CN104702173A

CN104702173A - 旋转变压器转子位置的检测***及方法

Info

Publication number: CN104702173A
Application number: CN201510155797.7A
Authority: CN
Inventors: 凌欢; 陈茜兵; 杭孟荀; 邵平; 袁文爽
Original assignee: SAIC Chery Automobile Co Ltd
Current assignee: Chery Automobile Co Ltd
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2015-06-10

Abstract

本发明涉及一种旋转变压器转子位置的检测***及方法，属于信号检测和电动汽车电机驱动技术领域，所述检测***包括DSP信号处理模块、正弦激励调理单元、旋转变压器和转子位置信号调理单元，DSP信号处理模块产生正弦激励信号输入到正弦激励调理单元，经过正弦激励调理单元处理后输出激励信号到旋转变压器，旋转变压器输出的正、余弦信号输入到转子位置信号调理单元，转子位置信号调理单元处理后输出的转子位置角度信号输入至DSP信号处理模块。本发明中主要由常用的电阻、电容和运放等电子元件构成，与专用解码芯片相比，大大降低了成本，解决了现有技术中旋转变压器解码芯片型号单一、价格高昂、接口电路复杂和使用灵活性不高的问题。

Description

旋转变压器转子位置的检测***及方法

技术领域

本发明属于信号检测和电动汽车电机驱动技术领域，涉及永磁无刷直流电机转子位置检测方向，特别涉及一种旋转变压器转子位置的检测***及方法。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点，已广泛应用机械设备、航空航天、电梯、家用电器、航海和电动汽车等领域。永磁同步电机作为伺服和驱动执行机构，控制器需要根据给定的位置信号与***反馈的实际位置信号之差来对***参数进行调节并实现***的精确控制。因此，满足一定精度及速度要求的伺服位置检测***必不可少的。位置检测依赖于位置传感器，而旋转变压器具有抗震性好、工作可靠、寿命长、对机械和电气噪声不敏感，耐腐蚀、耐高温和易实现高速位置检测等优点，非常适合需要快速响应和抗冲要求高的调速。

但是，旋转变压器的输出为两路包含绝对位置信息的高频调制模拟信号，无法被数字信号处理器直接使用，故必须对其进行解码以得到电机转子绝对位置数字信号，才可输入到单片机或DSP等控制器中。目前，在实际应用中大多采用专用的解码芯片对旋转变压器的输出信号进行角度的解析，专用的解码芯片虽然技术成熟，也可到达较高的精度和较好的性能，但其价格昂贵，接口电路也复杂，在对成本有严格要求的场合难以广泛应用。

发明内容

为了克服现有技术中旋转变压器解码芯片型号单一、价格高昂、接口电路复杂和使用灵活性不高，影响转子位置的角度检测的不足，本发明提供一种旋转变压器转子位置的检测***及方法，具有成本低、稳定性好、简单易行等优点。

本发明的技术方案是：一种旋转变压器转子位置的检测***，所述检测***包括DSP信号处理模块、正弦激励调理单元、旋转变压器和转子位置信号调理单元，DSP信号处理模块产生正弦激励信号输入到正弦激励调理单元，经过正弦激励调理单元处理后输出激励信号到旋转变压器，旋转变压器输出的正、余弦信号输入到转子位置信号调理单元，转子位置信号调理单元处理后输出的转子位置角度信号输入至DSP信号处理模块。

所述DSP信号处理模块包括生成正弦信号的正弦信号发生单元、AD采集单元和DSP处理单元，正弦信号发生单元生成的正弦信号连接输入到正弦激励调理单元，AD采集单元的输入端连接转子位置信号调理单元，AD采集单元转换后的数字信号输入至DSP处理单元。所述正弦激励调理单元包括放大电路、滤波电路和推挽电路，放大电路连接滤波电路，滤波电路连接推挽电路。所述旋转变压器是采集转子位置信号的电位置传感器。

一种旋转变压器转子位置的检测方法，所述步骤包括：步骤一、正弦信号发生单元生成正弦信号Ug，正弦信号Ug的幅值为1/2Um，正弦信号输入到正弦激励调理单元；步骤二、正弦激励调理单元将输入的正弦信号进行放大、滤波和推挽处理，信号Ug调理为幅值Um的信号Us，正弦激励调理单元输出激励信号Us至旋转变压器的R1和R2输入端；步骤三、旋转变压器接收激励信号Us后，输出关于转子位置信号的正、余弦差分信号，差分信号的最大幅值为Um，正余弦信号输出至转子位置信号调理单元；步骤四、转子位置信号调理单元将输入的正余弦信号调理成转子位置角度信号，转子位置角度信号输出至AD采集单元；步骤五、AD采集单元接收到转子位置角度信号后，模拟信号转换为数字信号输出至DSP处理单元；步骤六、DSP处理单元对输入的数字信号进行滤波和位置角度反正切运算，解析出位置角度θ。

所述步骤三中的正、余弦差分信号表达式为：U_sin1＝U_msinωt*sinθ及U_cos1＝U_msinωt*cosθ，其中U_sin1和U_cos1表示正余弦信号，U_m为输出信号的最大幅值，ω为激励信号的角频率，θ为转子位置角度。所述步骤四中的转子位置角度信号得表达式为：及U_sin2和U_cos2表示转子位置角度信号，Un为AD采集单元工作电压，ω为信号的角频率，θ为转子位置角度。所述步骤五和步骤六的AD采集单元和DSP处理单元属于DSP信号处理模块中的一部分，步骤五和步骤六在DSP信号处理模块中进行。

本发明有如下积极效果：1.本发明中，主控芯片集成了正弦信号发生单元、AD采集单元和DSP信号处理模块，外部仅有正弦激励调理单元和转子位置信号调理单元，匹配接口电路非常简单。2.本发明中的正弦激励调理单元和转子位置信号调理单元由常用的电阻、电容和运放等电子元件构成，与专用解码芯片相比，大大降低了成本。3.本发明中基于旋转变压器的转子位置解码方法经测试验证，位置解析精度基本接近与专用解码芯片解码精度，能够满足多数使用要求。4.本发明中基于旋转变压器的转子位置信号经AD采样后输入DSP进行处理运算，用户可以针对不同的使用要求对信号进行处理，使用非常灵活。

附图说明

图1是本发明中旋转变压器转子位置的检测***的工作原理图；

图2是本发明中检测***中各单元的输出信号示意图；

图3是本发明中正弦激励调理单元的电路工作原理图；

图4是本发明中转子位置信号调理单元的电路工作原理图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

一种旋转变压器转子位置的检测***，其结构原理图如图1所示，检测***包括DSP信号处理模块、正弦激励调理单元、旋转变压器和转子位置信号调理单元，DSP信号处理模块由正弦信号发生单元、AD采集单元、DSP处理单元和主控芯片所具备的RAM、Flash等内部资源及外部辅助电路构成。DSP信号处理模块中的正弦信号发生单元产生正弦激励信号输入到正弦激励调理单元，经过正弦激励调理单元处理后输出激励信号到旋转变压器，旋转变压器输出的正、余弦信号输入到转子位置信号调理单元，转子位置信号调理单元处理后输出的转子位置角度信号输入至DSP信号处理模块中的AD采集单元，AD采集单元的作用包括了位置信号采集功能和AD转换功能，能够进行位置信号采集和数据的转换，AD采集单元转换后的数字信号输入至DSP处理单元。

DSP信号处理模块中的正弦信号发生单元为旋转变压器激励输入的信号源，产生幅值为0-Vcc的Ug正弦信号，其中Vcc为正弦信号发生单元工作电压，ω为激励信号的角频率，正弦信号Ug的峰峰值为Um，检测***的各单元的输出信号示意图如图2所示。

正弦信号输入到正弦激励调理单元，正弦激励调理单元用于将正弦信号发生单元产生的正弦激励输入信号进行放大、滤波和推挽输出处理，调理后的信号作为旋转变压器的激励信号，输出峰峰值(Vpp)为2Um的旋转变压器激励信号Us，激励信号Us输出至旋转变压器的R1和R2输入端，使变压器输出具有转子位置信息的模拟信号。正弦激励调理单元的电路工作原理图如图3所示，正弦激励调理单元的电路主要由三个运算放大器U2C、U3C、U2B及其***电路组成，运放U3C的正向输入端5号引脚通过电阻R13连接DSP信号处理模块的输出端，运放U3C的6号引脚连接到自身的7号引脚上，运放U3C的7号引脚连接串联的电容C5和电阻R14，电阻R14同时连接在运放U2C的5号引脚和运放U2B的2号引脚。运放U2C的***电路和运放U2B的***电路相似，负向输入端和输出端之间均连接有电阻和并联的电容组成的负反馈电路，运放的输出端连接有串联接地的电阻、电容电路，具有一定的抗干扰作用，输出端通过连接电阻、电感、电路连接到旋转变压器上，保证输出的稳定信号，运放U2B的正向输入端通过电阻R18连接到电源VCC同时通过电容C9接地。

旋转变压器为安装在无刷电机上电位置传感器，用于采集无刷电机转子的转子位置信号，旋转变压器在激励信号Us的作用下，输出反映转子位置信号且具有正交关系的正、余弦差分信号：U_sin1＝U_msinωt*sinθ及U_cos1＝U_msinωt*cosθ，其中U_sin1和U_cos1表示正余弦信号，U_m为输出信号的最大幅值，ω为激励信号的角频率，θ为转子位置角度，t为时间，正余弦信号输出至转子位置信号调理单元。

转子位置信号调理单元，用于将接收到的转子位置模拟信号进行幅值变换，将模拟信号转换成AD采集单元可采集识别、工作范围内的电压信号，转子位置信号调理单元的电路工作原理图如图4所示，转子位置信号调理的电路同样主要运算放大器U1C和U1B及其***电路组成，运放U1C通过电阻R1连接旋转变压器的信号输出端S1，运放U1B通过电阻R5连接旋转变压器的信号输出端S3，信号输出端S1、S3之间连接了一个电阻R5。运放U1C连接一个电阻负反馈电路，输出端7号引脚连接电阻R2至转子位置信号调理单元的输出端，同时电阻R2的另一端连接二极管到电源，电阻R2的另一端同时连接电容接地。运放U1B的负向输入端连接输出端，对应的正向输入端连接电阻R7到电源，同时正向输入端连接了并联的电阻电容接地电路，转子位置信号调理电路主要用于将接收到的转子位置模拟信号进行幅值变换，将模拟信号转换成AD采集单元可采集识别、工作范围内的电压信号。

正余弦信号U_sin1和U_cos1输入至转子位置信号调理单元，将U_sin1＝U_msinωt*sinθ及U_cos1＝U_msinωt*cosθ输入信号调理成

U_{\sin 2} = \frac{U_{n}}{2} \sin ωt * \sin θ + \frac{U_{n}}{2}

及

U_{\cos 2} = \frac{U_{n}}{2} \sin ωt * \cos θ + \frac{U_{n}}{2}

的转子位置角度信号，其中U_n为AD采集单元的工作电压。转子位置信号调理单元输出信号输入至AD采集单元，将转子位置模拟信号通过AD采集单元，将模拟信号转换成数字信号，输入至DSP处理单元，DSP对输入的信号进行滤波和位置角度反正切运算，解析出位置角度θ，从而求出转子位置角度。

一种旋转变压器转子位置的检测方法，步骤包括：

步骤一、正弦信号发生单元生成正弦信号Ug，正弦信号Ug的幅值为1/2Um，正弦信号输入到正弦激励调理单元。

步骤二、正弦激励调理单元将输入的正弦信号进行放大、滤波和推挽处理，信号Ug调理为幅值Um的信号Us，正弦激励调理单元输出激励信号Us至旋转变压器。

步骤三、旋转变压器接收激励信号Us后，输出关于转子位置信号的正、余弦差分信号，正余弦信号输出至转子位置信号调理单元，正、余弦差分信号表达式为：U_sin1＝U_msinωt*sinθ及U_cos1＝U_msinωt*cosθ，其中U_sin1和U_cos1表示正余弦信号，U_m为输出信号的最大幅值，ω为激励信号的角频率，θ为转子位置角度。

步骤四、转子位置信号调理单元将输入的正余弦信号调理成转子位置角度信号，转子位置信号调理单元用于将接收到的转子位置模拟信号进行幅值变换，将模拟信号转换成AD采集单元可采集识别、工作范围内的电压信号。转子位置角度信号的表达式为：

U_{\sin 2} = \frac{U_{n}}{2} \sin ωt * \sin θ + \frac{U_{n}}{2}

及

U_{\cos 2} = \frac{U_{n}}{2} \sin ωt * \cos θ + \frac{U_{n}}{2},

U_sin2和U_cos2表示转子位置角度信号，Un为AD采集单元工作电压，ω为信号的角频率，θ为转子位置角度，转子位置角度信号输出至AD采集单元。

步骤五、AD采集单元接收到转子位置角度信号后，模拟信号转换为数字信号输出至DSP处理单元。

步骤六、DSP处理单元对输入的数字信号进行滤波和位置角度反正切运算，解析出位置角度θ。步骤五和步骤六的AD采集单元和DSP处理单元属于DSP信号处理模块中的一部分，步骤五和步骤六在DSP信号处理模块中进行。

本发明提供的旋转变压器转子位置检测方法工作时，正弦信号发生单元产生的正弦激励信号，其中Vcc为正弦信号发生单元工作电压，ω为激励信号的角频率。正弦信号发生单元产生的正弦信号幅值和输出功率较小，不适合直接驱动旋转变压器，正弦激励调理电路将输入的Ug进行放大和滤波后，推挽输出U_s＝U_msinωt信号，其中U_m为输出信号的最大幅值。正弦激励调理单元驱动旋转变压器输出两路信号，S1和S3输出U_sin1＝U_msinωt*sinθ的正弦交变信号，S2和S4输出U_cos1＝U_msinωt*cosθ的余弦交变信号，输出的正、余弦交变信号具有无刷电机转子位置信息。S1和S3输出的U_sin1与S2和S4输出的U_cos1的正余弦信号分别输入至转子位置信号调理单元，经转子位置信号调理单元进行共模干扰抑制、比较和放大后，输出及的转子位置角度信号，其中U_n为AD采集单元工作电压。位置信号调理单元输出U_sin2和U_cos2分别输入至AD采集单元，将具有位置信息的正余弦交变模拟信号转换为数字信号，并输入至DSP处理单元进行滤波和反正切运算，计算出转子位置角度θ，本发明具有使用成本低、使用灵活、稳定性好，简单易行，解析精度基本与专用解码芯片一致等优点。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种旋转变压器转子位置的检测***，其特征在于，所述检测***包括DSP信号处理模块、正弦激励调理单元、旋转变压器和转子位置信号调理单元，DSP信号处理模块产生正弦激励信号输入到正弦激励调理单元，经过正弦激励调理单元处理后输出激励信号到旋转变压器，旋转变压器输出的正、余弦信号输入到转子位置信号调理单元，转子位置信号调理单元处理后输出的转子位置角度信号输入至DSP信号处理模块。

2.根据权利要求1所述的旋转变压器转子位置的检测***，其特征在于，所述DSP信号处理模块包括生成正弦信号的正弦信号发生单元、AD采集单元和DSP处理单元，正弦信号发生单元生成的正弦信号连接输入到正弦激励调理单元，AD采集单元的输入端连接转子位置信号调理单元，AD采集单元转换后的数字信号输入至DSP处理单元。

3.根据权利要求1所述的旋转变压器转子位置的检测***，其特征在于，所述正弦激励调理单元包括放大电路、滤波电路和推挽电路，放大电路连接滤波电路，滤波电路连接推挽电路。

4.根据权利要求1所述的旋转变压器转子位置的检测***，其特征在于，所述旋转变压器是采集转子位置信号的电位置传感器。

5.一种旋转变压器转子位置的检测方法，其特征在于，所述步骤包括：

步骤一、正弦信号发生单元生成正弦信号Ug，正弦信号Ug的幅值为1/2Um，正弦信号输入到正弦激励调理单元；

步骤二、正弦激励调理单元将输入的正弦信号进行放大、滤波和推挽处理，信号Ug调理为幅值Um的信号Us，正弦激励调理单元输出激励信号Us至旋转变压器的R1和R2输入端；

步骤三、旋转变压器接收激励信号Us后，输出关于转子位置信号的正、余弦差分信号，差分信号的最大幅值为Um，正余弦信号输出至转子位置信号调理单元；

步骤四、转子位置信号调理单元将输入的正余弦信号调理成转子位置角度信号，转子位置角度信号输出至AD采集单元；

步骤五、AD采集单元接收到转子位置角度信号后，模拟信号转换为数字信号输出至DSP处理单元；

步骤六、DSP处理单元对输入的数字信号进行滤波和位置角度反正切运算，解析出位置角度θ。

6.根据权利要求4所述的旋转变压器转子位置的检测方法，其特征在于，所述步骤三中的正、余弦差分信号表达式为：U_sin1＝U_msinωt*sinθ及U_cos1＝U_msinωt*cosθ，其中U_sin1和U_cos1表示正余弦信号，U_m为输出信号的最大幅值，ω为激励信号的角频率，θ为转子位置角度。

7.根据权利要求4所述的旋转变压器转子位置的检测方法，其特征在于，所述步骤四中的转子位置角度信号得表达式为：及U_sin2和U_cos2表示转子位置角度信号，Un为AD采集单元工作电压，ω为信号的角频率，θ为转子位置角度。

8.根据权利要求4所述的旋转变压器转子位置的检测方法，其特征在于，所述步骤五和步骤六的AD采集单元和DSP处理单元属于DSP信号处理模块中的一部分，步骤五和步骤六在DSP信号处理模块中进行。