。该方案由乘法器、放大器、相敏解调器、计数器、压控振荡器等构成一信号估计闭环回路，在所述闭环回路中通过对转子转角进行估计获取一估计值，利用相敏检测器获得实际转角值与估计值之差的正弦值，然后通过判断该正弦值的正负来调节估计值，使估计值逐渐逼近实际转角值。该方案只能提供转子转角信息，且精度有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转变压器数字转换器，该旋转变压器数字转换器通过引入二阶状态观测器，不但可以从旋转变压器的输出信号中实时解调出被测角度，而且可以同步获取被测旋转装置的角速度。本发明RDC能够实现在变速情况下的转角、转速的精确解调，且输出精度比常规RDC输出精度提高了5倍左右。

本发明是一种旋转变压器数字转换器，主要包括有信号调理模块、相敏检测器、状态观测器和增益发生器；相敏检测器、状态观测器和增益发生器采用软件代码编译实现，存储于一处理器芯片上。相敏检测器根据被测角度估计值和旋转变压器输出信号，计算得到包含相位信息的误差信号，状态观测器则根据该信号和增益系数实时观测出被测角度和转速。信号调理模块将旋转变压器的输出信号进行幅值调理、模数转换后，同时与励磁信号发生器输出的励磁信号进行过零比较，输出电压基值；相敏检测器可根据旋转变压器输出信号及状态观测器输出的角度值，生成包含相位信息的误差信号；增益发生器根据信号调理模块的输出信号，计算出状态观测器所需的增益系数；状态观测器根据上述误差信号和增益系数，解调出电机转子的被测角度和角速度。

本发明旋转变压器数字转换器的优点在于：(1)引入二阶状态观测器，通过合理选取增益系数，可实时获取被测电机转子的角度；在获得转子角度的同时，可实时获取被测电机转子的角速度；(2)通过引入二阶状态观测器，采用一处理器芯片以及编写在处理器芯片上的软件程序，使数字转换器解调精度高，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明旋转变压器一数字转换器的结构原理框图。

图2是信号调理模块对信号处理的结构框图。

图3是相敏检测器对信号处理的结构框图。

图4是增益发生器对信号处理的结构框图。

图5是状态观测器对信号处理的结构框图。

图6是处理器的控制流程图。

图中：1.电机 2.旋转变压器 3.信号调理模块 31.调理电路32.模数转换器 33.过零比较器 4.相敏检测器 41.余弦发生器 42.正弦发生器43.A乘法器 44.B乘法器 45.D加法器 5.状态观测器 51.G乘法器52.H乘法器 53.A加法器 54.I乘法器 55.B加法器 56.状态存储器A57.J乘法器 58.C加法器 59.状态存储器B 6.增益发生器 61.平方和运算器62.开方运算器 63.增益系数运算器 64.C乘法器 65.D乘法器66.E乘法器 67.F乘法器 7.励磁信号发生器

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是一种旋转变压器数字转换器，所述旋转变压器数字转换器是对由旋转变压器2采集的电机1转子输出的转角信息转换成的模拟正弦V_s(t)和模拟余弦V_c(t)进行转换处理；以及对由励磁信号发生器7产生的模拟励磁信号V_ref(t)进行转换处理。本发明旋转变压器数字转换器主要包括有信号调理模块3、相敏检测器4、状态观测器5和增益发生器6，其中相敏检测器4、状态观测器5和增益发生器6采用编译软件代码存储于一处理器芯片(即将编译软件代码按照实现功能划分为相敏检测器4、状态观测器5和增益发生器6)上实现。所述处理器可以是DSP芯片，如TMS320系列芯片；处理器的控制流程。

在本发明中，旋转变压器2用于将电机1转子输出的转角转换成模拟正弦V_s(t)、模拟余弦V_c(t)输出。

在本发明中，励磁信号发生器7用于输出模拟励磁信号V_ref(t)。

在本发明中，参见图2所示，信号调理模块3由调理器31、A/D转换器32和过零比较器33组成。

信号调理模块3中的调理器31和A/D转换器32用于将接收的模拟正弦V_s(t)进行幅值调理、模数转换，输出数字正弦V_s(j)；

信号调理模块3中的调理器31和A/D转换器32用于将接收的模拟余弦V_c(t)进行幅值调理、模数转换，输出数字余弦V_c(j)；

信号调理模块3中的过零比较器33用于将接收的模拟励磁信号V_ref(t)进行过零比较，输出电压基值S(j)。

在本发明中，参见图3所示，相敏检测器4由正弦发生器41、余弦发生器42、A乘法器43、B乘法器44、D加法器45组成；

相敏检测器4中的正弦发生器41用于产生角度估计值

的正弦值

相敏检测器4中的余弦发生器42用于产生角度估计值的余弦值

相敏检测器4中的A乘法器43将接收的数字正弦V_s(j)与余弦值

相乘获得第一中间量；

相敏检测器4中的B乘法器44将接收的数字余弦V_c(j)与正弦值

相乘获得第二中间量；

相敏检测器4中的D加法器45用第一中间量减去第二中间量获得在第j个测量时刻的误差E(j)。

在本发明中，参见图4所示，增益发生器6从实现的功能上划分由平方和运算器61、开方运算器62、增益系数运算器63、C乘法器64、D乘法器65、E乘法器66、F乘法器67组成；

增益发生器6中的平方和运算器61将接收的数字正弦V_s(j)、数字余弦V_c(j)进行平方和运算，输出参考电压平方和M(j)；

增益发生器6中的开方运算器62将接收的参考电压平方和M(j)经开方运算，输出参考电压绝对值|V_r(j)|；

增益发生器6中的增益系数运算器63将接收的电压基值S(j)进行[0，1]处理，输出[±1]判断值S₁(j)；

增益发生器6中的C乘法器64将接收的参考电压绝对值|V_r(j)|与[±1]判断值S₁(j)进行乘法运算，输出参考电压V_r(j)；

增益发生器6中的E乘法器66将接收的参考电压V_r(j)与角速度观测器常数β₂相乘，输出第三中间量；所述角速度观测器常数β₂为大于零的常数；

增益发生器6中的F乘法器67将接收的参考电压V_r(j)与角度观测器常数β₁相乘，输出角度观测器增益系数K₁(j)；所述角度观测器常数β₁为大于零的常数；

增益发生器6中的D乘法器65将接收的参考电压平方和M(j)与第三中间量相乘，输出角速度观测器增益系数K₂(j)。

在本发明中，参见图5所示，状态观测器5从实现的功能上划分由角速度预测器模块501和角度预测器模块502组成；所述角速度预测器模块501包括有G乘法器51、H乘法器52、A加法器53、状态存储器A56；所述角度预测器模块502包括有I乘法器54、B加法器55、J乘法器57、C加法器58、状态存储器B59；在本发明中，角速度预测器模块501和角度预测器模块502构成了一个二阶状态观测器。

状态观测器5中的G乘法器51将接收的误差E(j)与角速度观测器增益系数K₂(j)相乘，输出第四中间量；

状态观测器5中的H乘法器52将接收的第四中间量与采样周期T相乘，输出第五中间量；

状态观测器5中的A加法器53依据状态存储器A56记载的第j测量时刻的角速度估计值

与第五中间量相加，输出第j+1个测量时刻的角速度值

状态观测器5中的I乘法器54将接收的误差E(j)与角度观测器增益系数K₁(j)相乘，输出第六中间量；

状态观测器5中的B加法器55依据状态存储器A56记载的第j个测量时刻的角速度估计值

与第六中间量相加，输出第七中间量；

状态观测器5中的J乘法器57将接收的第七中间量与采样周期T相乘，输出第八中间量；

状态观测器5中的C加法器58依据状态存储器B59记载的第j个测量时刻的角度估计值与第八中间量相加，输出第j+1个测量时刻的角度值

本发明的旋转变压器数字转换器(RDC)中各信号的数学形式表示如下：

励磁信号发生器7输出的模拟励磁信号记为V_ref(t)＝V_ecosω_rt；

旋转变压器2输出的模拟正弦信号记为V_s(t)＝K_eV_esinθcosω_rt、模拟余弦信号记为V_c(t)＝K_eV_ecosθcosω_rt；

当旋转变压器2输出的模拟正弦信号V_s(t)、模拟余弦信号V_c(t)进入信号调理模块3中经调整幅值(由调理器31完成)、模/数转换(由A/D转换器32完成)后，输出数字正弦V_s(j)＝V_r(j)sinθ(j)、数字余弦V_c(j)＝V_r(j)cosθ(j)。

过零比较器33对接收的模拟励磁信号V_ref(t)＝V_ecos(ω_rt)经过零比较判断后，获得电压基值，所述电压基值为0、±5V。

参见图3所示，正弦发生器41、余弦发生器42根据状态观测器5输出的角度估计值，以查表方式得到角度估计值的正弦值

、余弦值

。在本发明中，A乘法器43对接收的数字正弦V_s(j)与余弦值

相乘获得第一中间量；B乘法器44对接收的数字余弦V_c(j)与正弦值

相乘获得第二中间量

；然后，通过D加法器45对第一中间量

与第二中间量

作差，完成积化和差获得误差输出 $E\left(j\right)=V_s\left(j\right)\cos \widehat{\mathrm{\θ}}\left(j\right)-V_c\left(j\right)\sin \widehat{\mathrm{\θ}}\left(j\right).$

参见图4所示，增益发生器6用于实现对接收的励磁信号进行解调，从而获得所需的角度、角速度的增益系数。对励磁信号的解调有如下运算算式：

$M\left(j\right)=V_s^2\left(j\right)+V_c^2\left(j\right)---\left(1\right)$

S₁(j)＝2×[S(j)-1/2]            (2)

V_r(j)＝S₁(j)×|V_r(j)    (3)

根据上述三个式子的联立获得在第j个测量时刻励磁参考电压V_r(j)；随后，通过D、E、F乘法器完成乘法运算得到角度观测器增益系数K₁(j)＝β₁V_r(j)、角速度观测器增益系数 $K_2\left(j\right)={\mathrm{\β}}_2{V}_r^3\left(j\right).$

参见图5所示，所述角度预测器模块502的角度输出值满足 $\widehat{\mathrm{\θ}}(j+1)=\widehat{\mathrm{\θ}}\left(j\right)+T\left[\widehat{\mathrm{\ω}\left(j\right)+K_1\left(j\right)E\left(j\right)}\right]$ ，且K₁(j)＝β₁V_r(j)；所述角速度预测器模块501的角速度输出值满足 $\widehat{\mathrm{\ω}}(j+1)=\widehat{\mathrm{\ω}}\left(j\right)+T\left[K_2\left(j\right)E\left(j\right)\right]$ ，且 $K_2\left(j\right)={\mathrm{\β}}_2{V}_r^3\left(j\right).$

本发明处理器对信号的处理流程参见图6所示，图中，处理器在初始化条件下依次对旋转变压器2、励磁信号发生器7输出的相关信号进行处理，最后输出电机转子的精确角度输出值

、角速度输出值

在本发明中，设计了二阶状态观测器，通过合理选取增益系数，可从旋转变压器输出信号中解调出被测角度，还可同时获取被测旋转装置的角速度，且解调精度高，抗干扰能力强。

实施例：

被测电机选取珠海运控电机有限公司生产的60BLA20-30(ST)型号伺服电机，其中，旋转变压器选取日本多摩川公司的TS2620N21E11型号速度、位置传感器。

处理芯片选取TMS320系列DSP处理器芯片，芯片上的执行程序对信息的处理参见图6所示。

***正常运行时，首先由励磁信号发生器7产生一模拟励磁信号V_ref(t)＝V_ecosω_rt＝7cos(2π×10000×20)，其中，模拟励磁信号V_ref(t)的幅值V_e为7V、励磁信号角频率ω_r为2π×10kHz。电机转子以1000r/min，设定运行时间为30s，测量时间t为20s。所述角度观测器常数β₁为400；所述角速度观测器常数β₂为8,000。采样周期T为4μs。***初始化时，状态存储器A 56记载的第j个测量时刻的角速度估计值

为0；状态存储器B 59记载的第j个测量时刻的角度估计值

为0。当各数据信息采集至处理器上时，经解调后本发明旋转变压器数字转换器的角度输出值为2094.39424弧度、角速度输出值

为993.12684r/min；在本实例中，60BLA20-30(ST)型号伺服电机采用某常规RDC时，输出的角度为2094.39202弧度，采用19位光电编码器作为标定位置传感器测得的电机转子转过的角度为2094.39510弧度。60BLA20-30(ST)型号伺服电机采用标定位置传感器测得的电子转子转过的角度与经本发明旋转变压器数字转换器解调得到的电机转子转过的角度之间的误差为0.00049弧度。60BLA20-30(ST)型号伺服电机转子采用标定位置传感器测得的电机转过的角度与采用某常规RDC解调得出的电机转子转过的角度之间的误差为0.00308弧度。通过参数的对比，本发明的旋转变压器数字转换器输出精度提高了5.28倍左右。

本发明中，引用符号的物理意义如下表所示：

S1(j)	表示在第j个测量时刻，电压基值经运算器63后输出的判断值，所述判断值为+1或-1。
		Ke	表示旋转变压器2的转换系数。
Vr(j)	表示在第j个测量时刻，求取的旋转变压器励磁参考信号的电压值，简称参考电压。
		|Vr(j)|	表示在第j个测量时刻，求取的旋转变压器励磁参考信号的电压绝对值，简称参考电压绝对值。
M(j)	表示数字正弦Vs(j)与数字余弦Vc(j)的平方和。
		K1(j)	表示角度观测器常数β1与参考电压Vr(j)的乘积，简称角度观测器增益系数。
K2(j)	表示角速度观测器常数β2与参考电压Vr(j)立方的乘积，简称角速度观测器增益系数。

Claims (5)

1.一种旋转变压器数字转换器，所述旋转变压器数字转换器用于完成电机(1)转子位置传感器——旋转变压器(2)的输出信号处理，该旋转变压器(2)对励磁信号发生器(7)产生的模拟励磁信号V_ref(t)励磁，和输出模拟正弦V_s(t)和模拟余弦V_c(t)，其特征在于：所述旋转变压器数字转换器包括有信号调理模块(3)、相敏检测器(4)、状态观测器(5)和增益发生器(6)；

所述信号调理模块(3)由调理器(31)、A/D转换器(32)和过零比较器(33)组成；其中，信号调理模块(3)中的调理器(31)和A/D转换器(32)用于将接收的模拟正弦V_s(t)进行幅值调理、模数转换，输出数字正弦V_s(j)；信号调理模块(3)中的调理器(31)和A/D转换器(32)用于将接收的模拟余弦V_c(t)进行幅值调理、模数转换，输出数字余弦V_c(j)；信号调理模块(3)中的过零比较器(33)用于将接收的模拟励磁信号V_ref(t)进行过零比较，输出电压基值S(j)；

所述相敏检测器(4)由正弦发生器(41)、余弦发生器(42)、A乘法器(43)、B乘法器(44)、D加法器(45)组成；其中，相敏检测器(4)中的正弦发生器(41)用于产生角度估计值

的正弦值sin

；相敏检测器(4)中的余弦发生器(42)用于产生角度估计值的余弦值

；相敏检测器(4)中的A乘法器(43)将接收的数字正弦V_s(j)与余弦值

相乘获得第一中间量；相敏检测器(4)中的B乘法器(44)将接收的数字余弦V_c(j)与正弦值相乘获得第二中间量；相敏检测器(4)中的D加法器(45)用第一中间量减去第二中间量获得在第j个测量时刻的误差E(j)；

所述增益发生器(6)从实现的功能上划分由平方和运算器(61)、开方运算器(62)、增益系数运算器(63)、C乘法器(64)、D乘法器(65)、E乘法器(66)、F乘法器(67)组成；其中，增益发生器(6)中的平方和运算器(61)将接收的数字正弦V_s(j)、数字余弦V_c(j)进行平方和运算，输出参考电压平方和M(j)；增益发生器(6)中的开方运算器(62)将接收的参考电压平方和M(j)经开方运算，输出参考电压绝对值|V_r(j)|；增益发生器(6)中的增益系数运算器(63)将接收的电压基值S(j)进行[0，1]处理，输出[±1]判断值S₁(j)；增益发生器(6)中的C乘法器(64)将接收的参考电压绝对值|V_r(j)|与[±1]判断值S₁(j)进行乘法运算，输出参考电压V_r(j)；增益发生器(6)中的E乘法器(66)将接收的参考电压V_r(j)与角速度观测器常数β₂相乘，输出第三中间量；增益发生器(6)中的F乘法器(67)将接收的参考电压V_r(j)与角度观测器常数β₁相乘，输出角度观测器增益系数K₁(j)；增益发生器(6)中的D乘法器(65)将接收的参考电压平方和M(j)与第三中间量相乘，输出角速度观测器增益系数K₂(j)；

所述状态观测器(5)从实现的功能上划分由角速度预测器模块(501)和角度预测器模块(502)组成；所述角速度预测器模块(501)包括有G乘法器(51)、H乘法器(52)、A加法器(53)、状态存储器A(56)；所述角度预测器模块(502)包括有I乘法器(54)、B加法器(55)、J乘法器(57)、C加法器(58)、状态存储器B(59)；其中，状态观测器(5)中的G乘法器(51)将接收的误差E(j)与角速度观测器增益系数K₂(j)相乘，输出第四中间量；状态观测器(5)中的H乘法器(52)将接收的第四中间量与采样周期T相乘，输出第五中间量；状态观测器(5)中的A加法器(53)依据状态存储器A(56)记载的第j测量时刻的角速度估计值

与第五中间量相加，输出第j+1个测量时刻的角速度值

；状态观测器(5)中的I乘法器(54)将接收的误差E(j)与角度观测器增益系数K₁(j)相乘，输出第六中间量；状态观测器(5)中的B加法器(55)依据状态存储器A(56)记载的第j个测量时刻的角速度估计值

与第六中间量相加，输出第七中间量；状态观测器

(5)中的J乘法器(57)将接收的第七中间量与采样周期T相乘，输出第八中间量；状态观测器(5)中的C加法器(58)依据状态存储器B(59)记载的第j个测量时刻的角度估计值与第八中间量相加，输出第j+1个测量时刻的角度值

2.根据权利要求1所述的旋转变压器数字转换器，其特征在于：相敏检测器(4)、状态观测器(5)和增益发生器(6)通过软件代码编译实现，存储于一处理器芯片上。

3.根据权利要求2所述的旋转变压器数字转换器，其特征在于：所述处理器芯片是DSP处理器。

4.根据权利要求1所述的旋转变压器数字转换器，其特征在于：角速度预测器模块(501)与角度预测器模块(502)构成一个二阶状态观测器；所述角度预测器模块(502)的角度输出值满足 $\widehat{\mathrm{\θ}}(j+1)=\widehat{\mathrm{\θ}}\left(j\right)+T[\widehat{\mathrm{\ω}}\left(j\right)+K_1\left(j\right)E\left(j\right)]$ ，且K₁(j)＝β₁V_r(j)；所述角速度预测器模块(501)的角速度输出值满足 $\widehat{\mathrm{\ω}}(j+1)=\widehat{\mathrm{\ω}}\left(j\right)+T\left[K_2\left(j\right)E\left(j\right)\right]$ ，且 $K_2\left(j\right)={\mathrm{\β}}_2{V}_r^3\left(j\right).$

5.根据权利要求1所述的旋转变压器数字转换器，其特征在于：所述角度观测器常数β₁为大于零的常数；所述角速度观测器常数β₂为大于零的常数。

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