多圈记忆旋转变压器解码电路及其位置解算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多圈记忆旋转变压器解码电路及其位置解算方法。
【背景技术】
[0002] 在机器人伺服系统中，需要实时检测出转子的位置，同时还需要检测出电机的旋 转速度以及电机旋转多圈绝对角度，以实现对电机的转矩、速度、以及驱动机构位置的高精 度控制。目前，常用的位置传感元件主要有霍尔传感器、光电编码器、磁编码器、旋转变压器 等。旋转变压器由于结构简单、具有耐高温、耐湿度、抗振动、抗干扰能力强等优点，常应用 于工作环境恶劣的场合。
[0003] 旋转变压器简称旋变，是一种输出电压随转子转角变化的传感元件。当旋变励磁 绕组以一定频率的交流电压励磁时，旋变输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函 数关系。旋变输出为两路包含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运算，得到电机转子绝对位置数字信号。
[0004] 旋转变压器的解码电路一般由专用芯片如多摩川公司的AU6802N1等专用芯片完 成。诸多文献如《基于旋转变压器的电动机转子位置检测研究》均采用AU6802N1完成旋转 变压器的激励与解码功能，能够提供电机转子单圈绝对角度以及旋转速度。但是，在系统掉 电情况下，若存在人为移动电机转轴后，系统需要重新对电机转子进行找零。在机器人伺服 系统中，不仅需要实时检测出转子的位置，还要求能够提供电机旋转的多圈绝对角度并具 有在系统掉电情况下继续对旋变进行解码的能力，以实现对电机的转矩、速度、以及驱动机 构位置的高精度控制。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种多圈记忆旋转变压器解码电路及其位置解算方法，在提供高精度 电机转子角度信息和转速信息的同时，提供电机多圈绝对角度信息，并在系统掉电情况下 仍然能够完成对旋转变压器信息的解码功能。
[0006] 为了达到上述目的，本发明提供一种多圈记忆旋转变压器解码电路，包含：
[0007] 旋转变压器激励电路，其输出端电性连接旋转变压器的初级励磁绕组，该旋转变 压器激励电路产生正弦激励信号施加到初级励磁绕组；
[0008] 旋转变压器输出信号采集电路，其输入端电性连接旋转变压器的次级感应绕组， 该旋转变压器输出信号采集电路对次级感应绕组的输出电压值进行采样；
[0009] 位置解算电路，其输入端电性连接旋转变压器输出信号采集电路的输出端，该位 置解算电路根据旋转变压器次级感应绕组的输出电压值计算得到电机转子角度、电机转子 速度和电机转子圈数；
[0010] 电源管理电路，其输出端电性连接旋转变压器激励电路、旋转变压器输出信号采 集电路和位置解算电路，该电源管理电路能够在外部供电断电情况下仍然为多圈记忆旋转 变压器解码电路提供电能。
[0011] 所述的旋转变压器激励电路包含：
[0012] 直接数字频率合成器，其产生频率和相位可控的正弦信号；
[0013] 模数转换器，其输入端电性连接直接数字频率合成器的输出端，该模数转换器将 直接数字频率合成器输出的正弦数字信号转换成模拟信号；
[0014] 功率放大电路，其输入端电性连接模数转换器的输出端，该功率放大电路实现对 模拟信号的功率放大；
[0015] 滤波电路，其输入端电性连接功率放大电路的输出端，输出端电性连接旋转变压 器的初级励磁绕组，该滤波电路实现对模拟信号的滤波，并将放大滤波后的模拟正弦信号 施加到初级励磁绕组上。
[0016] 所述的直接数字频率合成器包含：
[0017] 频率设置模块，该模块设置旋转变压器激励电路激励信号的频率；
[0018] 相位设置模块，该模块设置旋转变压器激励电路激励信号的相位；
[0019]系统时钟，该模块给直接数字频率合成器提供时钟信号；
[0020] 相位累加器，该模块用于对输入频率控制字进行累加，其输入端电性连接频率设 置模块、相位设置模块和系统时钟的输出端；
[0021] 相位调制器，该模块用于信号相位的调制，其输入端电性连接相位累加器和系统 时钟的输出端；
[0022] 正弦查找表，该模块用于实现正弦信号波形的产生，其输入端电性连接相位调制 器和系统时钟的输出端。
[0023] 所述的旋转变压器输出信号采集电路包含：
[0024] 信号调理电路，其输入端电性连接旋转变压器的次级感应绕组，该信号调理电路 对次级感应绕组的输出电压模拟信号进行滤波放大，使其满足模数采样电路的输入电压范 围；
[0025] 模数采样电路，其输入端电性连接信号调理电路的输出端，该模数采样电路对调 理后的模拟信号进行采样；
[0026]ADC控制电路，其输入端电性连接模数采样电路，输出端电性连接位置解算电路， 该ADC控制电路控制模数采样电路，将采样后的数字信号发送给位置解算电路。
[0027] 所述的电源管理电路包含：
[0028] 备用电池，其电性连接外部电源，该备用电池为可重复充电蓄电池，在掉电情况下 为多圈记忆旋转变压器解码电路提供电能，并可利用外部电源充电；
[0029] 电压检测电路，其电性连接外部电源和备用电池，该电压检测电路用于检测外部 电源是否掉电，并实现备用电池和外部电源之间的切换；
[0030] 电压转换电路，其电性连接外部电源和电压检测电路，该电压转换电路将供电电 源转换为多圈记忆旋转变压器解码电路需要的电压。
[0031] 本发明还提供一种旋转变压器位置解算方法，包含以下步骤：
[0032] 对旋转变压器的输出值进行反正切计算，直接得到电机转子的绝对角度；
[0033] 对电机转子角度进行微分计算，得到电机转子的转速信息；
[0034] 根据电机转子角度的当前值与存储值的差值，判断电机转子的旋转方向，并判断 电机转子的位置是否过零点，从而完成多圈计数，获得电机转子角度信息和转子圈数信息。
[0035] 对旋转变压器的输出值进行反正切计算，直接得到电机转子的绝对角度的步骤包 含：
[0036] 旋转变压器输出的正弦调制信号与余弦调制信号之比为转子位置的正切函数：
[0038]式中，EsiS3是正弦调制信号，EsiS3=KEQsin(〇t)sin0，Es2s4是余弦调制信号，Es2s4=KEtjSin〇t)cos9，E。为正弦激励信号电压幅值，《为正弦激励信号角频率，K为旋 转变压器的变比，0为初级励磁绕组与转子夹角；
[0039] 进行反正切计算即可得到电机转子角度：
[0041] 对电机转子角度进行微分计算，得到电机转子的转速信息的步骤包含：
[0042] 电机转子角度与转子速度的关系为
[0043] 通过对电机转子角度的微分可得到电机转子速度。
[0044] 如果电机转子角度的当前值与存储值的差值大于零，则判断电机转子为正转，如 果电机转子角度的当前值与存储值的差值小于等于零，则判断电机转子为反转；
[0045] 如果电机转子正转过零点，则转子圈数值加一；如果电机转子正转未过零点，或者 电机转子反转未过零点，则转子圈数值保持不变；如果电机转子反转过零点，则转子圈数值 减一。
[0046] 本发明在提供高精度电机转子角度信息和转速信息的同时，提供电机多圈绝对角 度信息，并在系统掉电情况下仍然能够完成对旋转变压器信息的解码功能。
【附图说明】
[0047] 图1是旋转变压器原理示意图。
[0048] 图2是本发明提供的多圈记忆旋转变压器解码电路的电路框图。
[0049] 图3是旋转变压器激励电路的电路框图。
[0050] 图4是电源管理电路的电路框图。
[0051] 图5是电机转子多圈计数的流程图。
【具体实施方式】
[0052] 以下根据图1~图5，具体说明本发明的较佳实施例。
[0053] 旋转变压器原理示意图如图1所