本發(fā)明涉及交流伺服控制領(lǐng)域，尤其涉及旋轉(zhuǎn)變壓器的編解碼領(lǐng)域，具體是指一種基于dsadc的旋變軟件解碼系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

在交流伺服控制系統(tǒng)中，只有獲得準(zhǔn)確可靠的轉(zhuǎn)子位置和速度信息才可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高性能控制。旋轉(zhuǎn)變壓器作為一種十分常見的電磁感應(yīng)式位置傳感器，因結(jié)構(gòu)簡單、精度高、抗干擾性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用在各種場(chǎng)合。旋轉(zhuǎn)變壓器的兩路輸出信號(hào)為幅值隨其位置變化的模擬信號(hào)，需要通過數(shù)字轉(zhuǎn)換處理成數(shù)字角度信號(hào)才能被計(jì)算機(jī)或者其他控制器所使用。對(duì)旋變輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換處理目前市場(chǎng)上比較成熟的技術(shù)就是采用專用的解碼芯片，專用芯片的使用可以獲得較高的解碼精度和較好的性能，但是其價(jià)格昂貴，在對(duì)成本有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合難以廣泛使用。

在工業(yè)應(yīng)用中，如何能讓系統(tǒng)的控制達(dá)到高的精度的是一個(gè)一直探討的課題。交流電機(jī)作為交流伺服系統(tǒng)的執(zhí)行部件，在運(yùn)行的過程中需要獲得轉(zhuǎn)子的位置并發(fā)送給控制器，以提高閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能。永磁同步交流電機(jī)和感應(yīng)異步交流電機(jī)是目前電動(dòng)機(jī)主要的兩大類型，其中永磁同步交流電機(jī)具有十分良好的低速性能、能夠?qū)崿F(xiàn)弱磁高速控制，寬廣的調(diào)速范圍、以及極高的效率，因此已經(jīng)在交流伺服系統(tǒng)中成為了首要的選擇。在電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域，永磁同步電機(jī)也隨著新能源汽車的推廣與發(fā)展獲得了同步的快速發(fā)展。根據(jù)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)可知其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，但作為無刷電動(dòng)機(jī)的一種它沒有換向機(jī)構(gòu)，因此需要位置傳感器來確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。系統(tǒng)的輸出結(jié)果通過傳感器后產(chǎn)生一個(gè)負(fù)反饋給控制器，然后與系統(tǒng)的輸入量與通過進(jìn)行比較，從而發(fā)送控制命令用以指示驅(qū)動(dòng)機(jī)和執(zhí)行電機(jī)的行動(dòng)，由于負(fù)反饋的存在系統(tǒng)的輸入與輸出誤差就會(huì)得到調(diào)整變得越來越小。反饋系統(tǒng)是否能夠達(dá)到完美的效果，選擇高精度高分辨率的傳感器是十分重要的。在電機(jī)控制環(huán)節(jié)中電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置是重要反饋部分，它直接影響著電機(jī)的工作表現(xiàn)。目前光電編碼器和旋變是最為主要的永磁同步交流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)測(cè)量元件。

光電編碼器的主要特點(diǎn)是體積較小、分辨率極高、安裝簡單、精度高，由于直接以數(shù)字信號(hào)作為輸出，因此數(shù)據(jù)的處理電路比較簡單，但是為了得到較好的光學(xué)信號(hào)，光電編碼器對(duì)光柵的刻畫工藝要求高，同時(shí)對(duì)環(huán)境比較敏感，耐沖擊及抗振動(dòng)性比較差，工作環(huán)境受到了一定限制。相比較而言，除了擁有相對(duì)更小的誤差以及更高的精度等特點(diǎn)以外旋變還具有構(gòu)造簡單、堅(jiān)固耐用，抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。由于旋轉(zhuǎn)變壓器有眾多光電編碼器不具備的優(yōu)點(diǎn)，除了在一般的傳感器應(yīng)用場(chǎng)合外，一些特殊場(chǎng)合，尤其在抗沖擊、抗振動(dòng)，易燃易爆等惡劣環(huán)境條件下如軍事、航空、航天等要求高可靠性應(yīng)用的領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。此外,目前除了在工業(yè)、交通行業(yè)以外旋轉(zhuǎn)變壓器也開始在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用如新能源汽車、數(shù)控機(jī)床、電力、冶金、紡織等領(lǐng)域。

旋轉(zhuǎn)變壓器的兩路輸出均為模擬信號(hào)，對(duì)輸出數(shù)據(jù)處理電路要求高結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜是其在應(yīng)用中的最大缺點(diǎn)。以正余弦型旋變作為研究對(duì)象來討論，其輸出的兩路信號(hào)為均包含了轉(zhuǎn)子的位置信息的一路正弦信號(hào)和另一路余弦信號(hào),如何從其中解算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，獲得到轉(zhuǎn)子位置的高精度數(shù)字信號(hào)是不太容易的，因此分析和研究怎樣合適的處理這兩路正余弦信號(hào)以準(zhǔn)確快速地獲取高精度的位置信息是十分重要的。針對(duì)這一問題，目前很多公司都研發(fā)推出了一系列專用的旋變位置解碼芯片如美國ad公司開發(fā)的ad2s80、ad2s80a、ad2s1200系列和日本多摩川公司的au6802、au6802n1、au6803系列等。專用芯片解碼技術(shù)比較成熟，但這種芯片的價(jià)格一般比較昂貴，將會(huì)大大增加系統(tǒng)成本。為了節(jié)約成本，彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，本研究擬通過軟件算法來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變壓器的位置解碼。通過采用基于過采樣原理的deltasigmaadc實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的高頻精確采樣會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的相位滯后，需要在算法中加入延時(shí)校正來進(jìn)行補(bǔ)償，回路參數(shù)條件變化時(shí)延時(shí)校正補(bǔ)償可自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于數(shù)字信號(hào)中包含的載波信號(hào)的解調(diào)主要通過反向整形和積分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，解調(diào)后的信息再經(jīng)過最后的觀測(cè)器算法進(jìn)行了轉(zhuǎn)子角度信號(hào)的實(shí)時(shí)解算。該解碼方法具有高精確度和高動(dòng)靜態(tài)性能，可以節(jié)約硬件開發(fā)成本，避免了資源的浪費(fèi)，從而創(chuàng)造出更好的經(jīng)濟(jì)效益，從而實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器的低成本、高性能、高集成度的角度變換。

目前對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器主要采用硬件解碼的形式，即采用專用芯片實(shí)現(xiàn)解碼，很少使用軟件解碼方式?？伤阉鞯降膶＠?，關(guān)于軟件解碼的有“一種基于旋轉(zhuǎn)變壓器軟件解碼的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”，其軟件解碼方式主要分為兩部分，首先是對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，主要是通過硬件電路的方式進(jìn)行處理，得到包含電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的正、余弦信號(hào)，然后通過cordic算法解算出轉(zhuǎn)子的位置。

具體實(shí)現(xiàn)過程為如圖1所示，對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的差分正余弦信號(hào)進(jìn)行濾波，再經(jīng)過直流偏執(zhí)以及比例放大后轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào)，然后使用cordic算法解算出轉(zhuǎn)子位置。

假設(shè)某一時(shí)刻旋變的旋轉(zhuǎn)角度θ，獲取該θ對(duì)應(yīng)的正余弦值后，通過不同的算法從正余弦值中得到直觀的角度值。“不同的算法”除了標(biāo)定查表法以外，還包括反正切法，反正切法是目前較常見的旋變解算方法，首先通過三角函數(shù)計(jì)算公式tanθ＝sinθ/cosθ獲取此時(shí)旋轉(zhuǎn)角度θ的正切值，再通過進(jìn)一步的反正切運(yùn)算θ＝arctanθ即可得到具體的角度值，得到角度信息值后通過微分運(yùn)算就能得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。反正切法對(duì)硬件配置要求較低，所需的外圍硬件電路簡單，軟件計(jì)算對(duì)處理器的要求也不高，但是由于旋變的輸出信號(hào)一般都含有噪聲和高次諧波，存在計(jì)算量大、抗干擾性差等缺點(diǎn)，使其解碼精度不高。

現(xiàn)有的比較成熟的硬件解碼方案需要單獨(dú)購買專用的解碼芯片，這種芯片的價(jià)格比較昂貴，會(huì)使系統(tǒng)成本大大提高，而且精度受限。

上述提到的已有的軟件解碼方案，需要使用單獨(dú)的mcu進(jìn)行軟件解碼，同時(shí)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)硬件電路對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)進(jìn)行處理，也額外的增加了成本。在信號(hào)處理階段，為了得到所需的正余弦信號(hào)，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行了低通濾波處理，但是沒有對(duì)濾波后的結(jié)果進(jìn)行幅值和相位的補(bǔ)償，這樣得到的結(jié)果會(huì)有偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供了一種低成本的基于dsadc的旋變軟件解碼系統(tǒng)及其方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明的基于dsadc的旋變軟件解碼系統(tǒng)及其方法具體如下：

該基于dsadc的旋變軟件解碼系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是，所述的旋變軟件解碼系統(tǒng)基于主mcu中的dsadc模塊，包括以下單元：

高頻精確采樣單元，用以對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行高頻精確采樣，獲取所述的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)高頻精確采樣后生成的數(shù)字信號(hào)；

解調(diào)模塊，用以對(duì)所述的高頻精確采樣單元輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲取數(shù)字信號(hào)中包括的載波信號(hào)，輸出旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦曲線與余弦曲線；

觀測(cè)器模塊，用以根據(jù)所述的解調(diào)模塊輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值與余弦值進(jìn)行轉(zhuǎn)子角度信號(hào)的實(shí)時(shí)解算，獲取觀測(cè)角度和角速度還用以獲取觀測(cè)誤差。

較佳地，所述的高頻精確采樣單元為基于過采樣的高頻精確采樣單元，其過采樣率的設(shè)置范圍為4至512，其a/d模數(shù)采樣速率范圍為10mhz～20mhz。

較佳地，所述的解調(diào)模塊包括反向整形單元和與所述的反向整形單元相連接的積分運(yùn)算單元，且所述的解調(diào)模塊通過所述的反向整形單元連接至所述的高頻精確采樣單元，通過所述的積分運(yùn)算單元連接至所述的觀測(cè)器模塊，且

所述的反向整形單元用于進(jìn)行正負(fù)半軸信號(hào)的反轉(zhuǎn)；

所述的積分運(yùn)算單元用于對(duì)完成反轉(zhuǎn)后的信號(hào)的積分處理，以獲取旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦曲線和余弦曲線。

較佳地，所述的觀測(cè)器模塊為一基于鎖相環(huán)的角度觀測(cè)器模塊，其輸入端連接所述的解調(diào)模塊的輸出端，用以對(duì)輸入端輸入的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值和余弦值進(jìn)行處理，獲取觀測(cè)角度和角速度所述的觀測(cè)器模塊還根據(jù)觀測(cè)角度和所述的解調(diào)模塊輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值、余弦值獲取觀測(cè)誤差ε。

更佳地，所述的角度觀測(cè)器模塊的傳遞函數(shù)為：

其中，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，且所述的ki由所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的固有頻率ωn確定，所述的kp由所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的固有頻率ωn以及所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的阻尼因子ξ確定。

尤佳地，所述的ki與所述的kp分別為：

kp＝2ξωn；

其中，所述的ωn為旋轉(zhuǎn)變壓器的固有頻率，所述的ξ為所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的阻尼因子。

上述基于dsadc的旋變軟件解碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解碼的方法，其主要特點(diǎn)是，所述的方法包括以下步驟：

(1)通過所述的高頻精確采樣單元對(duì)所述的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行高頻精確采樣；

(2)通過解調(diào)模塊對(duì)經(jīng)高頻精確采樣后獲取的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲取相應(yīng)的載波信號(hào)，從而獲取所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦曲線和余弦曲線；

(3)通過觀測(cè)模塊對(duì)步驟(2)中獲取的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值和余弦值進(jìn)行轉(zhuǎn)子角度信號(hào)的實(shí)時(shí)解算，獲取旋轉(zhuǎn)變壓器的觀測(cè)角度和角速度

較佳地，所述的解調(diào)模塊包括反向整形單元和與所述的反向整形單元相連接的積分運(yùn)算單元，且所述的解調(diào)模塊通過所述的反向整形單元連接至所述的高頻精確采樣單元，通過所述的積分運(yùn)算單元連接至所述的觀測(cè)器模塊，且所述的反向整形單元用于進(jìn)行正負(fù)半軸信號(hào)的反轉(zhuǎn)；所述的積分運(yùn)算單元用于對(duì)完成反轉(zhuǎn)后的信號(hào)的積分處理，以獲取旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦曲線和余弦曲線，且所述的步驟(2)為：

所述的解調(diào)模塊通過所述的反向整形單元對(duì)所述的高頻精確采樣單元輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行反向整形，并通過所述的積分運(yùn)算單元對(duì)經(jīng)反向整形的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲取載波信號(hào)，從而獲取所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦曲線和余弦曲線，從而獲取對(duì)應(yīng)的正弦值和余弦值。

較佳地，觀測(cè)器模塊為一基于鎖相環(huán)的角度觀測(cè)器模塊，其輸入端連接所述的解調(diào)模塊的輸出端，用以對(duì)輸入端輸入的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值sinθ和余弦值cosθ獲取觀測(cè)角度和角速度所述的步驟(3)為：

所述的觀測(cè)器模塊對(duì)輸入端輸入的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值和余弦值進(jìn)行處理，獲取觀測(cè)角度和角速度所述的觀測(cè)器模塊還根據(jù)觀測(cè)角度和所述的解調(diào)模塊輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值、余弦值獲取觀測(cè)誤差ε。

采用本發(fā)明的基于dsadc的旋變軟件解碼系統(tǒng)及其方法，直接利用主mcu中自帶的dsadc模塊進(jìn)行軟件解碼，不需要額外的芯片或者mcu，由于采用基于過采樣原理的deltasigmaadc對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高頻精確采樣會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的相位滯后，在系統(tǒng)中加入延時(shí)校正來進(jìn)行補(bǔ)償，回路參數(shù)條件變化時(shí)延時(shí)校正補(bǔ)償可自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于數(shù)字信號(hào)中包含的載波信號(hào)的解調(diào)主要通過反向整形和積分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，解調(diào)后的信息再經(jīng)過最后的觀測(cè)器模塊進(jìn)行了轉(zhuǎn)子角度信號(hào)的實(shí)時(shí)解算，而相位誤差的補(bǔ)償也由所述的觀測(cè)器模塊實(shí)現(xiàn)，具有高精確度和高動(dòng)靜態(tài)性能的特點(diǎn)，可以節(jié)約硬件開發(fā)成本，避免了資源的浪費(fèi)，從而創(chuàng)造出更好的經(jīng)濟(jì)效益，從而實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器的低成本、高性能、高集成度的角度變換，不需要額外的mcu專門進(jìn)行軟件解碼，不需要自己單獨(dú)設(shè)計(jì)硬件電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、對(duì)信號(hào)處理中的濾波等進(jìn)行補(bǔ)償、計(jì)算轉(zhuǎn)子位置時(shí)通過二階鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)計(jì)算得到轉(zhuǎn)子位置，能夠快速準(zhǔn)確地得到轉(zhuǎn)子位置，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)能夠消除偏差，明顯優(yōu)于cordic算法。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)現(xiàn)旋變軟件解碼的方法流程示意圖。

圖2為本發(fā)明的單片機(jī)中的deltasigmaadc模塊單元的工作流程示意圖。

圖3為旋變輸出信號(hào)經(jīng)濾波抽取后的信號(hào)曲線。

圖4為二階角度跟蹤觀測(cè)器原理框圖。

圖5為本發(fā)明的基于dsadc的旋變軟件解碼系統(tǒng)的方法流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為了能夠更清楚地理解本實(shí)用技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實(shí)施例詳細(xì)說明。

該基于dsadc的旋變軟件解碼系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是，所述的旋變軟件解碼系統(tǒng)基于主mcu中的dsadc模塊，包括以下單元：

高頻精確采樣單元，用以對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行高頻精確采樣，獲取所述的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)高頻精確采樣后生成的數(shù)字信號(hào)；

解調(diào)模塊，用以對(duì)所述的高頻精確采樣單元輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲取數(shù)字信號(hào)中包括的載波信號(hào)，輸出旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦曲線與余弦曲線；

觀測(cè)器模塊，用以根據(jù)所述的解調(diào)模塊輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值與余弦值進(jìn)行轉(zhuǎn)子角度信號(hào)的實(shí)時(shí)解算，獲取觀測(cè)角度和角速度還用以獲取觀測(cè)誤差。

在一種較佳的實(shí)施例中，所述的高頻精確采樣單元為基于過采樣的高頻精確采樣單元，其過采樣率的設(shè)置范圍為4至512，其a/d模數(shù)采樣速率范圍為10mhz～20mhz。

在一種較佳的實(shí)施例中，所述的解調(diào)模塊包括反向整形單元和與所述的反向整形單元相連接的積分運(yùn)算單元，且所述的解調(diào)模塊通過所述的反向整形單元連接至所述的高頻精確采樣單元，通過所述的積分運(yùn)算單元連接至所述的觀測(cè)器模塊，且

所述的反向整形單元用于進(jìn)行正負(fù)半軸信號(hào)的反轉(zhuǎn)；

所述的積分運(yùn)算單元用于對(duì)完成反轉(zhuǎn)后的信號(hào)的積分處理，以獲取旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦曲線和余弦曲線。

在一種較佳的實(shí)施例中，所述的觀測(cè)器模塊為一基于鎖相環(huán)的角度觀測(cè)器模塊，其輸入端連接所述的解調(diào)模塊的輸出端，用以對(duì)輸入端輸入的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值和余弦值進(jìn)行處理，獲取觀測(cè)角度和角速度所述的觀測(cè)器模塊還根據(jù)觀測(cè)角度和所述的解調(diào)模塊輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值、余弦值獲取觀測(cè)誤差ε。

在一種更佳的實(shí)施例中，所述的角度觀測(cè)器模塊的傳遞函數(shù)為：

其中，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，且所述的ki由所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的固有頻率ωn確定，所述的kp由所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的固有頻率ωn以及所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的阻尼因子ξ確定。

在一種尤佳的實(shí)施例中，所述的ki與所述的kp分別為：

kp＝2ξωn；

其中，所述的ωn為旋轉(zhuǎn)變壓器的固有頻率，所述的ξ為所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的阻尼因子。

上述基于dsadc的旋變軟件解碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解碼的方法，其主要特點(diǎn)是，所述的方法包括以下步驟：

(1)通過所述的高頻精確采樣單元對(duì)所述的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行高頻精確采樣；

(2)通過解調(diào)模塊對(duì)經(jīng)高頻精確采樣后獲取的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲取相應(yīng)的載波信號(hào)，從而獲取所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦曲線和余弦曲線；

(3)通過觀測(cè)模塊對(duì)步驟(2)中獲取的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值和余弦值進(jìn)行轉(zhuǎn)子角度信號(hào)的實(shí)時(shí)解算，獲取旋轉(zhuǎn)變壓器的觀測(cè)角度和角速度

在一種較佳的實(shí)施例中，所述的解調(diào)模塊包括反向整形單元和與所述的反向整形單元相連接的積分運(yùn)算單元，且所述的解調(diào)模塊通過所述的反向整形單元連接至所述的高頻精確采樣單元，通過所述的積分運(yùn)算單元連接至所述的觀測(cè)器模塊，且所述的反向整形單元用于進(jìn)行正負(fù)半軸信號(hào)的反轉(zhuǎn)；所述的積分運(yùn)算單元用于對(duì)完成反轉(zhuǎn)后的信號(hào)的積分處理，以獲取旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦曲線和余弦曲線，且所述的步驟(2)為：

所述的解調(diào)模塊通過所述的反向整形單元對(duì)所述的高頻精確采樣單元輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行反向整形，并通過所述的積分運(yùn)算單元對(duì)經(jīng)反向整形的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲取載波信號(hào)，從而獲取所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦曲線和余弦曲線，從而獲取對(duì)應(yīng)的正弦值和余弦值。

在一種較佳的實(shí)施例中，所述的觀測(cè)器模塊為一基于鎖相環(huán)的角度觀測(cè)器模塊，其輸入端連接所述的解調(diào)模塊的輸出端，用以對(duì)輸入端輸入的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值sinθ和余弦值cosθ獲取觀測(cè)角度和角速度所述的步驟(3)為：

所述的觀測(cè)器模塊對(duì)輸入端輸入的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值和余弦值進(jìn)行處理，獲取觀測(cè)角度和角速度所述的觀測(cè)器模塊還根據(jù)觀測(cè)角度和所述的解調(diào)模塊輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值、余弦值獲取觀測(cè)誤差ε。

請(qǐng)參閱圖4，在一種具體實(shí)施例中，觀測(cè)誤差ε的獲取由所述的觀測(cè)器模塊中的兩個(gè)乘法單元和一減法單元實(shí)現(xiàn)，其中第一乘法單元將所述的解調(diào)模塊輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度θ的正弦值sinθ和所述的觀測(cè)角度的余弦值相乘獲取第二乘法單元將解調(diào)模塊輸出的余弦值和所述的觀測(cè)角度的正弦值相乘獲取減法單元使所述的第一乘法單元的輸出與第二乘法單元的輸出相減，由第一乘法單元的輸出值減去第二乘法單元的輸出值，獲取觀測(cè)誤差(注意，在無限小的情況下，有

所述的角度觀測(cè)器模塊的傳遞函數(shù)為：

其中，ki為積分系數(shù)，kp為比例系數(shù)，且所述的ki由所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的固有頻率ωn確定，所述的kp由所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的固有頻率ωn以及所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的阻尼因子ξ確定。

所述的ki與所述的kp分別為：

kp＝2ξωn；

其中，所述的ωn為旋轉(zhuǎn)變壓器的固有頻率，所述的ξ為所述的旋轉(zhuǎn)變壓器的阻尼因子。

在一種具體實(shí)施方式中，該系統(tǒng)基于英飛凌aurix系列tc275單片機(jī)，片上集成deltasigmaadc模塊，取代傳統(tǒng)的adc，主要用于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出的模擬信號(hào)的采樣和處理，不需要額外的專用芯片或硬件電路，而deltasigmaadc模塊單元的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在使用deltasigmaadc模塊單元進(jìn)行高頻精確采樣時(shí)，是基于deltasigmaadc模塊單元的過采樣功能進(jìn)行的高頻精確采樣，而過采樣率osr每增加一倍，信噪比snr可增加3db，即分辨率增加了0.5bit，因此，過采樣率osr的大小直接影響了模塊采樣的有效位數(shù)。而在一種具體實(shí)施例中，將deltasigmaadc模塊單元的模數(shù)采樣速率配置在10mhz至20mhz之間，通過對(duì)模塊內(nèi)不同的濾波器參數(shù)進(jìn)行配置，其內(nèi)部的濾波和抽取部分使得過采樣率osr在4至512之間，從而使采樣速率降低至合適的數(shù)據(jù)結(jié)果輸出速率。在一個(gè)確定的osr條件下，該模塊不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。在輸入信號(hào)帶寬30khz～100khz的條件下，其信噪比可達(dá)74～80db，對(duì)輸入信號(hào)采樣的有效位數(shù)可達(dá)12～13位。

旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵(lì)信號(hào)本身是一個(gè)高頻的正弦信號(hào)，根據(jù)旋變的工作原理可知，兩個(gè)定子繞組中感應(yīng)出來的正余弦信號(hào)包含了此高頻信號(hào)。雖然旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過deltasigmaadc模塊單元后再經(jīng)過進(jìn)一步的抽取濾波后得到高分辨率的數(shù)字信號(hào)，但此數(shù)字信號(hào)仍然含有載波信號(hào)，為了獲得與角度直接相關(guān)的正余弦信號(hào)，必須使用解調(diào)模塊把載波信號(hào)從該數(shù)字信號(hào)中解調(diào)出來。首先對(duì)此數(shù)字信號(hào)進(jìn)行反向整形，然后再通過積分運(yùn)算就可以實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)的解調(diào)。

解調(diào)的具體過程如圖3所示，圖3中的①為旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)經(jīng)濾波抽取后的信號(hào)曲線，其對(duì)應(yīng)著一個(gè)360°的軸旋轉(zhuǎn)周期。對(duì)該曲線中一個(gè)載波周期的信號(hào)進(jìn)行分析，獲取②，再通過deltasigmaadc模塊單元內(nèi)部的載波信號(hào)正負(fù)標(biāo)志(請(qǐng)參見③)，在0～180°的旋轉(zhuǎn)位置內(nèi)，將負(fù)半軸的信號(hào)進(jìn)行反轉(zhuǎn)(請(qǐng)參見④)，以此類推，將該區(qū)間內(nèi)的波形信號(hào)全部反轉(zhuǎn)到了正半軸。同理，對(duì)于180°～360°的旋轉(zhuǎn)位置，將正半軸的信號(hào)全部反轉(zhuǎn)到負(fù)半軸，最終的到的波形效果如⑤所示，從而獲得一條完整的360°旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的調(diào)制正弦曲線，再經(jīng)一系列積分處理，即可得到光滑的正弦曲線，同理可得另一定子繞組中的余弦曲線。

通過以上的信號(hào)處理，對(duì)于旋轉(zhuǎn)變壓器一個(gè)固定的旋轉(zhuǎn)位置，均可以通過這兩個(gè)正余弦信號(hào)來進(jìn)行其角度計(jì)算。采用基于鎖相環(huán)的角度觀測(cè)器模塊進(jìn)行解算，具有較高的分辨率和抗干擾性，除了可以使角度解算的精確度獲得大大的提高以外，系統(tǒng)也獲得了更好的魯棒性。

基于鎖相環(huán)的角度觀測(cè)器模塊中包含基于數(shù)字鎖相環(huán)的角度觀測(cè)器閉環(huán)跟蹤算法，請(qǐng)參閱圖4，在一種具體實(shí)施例中，可由角度觀測(cè)器模塊獲取誤差的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中為觀測(cè)器誤差，為觀測(cè)估計(jì)角度值，θ為轉(zhuǎn)子實(shí)際角度值。若當(dāng)(觀測(cè)誤差)無限小，則有

圖4為典型的基于二階角度跟蹤觀測(cè)器原理圖，是一種基于鎖相環(huán)的角度觀測(cè)器模塊的具體實(shí)施例，在該具體實(shí)施例中，閉環(huán)系統(tǒng)中積分器和pi控制器的使用使得觀測(cè)器的輸出更平滑，具有很好的角度跟蹤性。所述的角度觀測(cè)器模塊將旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦值和余弦值，以及所述的角度觀測(cè)器模塊獲取的觀測(cè)角度的正弦值與余弦值相比較以后，通過常見的閉環(huán)系統(tǒng)就能把系統(tǒng)誤差調(diào)整到最小化。

擁有更平滑的系統(tǒng)性能也是觀測(cè)器優(yōu)于反正切法的重要原因。圖4中角度觀測(cè)器模塊的傳遞函數(shù)為：

通過其特征多項(xiàng)式與典型的ⅱ型系統(tǒng)進(jìn)行系數(shù)匹配，根據(jù)動(dòng)態(tài)性能確定所需的ωn及ξ，則可以計(jì)算角度觀測(cè)器的系數(shù)為：

kp＝2ξωn；

其中ωn為固有頻率，ξ為阻尼因子。

請(qǐng)參閱圖5，在具體實(shí)施例中，采用基于過采樣原理的deltasigmaadc對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高頻精確采樣會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的相位滯后，可在算法中加入延時(shí)校正來進(jìn)行補(bǔ)償，回路參數(shù)條件變化時(shí)延時(shí)校正補(bǔ)償可自動(dòng)調(diào)節(jié)，一種具體的實(shí)施方法為：在所述的觀測(cè)器模塊中，對(duì)計(jì)算出的相位進(jìn)行補(bǔ)償，然后反饋到系統(tǒng)中，形成閉環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整。對(duì)于數(shù)字信號(hào)中包含的載波信號(hào)的解調(diào)主要通過反向整形和積分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，解調(diào)后的信息再經(jīng)過最后的觀測(cè)器算法進(jìn)行了轉(zhuǎn)子角度信號(hào)的實(shí)時(shí)解算，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器的低成本、高性能、高集成度的角度變換。

采用本發(fā)明的基于dsadc的旋變軟件解碼系統(tǒng)及其方法，直接利用主mcu中自帶的dsadc模塊進(jìn)行軟件解碼，不需要額外的芯片或者mcu，由于采用基于過采樣原理的deltasigmaadc對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高頻精確采樣會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的相位滯后，在系統(tǒng)中加入延時(shí)校正來進(jìn)行補(bǔ)償，回路參數(shù)條件變化時(shí)延時(shí)校正補(bǔ)償可自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于數(shù)字信號(hào)中包含的載波信號(hào)的解調(diào)主要通過反向整形和積分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，解調(diào)后的信息再經(jīng)過最后的觀測(cè)器模塊進(jìn)行了轉(zhuǎn)子角度信號(hào)的實(shí)時(shí)解算，而相位誤差的補(bǔ)償也由所述的觀測(cè)器模塊實(shí)現(xiàn)，具有高精確度和高動(dòng)靜態(tài)性能的特點(diǎn)，可以節(jié)約硬件開發(fā)成本，避免了資源的浪費(fèi)，從而創(chuàng)造出更好的經(jīng)濟(jì)效益，從而實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器的低成本、高性能、高集成度的角度變換，不需要額外的mcu專門進(jìn)行軟件解碼，不需要自己單獨(dú)設(shè)計(jì)硬件電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、對(duì)信號(hào)處理中的濾波等進(jìn)行補(bǔ)償、計(jì)算轉(zhuǎn)子位置時(shí)通過二階鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)計(jì)算得到轉(zhuǎn)子位置，能夠快速準(zhǔn)確地得到轉(zhuǎn)子位置，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)能夠消除偏差，明顯優(yōu)于cordic算法。

在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本實(shí)用精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。