CN202599335U - 旋转变压器位置测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种旋转变压器位置测量系统，其包括：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。本实用新型利用单片机的快速A/D采样功能，将旋转变压器副边线圈的两路正交正弦信号采集进入单片机，剩下的信号处理部分通过编写程序在单片机中完成，只需很少量的外围电路就可以实现系统的冗余功能，极大的提高了系统的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型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。
实用新型内容
本实用新型的目的就是设计一种基于嵌入式处理器平台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，本实用新型采用的技术方案是：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。
本实用新型利用单片机的快速A/D采样功能，将旋转变压器副边线圈的两路正交正弦信号采集进入单片机，剩下的信号处理部分通过编写程序在单片机中完成，只需很少量的外围电路就可以实现系统的冗余功能，极大的提高了系统的可靠性。
本实用新型通过以运算放大器为核心的信号调理电路将两路交流响应信号幅值缩小，并叠加直流偏置，以转化为适合单片机直接采样的信号。同时，将激励信号通过比较器转化成逻辑电平，直接通过单片机的I/O端口输入，用以在恢复激励信号时判断激励信号的正负极性。
附图说明
图1为本实用新型旋转变压器位置测量系统的结构示意图。
图2A~图2D为本实用新型的信号处理电路以及TC1767对应的接口原理图。
图3 本实用新型旋转变压器位置测量系统工作过程流程图。
图4为本实用新型两路正交的正弦信号波形图。
图5为本实用新型硬件解码电路输出的位置信号和解码模块计算出的位置信号。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型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；旋转变压器将激励信号以及两路正交正弦信号输出，通过信号处理电路的处理，分别输入到单片机的I/O端口以及快速A/D采样模块的两个输入通道FAIN0和FAIN1，并将硬件解码电路输出的位置信号通过SPI通信接口发送给单片机。单片机将所有输入信号进行处理，保证测量系统稳定工作。
本实用新型设计控制芯片采用英飞凌TriCore系列单片机TC1767，其片内集成的快速A/D采样模块（FADC）采样频率可高达160~200kHz，完全可以满足对旋转变压器输出的高频信号的采样要求。并且，将TC1767的FADC模块设置为差分测量模式，以实现直接从FADC的采样结果中得到原始的响应信号值的目的，并且避免了由于直流偏置电压标定不准或者产生波动导致的真实响应信号与采样得到的响应信号之间的误差。同时，TC1767也是一款理想的电机控制芯片，因此本设计可以很方便地集成到电机控制系统中，从而提高整个系统的可靠性。
图2A~图2D描述了本实用新型的信号处理电路以及TC1767对应的接口原理图。信号处理电路主要由响应信号调理电路构成。
如图2A所示，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。其中，输出信号的计算公式如下：
如图2 B所示，硬件解码芯片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。其中，输出信号的计算公式如下：
。
如图2 C所示，激励信号通过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，使之为单片机提供理想的逻辑电平。
如图2 D所示，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，以实现直接从FADC的采样结果中得到原始的响应信号值的目的，并且避免了由于直流偏置电压标定不准或者产生波动导致的真实响应信号与采样得到的响应信号之间的误差。
本实用新型旋转变压器位置测量系统同时工作在硬件解码和软件解码（由设置在单片机中的解码模块实现）状态，并不断地比较两种方法测量得出的角度值，若相差小于预先设定的值，则表明硬件解码电路工作正常，若相差大于预先设定的值，则表明硬件解码电路出现故障，此时该系统可采用软件解码得到的位置信号继续正常工作。
如图3所示，本实用新型的旋转变压器位置测量系统的工作过程，包括以下步骤：
步骤一，向单片机输入激励信号及两路正交正弦信号；
步骤二，单片机的解码模块进行软件解码；
步骤三，向单片机输入硬件解码电路位置信号；
步骤四，单片机比较硬件解码和软件解码的输出结果，如果误差小于限定值，硬件解码电路正常，采用硬件解码电路输出结果；否则，硬件解码电路故障，采用软件解码输出结果。
图4显示了旋转变压器副边线圈输出的两路正交的正弦信号波形图，从图中可以看出，这两路正弦信号的幅值分别被位置角度值的正弦值和余弦值所调制，利用这两路信号包含的位置信息，通过本实用新型的解码模块，就可以算出真实的位置角度值。
图5显示了硬件解码电路输出的位置信号和解码模块算出的位置信号，图中实线为硬件解码电路输出的位置信号，虚线为解码模块算出的位置信号，从此图可以看出，两者十分接近，说明解码模块计算的结果有较高的精确度，可以在硬件解码电路出现故障的时候维持位置信号的跟踪，保证系统继续正常工作。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种旋转变压器位置测量系统，其特征在于，其包括：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。
2.根据权利要求1所述的旋转变压器位置测量系统，其特征在于，
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。
3.根据权利要求1或2所述的旋转变压器位置测量系统，其特征在于，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。
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