本發(fā)明涉及一種汽車(chē)電子技術(shù)，尤其涉及一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)變壓器的角度解碼方法。

背景技術(shù)：

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)向柱、減速機(jī)構(gòu)、齒輪齒條和助力電機(jī)以及傳感器和ECU控制單元等組成。轉(zhuǎn)矩傳感器通過(guò)扭桿連接在轉(zhuǎn)向軸中間。汽車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器開(kāi)始工作，把相對(duì)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)矩電信號(hào)，這些電信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳給電子控制單元ECU。電子控制單元ECU根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、以及車(chē)輛速度等數(shù)據(jù)信號(hào)，向電動(dòng)機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令；電機(jī)根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器獲取角度信息，從而決定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流的大小，完成實(shí)時(shí)控制的助力轉(zhuǎn)向。

把旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正交正余弦模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字角位置的裝置稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字解碼器。目前很多公司推出的專(zhuān)用解碼芯片，例如：如ANALOG DEVICES公司開(kāi)發(fā)的AD2S80，AD2S80A，AD2S1200系列和多摩川公司的Au6802，Au6802N1，Au6803系列，而專(zhuān)用解碼芯片一般價(jià)格十分昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是要提供一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)變壓器的角度解碼方法，使用低成本的FPGA、AD轉(zhuǎn)換芯片等分離器件，基于CORDIC算法處理旋轉(zhuǎn)變壓器輸出模擬信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟件角度解碼，替換傳統(tǒng)的專(zhuān)用解碼芯片，降低EPS控制器成本。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是提供一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)變壓器的角度解碼方法，所述旋轉(zhuǎn)變壓器上設(shè)有一個(gè)初級(jí)繞組和兩個(gè)次級(jí)繞組，所述兩個(gè)次級(jí)繞組機(jī)械錯(cuò)位90°，其中，包括如下步驟：步驟S1：使用AD采樣模塊，獲取次級(jí)繞組的正余弦模擬電壓信號(hào)Va和Vb，轉(zhuǎn)換輸出兩個(gè)數(shù)字電壓信號(hào)；步驟S2：基于CORDIC算法，利用FPGA的硬件資源對(duì)轉(zhuǎn)換后的正余弦數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行反正切運(yùn)算，解碼得出旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的位置角；步驟S3：將解碼得出的位置角輸出到EPS控制器，作為角度反饋輸入信號(hào)。

上述的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)變壓器的角度解碼方法，其中，所述初級(jí)繞組位于轉(zhuǎn)子上作為勵(lì)磁繞組輸入，所述兩個(gè)次級(jí)繞組位于定子上，其中一個(gè)作為正弦繞組輸出，另一個(gè)作為余弦繞組輸出。

上述的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)變壓器的角度解碼方法，其中，所述步驟S2包括：計(jì)算兩個(gè)模擬電壓對(duì)比值對(duì)應(yīng)角度的所在的象限，然后記錄象限區(qū)間，將[0,2π]轉(zhuǎn)換到[0,π/4]范圍內(nèi)，并在每個(gè)象限區(qū)間根據(jù)CORDIC算法計(jì)算[0,1]范圍內(nèi)的反正切角度，再根據(jù)之前記錄的象限值，將角度值還原到[0,2π]范圍內(nèi)。

上述的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)變壓器的角度解碼方法，其中，所述步驟S2包括：令在二維坐標(biāo)系中，構(gòu)造向量(x₁,y₁)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)θ₁角度后得到向量(x₂,y₂)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)θ₂角度后得到向量(x₃,y₃)，θ_n＝arctan(2^1-n)，n＞＝1；當(dāng)y_n大于0時(shí)，向下旋轉(zhuǎn)θ_n；當(dāng)y_n小于0時(shí)，向上旋轉(zhuǎn)θ_n；控制向量(x₁,y₁)旋轉(zhuǎn)一定次數(shù)m次后，使得旋轉(zhuǎn)后的向量(x_m,y_m)中的y_m值趨于0，此時(shí)求解出旋轉(zhuǎn)的角度：

本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本發(fā)明使用低成本的FPGA、AD轉(zhuǎn)換芯片等分離器件，基于CORDIC算法處理旋轉(zhuǎn)變壓器輸出模擬信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)角度解碼。

附圖說(shuō)明

圖1為旋轉(zhuǎn)變壓器電氣示意圖；

圖2為初級(jí)繞組和2個(gè)次級(jí)繞組電壓波形圖；

圖3為T(mén)ypeII跟蹤閉環(huán)原理示意圖；

圖4為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)變壓器解碼算法系統(tǒng)組成示意圖；

圖5為FPGA CORDIC算法求解全角度框圖；

圖6為本發(fā)明CORDIC算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)變壓器是由一個(gè)勵(lì)磁繞組輸入、一個(gè)正弦繞組輸出和一個(gè)余弦繞組輸出組成。通常配置是初級(jí)繞組位于轉(zhuǎn)子上，兩個(gè)次級(jí)繞組則位于定子上，如圖1所示。

假設(shè)轉(zhuǎn)子絕對(duì)角度為θ，初級(jí)繞組電壓即勵(lì)磁電壓為：V_r＝V_p sin(ωt)

其中V_r信號(hào)幅度，ω為勵(lì)磁角頻率。那么輸出電壓與輸入電壓之間的函數(shù)關(guān)系為：

V_a＝V_s sin(ωt)cos(θ) (2.1)

V_b＝V_s sin(ωt)sin(θ) (2.2)

初級(jí)繞組采用交流基準(zhǔn)源激勵(lì)，兩個(gè)定子繞組機(jī)械錯(cuò)位90°，因此定子次級(jí)繞組上耦合的幅度是轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置的函數(shù)。初級(jí)繞組電壓和兩個(gè)次級(jí)繞組電壓波形如圖2所示。

(1)傳統(tǒng)數(shù)字解碼器

目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的是數(shù)字解碼器，如ANALOG DEVICES公司開(kāi)發(fā)的AD2S1210。

AD2S1210按照TypeII跟蹤閉環(huán)原理工作，如圖3所示。輸出連續(xù)跟蹤旋變的位置，而不需要外部轉(zhuǎn)換和等待狀態(tài)。當(dāng)旋變的位置旋轉(zhuǎn)了相當(dāng)于最低有效位的角度時(shí)，輸出更新1LSB。

轉(zhuǎn)換器跟蹤角度θ的原理為：轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出角Φ，然后反饋Φ與輸入角θ相比較；當(dāng)轉(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角時(shí)，二者之間的誤差將趨于0。為了測(cè)量跟蹤角度誤差，構(gòu)造如下電壓公式：

V₁＝V_s sin(ωt)cos(θ)sin(Φ) (2.3)

V₂＝V_s sin(ωt)sin(θ)cos(Φ) (2.4)

將(2.3)和(2.4)兩式相減得到：

V₀＝V_s sin(ωt)sin(θ-Φ) (2.5)

當(dāng)角度誤差θ-Φ很小時(shí)，公式(2.5)近似表達(dá)為：

V₀＝V_s sin(ωt)(θ-Φ) (2.6)

V₀表示轉(zhuǎn)子的實(shí)際角度與轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出角度之間的誤差。一個(gè)相位敏感解調(diào)器，一些積分器和一個(gè)補(bǔ)償濾波器組成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，使角度誤差信號(hào)歸于零,如圖3所示。TypeII跟蹤環(huán)路能跟蹤恒定速度輸入，而不存在固有誤差，當(dāng)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)時(shí)，Φ等于旋轉(zhuǎn)角θ。

(2)本發(fā)明解碼系統(tǒng)

將(2.1)和(2.2)兩式相比，得出：

本發(fā)明將正交的正余弦模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為求解反正切的數(shù)學(xué)模型，從而得到轉(zhuǎn)子角度θ。本發(fā)明采用FPGA用純硬件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)角度解碼，能以較低的成本實(shí)現(xiàn)并達(dá)到系統(tǒng)的要求。本發(fā)明系統(tǒng)中角度解碼是通過(guò)采集正余弦模擬信號(hào)來(lái)獲取旋變位置的信息。

本發(fā)明旋轉(zhuǎn)變壓器解碼系統(tǒng)如圖4所示，包括：旋轉(zhuǎn)變壓器，AD采樣模塊，F(xiàn)PGA解碼算法和16英飛凌位單片機(jī)。針對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸入輸出信號(hào)的特征，用CORDIC算法實(shí)現(xiàn)一個(gè)反正切的函數(shù)就能夠得出旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的位置角。

本發(fā)明的角度解碼方法包括如下步驟：

步驟S1：使用AD采樣模塊，獲取次級(jí)繞組的兩個(gè)模擬電壓信號(hào)Va和Vb，輸出兩個(gè)數(shù)字電壓信號(hào)；

步驟S2：基于CORDIC算法，利用FPGA的硬件資源實(shí)現(xiàn)反正切運(yùn)算。采用硬件方式實(shí)現(xiàn)角度解碼的執(zhí)行速度很快，能夠滿(mǎn)足對(duì)實(shí)時(shí)性旋轉(zhuǎn)變壓器解碼要求很高的EPS系統(tǒng)。

步驟S3：將解碼角度結(jié)果輸出到16位英飛凌單片機(jī)，作為EPS控制器的角度反饋輸入信號(hào)。

本發(fā)明核心部分是基于CORDIC算法使用FPGA硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)反正切的角度解碼，當(dāng)正余弦信號(hào)為正值時(shí)，CORDIC算法角度覆蓋范圍只有(0，+99.88°)，無(wú)法覆蓋整個(gè)(0，360°)，而本發(fā)明進(jìn)一步對(duì)算法進(jìn)行了優(yōu)化，能夠解算(0,360°)范圍內(nèi)的任意角度信息,使用FPGA解碼全角度的算法框圖見(jiàn)圖5，具體過(guò)程如下：

1、AD采樣電路獲取兩個(gè)模擬電壓信號(hào)Va和Vb，輸出兩個(gè)數(shù)字電壓信號(hào)；

2、預(yù)處理階段是將[0,2π)轉(zhuǎn)換到[0,π/2)范圍內(nèi)，保證cordic算法的收斂性。計(jì)算兩個(gè)模擬電壓對(duì)比值對(duì)應(yīng)角度的所在的象限，然后記錄象限區(qū)間。

前置處理過(guò)程如下：

2.1當(dāng)輸入角度為0≤θ＜π/2時(shí)，Q＝1；

2.2當(dāng)輸入角度為π/2＜θ＜π時(shí)，Q＝2；

2.3當(dāng)輸入角度為π＜θ＜3π/2時(shí)，Q＝3；

2.4當(dāng)輸入角度為3π/2＜θ＜2π時(shí)，Q＝4；

3、后處理階段：

3.1當(dāng)Q＝1時(shí)，直接輸出sinθ,cosθ；

3.2當(dāng)Q＝2時(shí)，輸出sinθ,-cosθ；

3.3當(dāng)Q＝3時(shí)，輸出-sinθ,-cosθ；

3.4當(dāng)Q＝4時(shí)，輸出-sinθ,cosθ。

4、根據(jù)CORDIC算法和正余弦電壓信號(hào)計(jì)算[0,π/2)范圍內(nèi)的反正切角度。

5、將解析出來(lái)的角度輸入到16位英飛凌單片機(jī)中。

本發(fā)明采用的CORDIC算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖6所示。由公式(2.7)知，為方便計(jì)算令在二維坐標(biāo)系中，構(gòu)造向量(x₁,y₁)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)θ₁角度后得到向量(x₂,y₂)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)θ₂角度后得到向量(x₃,y₃)…，其中tan(θ_n)＝2^1-n，θ_n＝arctan(2^1-n)，n＞＝1。當(dāng)y_n大于0時(shí)，向下旋轉(zhuǎn)θ_n＞0；當(dāng)y_n小于0時(shí)，向上旋轉(zhuǎn)θ_n＜0；根據(jù)數(shù)學(xué)幾何關(guān)系可知：

向量每次旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，本發(fā)明只關(guān)心旋轉(zhuǎn)的角度，而不關(guān)心旋轉(zhuǎn)后的向量幅值，因此將公式(2.8)加以修改(保持旋轉(zhuǎn)角度不變即可)得到公式：

由此可見(jiàn)，向量(x₁,y₁)旋轉(zhuǎn)一定次數(shù)m次后，就可以使得旋轉(zhuǎn)后的向量(x_m,y_m)中的y_m值趨于0，此時(shí)可以近似計(jì)算：即可近似求解出來(lái)旋轉(zhuǎn)的角度。

由于tan(θ_n)＝2^1-n，相鄰變量之間的旋轉(zhuǎn)在FPGA中可以通過(guò)移位進(jìn)行快速運(yùn)算。

根據(jù)本發(fā)明解碼系統(tǒng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)解碼實(shí)驗(yàn)(取m值等于17)，解碼出來(lái)的角度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：

由上可見(jiàn)，本發(fā)明跟專(zhuān)用解碼芯片AD2S1210解碼出來(lái)的角度相比，解碼誤差不超過(guò)0.15度。本發(fā)明采用低成本的FPGA解碼系統(tǒng)能夠解碼旋轉(zhuǎn)變壓器角度，可以滿(mǎn)足EPS控制系統(tǒng)對(duì)反饋角度精度的要求。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)所界定的為準(zhǔn)。