CN105203020A - 一种激磁同步的旋转变压器解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激磁同步的旋转变压器解调装置，通过硬件电路和软件算法将旋转变压器的输出信号进行解码；通过产生激磁同步信号控制A/D采集模块只采集信号S1和S2的幅值在1和-1附件的数据点，并发送给DSP解调模块进行输出信号的解码，可提高解调的精度；本装置硬件电路简易、节省空间，软件算法易实现；本发明一方面提高了产品的研发速度、缩短了研制周期，另一方面，无需使用旋变解调模块和解码芯片及相关外围电路，降低了电路的复杂度、很大程度上降低了产品的生产成本；在不接模拟开关扩展AD采集通道的前提下，可同时解调4路旋转变压器，扩展性强。

Description

一种激磁同步的旋转变压器解调装置

技术领域

本发明涉及旋转变压器技术领域，尤其涉及一种激磁同步的旋转变压器解调装置。

背景技术

旋转变压器因其测量精度高、抗扰性及环境适应能力强等特点，成为比较常见的电机转子位置和转速的传感器，在其应用过程中往往需要将旋转变压器的输出信号模拟信号转换为数字信号，再与伺服控制器联接，解算出旋转变压器的角度和频率。

目前，旋转变压器信号转换方案有很多，在工程应用中大多采用旋转变压器解调模块，这种方法成本较高、在设计电路板过程中占用空间大，电路复杂，不利于产品的小型化。工程应用中也可通过旋转变压器解码板，解码板实现一种采用硬件电路解调的方法，该方法电路实现复杂，集成度差，易产生干扰且精度有限；应用软件解码方法可以克服硬件解调的诸多问题，但现有的软件解调技术采用的解码算法较复杂、控制器执行算法代码较繁琐，工程上不易实现。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激磁同步的旋转变压器解调装置，可提高解调的精度。

一种激磁同步的旋转变压器解调装置，包括激磁信号产生模块、旋转变压器、A/D采集模块、激磁同步信号发生模块、激磁同步信号滤波和分频模块以及DSP解调模块；

所述激磁信号产生模块用于产生激磁信号Z1和Z2，其中，Z1＝A0×Sin(ωt)，Z2的输出端接地；A0为激磁模块输出信号的最大幅值，ω为角频率，t为时间；

所述旋转变压器基于从激磁信号产生模块接收激磁信号Z1和Z2产生输出信号S1、S2、S3和S4，且满足：S1＝E0×Sin(ωt)×Sin(θ)；S2＝E0×Sin(ωt)×Cos(θ)；其中，S3和S4的信号输出端均接地；E0为旋转变压器输出信号的最大幅值，θ为旋转变压器的角位置；

所述激磁同步信号发生模块根据从激磁信号产生模块接收激磁信号Z1和Z2，产生激磁同步信号；

所述DSP解调模块接收所述激磁同步信号，并基于该激磁同步信号对所述A/D采集模块进行触发，使得A/D采集模块采集信号S1和S2对应幅值为大于或等于0.8E0的数据点，或者采集信号S1和S2对应幅值为小于或等于-0.8E0的数据点；

DSP解调模块接收A/D采集模块采集的数据点，针对每一个数据点的数据，得出角度位置值θ：

Tan(θ)＝＝(S1+-S1-)/(S2+-S2-)

其中，S1+＝E1×Sin(θ)+E2，表示信号S1的正向信号；E2为采集模块的共模电压；

S2+＝E1×Cos(θ)+E2，为S2的正向信号；

S1-＝-E1×Sin(θ)+E2，为S1的负向信号；

S2-＝-E1×Cos(θ)+E2，为S2的负向信号。

进一步的，还包括激磁同步信号滤波分频模块，滤除激磁同步信号产生模块产生的激磁同步信号的噪声后再进行分频处理，即将激磁同步信号的频率降为激磁信号频率的1/5后发给DSP解调模块，使得DSP解调模块每每隔4个激磁信号周期触发A/D采集模块一次。

较佳的，所述激磁同步信号滤波分频模块采用的型号为74161的计数器对激磁同步信号进行分频。

较佳的，所述激磁同步信号滤波分频模块采用D触发器对激磁信号进行滤波。

较佳的，所述激磁同步信号发生模块采用型号为AD8397的运算放大器；VCCA引脚接+5V电源，VSSA引脚接-5V电源；信号Z1通过电阻R1接到运算放大器的负输入端；运算放大器的正输入端串接电阻R2后接地；正输入端与输出端之间串接电阻R5；输出端依次串接电阻R3、二极管V1和电阻R4后接地，则二极管与电阻R4之间引出所述激磁同步信号；其中，电阻R1为1kΩ，电阻R2为3.9kΩ，电阻R3为1kΩ，电阻R4为3.3kΩ，电阻R5为1kΩ。

较佳的，所述A/D采集模块采用的型号为AD7608。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的旋转变压器解调装置，通过硬件电路和软件算法将旋转变压器的输出信号进行解码；通过产生激磁同步信号控制A/D采集模块只采集信号S1和S2的幅值在1和-1附件的数据点，并发送给DSP解调模块进行输出信号的解码，可提高解调的精度；本装置硬件电路简易、节省空间，软件算法易实现；本发明一方面提高了产品的研发速度、缩短了研制周期，另一方面，无需使用旋变解调模块和解码芯片及相关外围电路，降低了电路的复杂度、很大程度上降低了产品的生产成本；在不接模拟开关扩展AD采集通道的前提下，可同时解调4路旋转变压器，扩展性强。

附图说明

图1为本发明旋转变压器解调装置的原理框图；

图2为激磁相位同步示意图；

图3为激磁同步信号发生电路；

图4为U①波形示意图；

图5为激磁同步信号波形示意图；

图6为激磁同步信号滤波和分频电路；

图7为AD7608采集电路。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示的旋转变压器解调装置原理框图，由激磁信号产生模块给旋转变压器和激磁同步信号发生电路供激磁信号，选用高精度采集芯片AD7608采集旋转变压器输出的正弦、余弦两路信号，通过DSP主控芯片TMS320F38335执行旋转变压器解调算法，计算出旋转变压器的角度位置值，解调的精度取决于选用AD芯片的精度。激磁同步信号发生电路可将激磁信号产生模块输出的激磁信号转化为幅值为3.3V的激磁同步信号，经过CPLD芯片EPM7064AETI44-7内部硬件电路滤波和分频处理，生成2kHz的激磁同步信号，该激磁同步信号输出给DSP,在上升沿与下降沿启动AD转换并触发DSP外部中断。该DSP控制系统解调旋转变压器的同时，还可进行其他工作，因此，将激磁同步信号控制在2kHz以内，以满足控制系统采样频率要求。

本发明涉及的旋变解调原理如下：

1)旋转变压器的激磁与输出

(Z1–Z2)＝A0×Sin(ωt)

式中Z1、Z2为激磁模块输出的激磁信号，A0激磁模块输出信号的最大幅值，ω为角频率。

(S1–S3)＝E0×Sin(ωt)×Sin(θ)

(S2–S4)＝E0×Sin(ωt)×Cos(θ)

式中S1、S2、S3、S4为旋转变压器的输出信号，E0旋转变压器输出信号的最大幅值，θ为旋转变压器的角位置。

2)旋转变压器解调算法原理

将Z2，S3，S4都接AD7608电源地，使Z1，S1，S2信号有电压参考点，Z1，S1，S2就变成如下公式：

Z1＝A0×Sin(ωt)

S1＝E0×Sin(ωt)×Sin(θ)

S2＝E0×Sin(ωt)×Cos(θ)

如图5所示将采集芯片AD7608的5(OS2)、4(OS1)、3(OS0)引脚通过硬件电路设置成低、高、低电平，即0、1、0，转化为十进制为2。根据AD7608芯片特性，在AD7608内部进行2²＝4次过采样，即1个信号采集4次，对这个信号4次采集量进行加权平均运算，可起到对该信号的滤波的作用。AD7608进行4倍过采样时间的最大值为18.8μs。

如图2所示，激磁信号Z1为10kHz频率的正弦波，其周期为1/10kHz，即100μs，若从14.65μs开始采集S1、S2信号，14.65μs对应的相位角为14.65μs×360°/100μs＝52.74°，Sin(52.74°)＝0.8，18.8μs后即33.45μs时采集完成，33.45μs对应的相位角为33.45μs×360°/100μs＝120.42°，Sin(120.42°)＝0.86。AD7608在相位(52.74°+kπ)～(120.42°+kπ)之间完成对S1、S2信号的采集，相位固定，AD7608始终同时采集S1，S2信号在Sin(ωt)＝0.8～Sin(ωt)＝1和Sin(ωt)＝-0.8～Sin(ωt)＝-1之间的点，即同步信号产生在Sin(ωt)＝1和-1附近，在角度值解算时，可提高精度：AD采集芯片采集大模拟量值要比采集小模拟量值的精度要高。例如：AD7608位18位AD采集芯片，2¹⁸＝262144LSB，AD7608采集的范围为±5V，即262144LSB对应10V，采集分辨率为10/262144＝(3.8147E-5)V/LSB，AD7608采集的电压为U，实际采集的电压为(U±3.8147E-5)V，采集精度为(3.8147E-5)/U，由此可见，U越大，采集精度越高，实际采集量越接近待采集量。相位θ1为52.74°，相位θ2为120.42°。则有如下公式：

S1+＝E1×Sin(θ)+E2

S2+＝E1×Cos(θ)+E2

S1-＝-E1×Sin(θ)+E2

S2-＝-E1×Cos(θ)+E2

(S1+-S1-)＝2×E1×Sin(θ)

(S2+-S2-)＝2×E1×Cos(θ)

式中S1+、S2+为正向信号，S1-、S2-为负向信号，E1为E0×Sin(ωt)点，E2为AD采集时的共模电压。

3)角度位置值计算

Tan(θ)＝Sin(θ)/Cos(θ)＝(S1+-S1-)/(S2+-S2-)

Cot(θ)＝Cos(θ)/Sin(θ)＝(S2+-S2-)/(S1+-S1-)

Cot(θ)＝Tan(90-θ)

激磁同步信号发生的硬件电路如图3所示。激磁同步信号发生电路采用运算放大器AD8397(可用其它高速运放替代，也可直接使用比较器)实现双比较点的比较器功能，给运算放大器AD8639供±5V电源，激磁信号Z1为输入，10kHz信号为输出。VCCA引脚接+5V电源，VSSA引脚接-5V电源；信号Z1通过电阻R1接到运算放大器的负输入端(引脚2)；运算放大器的正输入端(引脚3)串接电阻R2后接地；正输入端与输出端(引脚1)之间串接电阻R5；输出端依次串接电阻R3、二极管V1和电阻R4后接地，则二极管与电阻R4之间引出所述激磁同步信号；其中，电阻R1为1kΩ，R2为3.9kΩ，R3为1kΩ，R4为3.3kΩ，R5为1Kω,二极管的型号为IN4148J.

当激磁信号Z1点电位U②<U③时，U①的电位应为+5V，U③的电位应为(U①/4.9kΩ)×3.9kΩ＝3.98V，U②与U③电位实时比较，U④应为(U①-0.7V)×3.3kΩ/(1+3.3kΩ)＝3.3V，其中0.7V为二极管导通压降；当激磁信号Z1点电位U②>U③时，U①的电位应为-5V，U③的电位应为(U①/4.9kΩ)×3.9kΩ＝-3.98V，此时由于二极管特性①点与④点之间不导通，④点电位为零。如图4为U①点的波形，图3中C1和C2是给运算放大器电源滤波的电容。比较器将幅值±5V、频率10kHz正弦激磁信号Z1转化为10kHz的幅值为3.3V的方波信号，即激磁同步信号。激磁同步信号波形如图5所示。

激磁同步信号滤波与分频

激磁同步信号发生电路输出10kHz激磁同步信号，需通过CPLD内部电路设计对10kHz激磁同步信号滤波和分频处理。激磁同步信号发生电路输出10kHz激磁同步信号常常会带有噪声，容易产生误操作点，如图3所示用D触发器做滤波器给10kHz激磁同步信号进行滤波，滤波后的信号再经计数器74161做5分频处理，分频后输出2kHz激磁同步信号，CPLD对10kHz激磁同步信号的滤波和分频电路如图6所示。若选取激磁频率小于2kHz的旋转变压器，则无需进行分频处理。

激磁同步信号触发外部中断

将图6所示的CPLD激磁同步信号滤波和分频电路的输出INT信号引脚接到DSP28335的可触发外部中断的GPIO口，即GPIO0～GPIO31或GPI32～GPIO64的任意一个GPIO口，激磁同步信号升降沿启动AD转换，触发DSP外部中断。如图5所示，在同一个激磁信号S1的波形中，同步信号的上升沿在第一个0.8U处，当上升沿触发AD采集模块后，开始采集数据，基于采集模块在被触发后的采集时间，采集持续到第2个0.8U处停止。同步信号的下降沿在同一波形中第一个-0.8U处，当下降沿触发AD采集模块后，开始采集数据，基于采集模块在被触发后的采集时间，采集持续到第2个-0.8U处停止。如此，同步信号对AD采集模块的触发可使得A/D采集模块采集信号S1和S2对应幅值为大于或等于0.8U的数据点，或者采集信号S1和S2对应幅值为小于或等于-0.8U的数据点。对同步信号分频后，隔4个波形对信号S1和S2采集一次，给DSP解调模块留出充裕的处理时间。

旋转变压器与AD7608采集模块的接线

将旋转变压器的输出S3、S4和激磁模块输出Z2接地，Z1接图2中激磁同步信号发生电路的输入，S1、S2接到AD7608采集模块的1、2输入通道引脚。AD7608采集模块的其他6个通道Input1～Input6既可用于旋转变压器解调以外的工作，也可另扩展3路，升级为4路旋转变压器解调模式。AD7608采集电路如图7所示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激磁同步的旋转变压器解调装置，其特征在于，包括激磁信号产生模块、旋转变压器、A/D采集模块、激磁同步信号发生模块、激磁同步信号滤波和分频模块以及DSP解调模块；

所述激磁信号产生模块用于产生激磁信号Z1和Z2，其中，Z1＝A0×Sin(ωt)，Z2的输出端接地；A0为激磁模块输出信号的最大幅值，ω为角频率，t为时间；

所述旋转变压器基于从激磁信号产生模块接收激磁信号Z1和Z2产生输出信号S1、S2、S3和S4，且满足：S1＝E0×Sin(ωt)×Sin(θ)；S2＝E0×Sin(ωt)×Cos(θ)；其中，S3和S4的信号输出端均接地；E0为旋转变压器输出信号的最大幅值，θ为旋转变压器的角位置；

所述激磁同步信号发生模块根据从激磁信号产生模块接收激磁信号Z1和Z2，产生激磁同步信号；

所述DSP解调模块接收所述激磁同步信号，并基于该激磁同步信号对所述A/D采集模块进行触发，使得A/D采集模块采集信号S1和S2对应幅值为大于或等于0.8E0的数据点，或者采集信号S1和S2对应幅值为小于或等于-0.8E0的数据点；

DSP解调模块接收A/D采集模块采集的数据点，针对每一个数据点的数据，得出角度位置值θ：

Tan(θ)＝＝(S1+-S1-)/(S2+-S2-)

其中，S1+＝E1×Sin(θ)+E2，表示信号S1的正向信号；E2为采集模块的共模电压；

S2+＝E1×Cos(θ)+E2，为S2的正向信号；

S1-＝-E1×Sin(θ)+E2，为S1的负向信号；

S2-＝-E1×Cos(θ)+E2，为S2的负向信号。

2.如权利要求1所述的一种激磁同步的旋转变压器解调装置，其特征在于，还包括激磁同步信号滤波分频模块，滤除激磁同步信号产生模块产生的激磁同步信号的噪声后再进行分频处理，即将激磁同步信号的频率降为激磁信号频率的1/5后发给DSP解调模块，使得DSP解调模块每每隔4个激磁信号周期触发A/D采集模块一次。

3.如权利要求2所述的一种激磁同步的旋转变压器解调装置，其特征在于，所述激磁同步信号滤波分频模块采用的型号为74161的计数器对激磁同步信号进行分频。

4.如权利要求2所述的一种激磁同步的旋转变压器解调装置，其特征在于，所述激磁同步信号滤波分频模块采用D触发器对激磁信号进行滤波。

5.如权利要求1所述的一种激磁同步的旋转变压器解调装置，其特征在于，所述激磁同步信号发生模块采用型号为AD8397的运算放大器；VCCA引脚接+5V电源，VSSA引脚接-5V电源；信号Z1通过电阻R1接到运算放大器的负输入端；运算放大器的正输入端串接电阻R2后接地；正输入端与输出端之间串接电阻R5；输出端依次串接电阻R3、二极管V1和电阻R4后接地，则二极管与电阻R4之间引出所述激磁同步信号；其中，电阻R1为1kΩ，电阻R2为3.9kΩ，电阻R3为1kΩ，电阻R4为3.3kΩ，电阻R5为1kΩ。

6.如权利要求1所述的一种激磁同步的旋转变压器解调装置，其特征在于，所述A/D采集模块采用的型号为AD7608。