电动助力转向系统中旋转变压器的角度解码方法与流程

本发明涉及一种汽车电子技术，尤其涉及一种电动助力转向系统中旋转变压器的角度解码方法。

背景技术：

电动助力转向系统是由转向柱、减速机构、齿轮齿条和助力电机以及传感器和ECU控制单元等组成。转矩传感器通过扭杆连接在转向轴中间。汽车在转向时，转矩传感器开始工作，把相对转角转变成转矩电信号，这些电信号通过数据总线传给电子控制单元ECU。电子控制单元ECU根据转向盘的转动力矩、以及车辆速度等数据信号，向电动机发出动作指令；电机根据旋转变压器获取角度信息，从而决定电动机的旋转方向和助力电流的大小，完成实时控制的助力转向。

把旋转变压器输出的正交正余弦模拟信号转换为数字角位置的装置称为旋转变压器的数字解码器。目前很多公司推出的专用解码芯片，例如：如ANALOG DEVICES公司开发的AD2S80，AD2S80A，AD2S1200系列和多摩川公司的Au6802，Au6802N1，Au6803系列，而专用解码芯片一般价格十分昂贵。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是要提供一种电动助力转向系统中旋转变压器的角度解码方法，使用低成本的FPGA、AD转换芯片等分离器件，基于CORDIC算法处理旋转变压器输出模拟信号来实现电机软件角度解码，替换传统的专用解码芯片，降低EPS控制器成本。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种电动助力转向系统中旋转变压器的角度解码方法，所述旋转变压器上设有一个初级绕组和两个次级绕组，所述两个次级绕组机械错位90°，其中，包括如下步骤：步骤S1：使用AD采样模块，获取次级绕组的正余弦模拟电压信号Va和Vb，转换输出两个数字电压信号；步骤S2：基于CORDIC算法，利用FPGA的硬件资源对转换后的正余弦数字电压信号进行反正切运算，解码得出旋转变压器转子的位置角；步骤S3：将解码得出的位置角输出到EPS控制器，作为角度反馈输入信号。

上述的电动助力转向系统中旋转变压器的角度解码方法，其中，所述初级绕组位于转子上作为励磁绕组输入，所述两个次级绕组位于定子上，其中一个作为正弦绕组输出，另一个作为余弦绕组输出。

上述的电动助力转向系统中旋转变压器的角度解码方法，其中，所述步骤S2包括：计算两个模拟电压对比值对应角度的所在的象限，然后记录象限区间，将[0,2π]转换到[0,π/4]范围内，并在每个象限区间根据CORDIC算法计算[0,1]范围内的反正切角度，再根据之前记录的象限值，将角度值还原到[0,2π]范围内。

上述的电动助力转向系统中旋转变压器的角度解码方法，其中，所述步骤S2包括：令在二维坐标系中，构造向量(x₁,y₁)，当旋转θ₁角度后得到向量(x₂,y₂)，当旋转θ₂角度后得到向量(x₃,y₃)，θ_n＝arctan(2^1-n)，n＞＝1；当y_n大于0时，向下旋转θ_n；当y_n小于0时，向上旋转θ_n；控制向量(x₁,y₁)旋转一定次数m次后，使得旋转后的向量(x_m,y_m)中的y_m值趋于0，此时求解出旋转的角度：

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明使用低成本的FPGA、AD转换芯片等分离器件，基于CORDIC算法处理旋转变压器输出模拟信号来实现电机角度解码。

附图说明

图1为旋转变压器电气示意图；

图2为初级绕组和2个次级绕组电压波形图；

图3为TypeII跟踪闭环原理示意图；

图4为本发明旋转变压器解码算法系统组成示意图；

图5为FPGA CORDIC算法求解全角度框图；

图6为本发明CORDIC算法实现过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的旋转变压器是由一个励磁绕组输入、一个正弦绕组输出和一个余弦绕组输出组成。通常配置是初级绕组位于转子上，两个次级绕组则位于定子上，如图1所示。

假设转子绝对角度为θ，初级绕组电压即励磁电压为：V_r＝V_p sin(ωt)

其中V_r信号幅度，ω为励磁角频率。那么输出电压与输入电压之间的函数关系为：

V_a＝V_s sin(ωt)cos(θ) (2.1)

V_b＝V_s sin(ωt)sin(θ) (2.2)

初级绕组采用交流基准源激励，两个定子绕组机械错位90°，因此定子次级绕组上耦合的幅度是转子相对于定子的位置的函数。初级绕组电压和两个次级绕组电压波形如图2所示。

(1)传统数字解码器

目前市场上应用较多的是数字解码器，如ANALOG DEVICES公司开发的AD2S1210。

AD2S1210按照TypeII跟踪闭环原理工作，如图3所示。输出连续跟踪旋变的位置，而不需要外部转换和等待状态。当旋变的位置旋转了相当于最低有效位的角度时，输出更新1LSB。

转换器跟踪角度θ的原理为：转换器产生输出角Φ，然后反馈Φ与输入角θ相比较；当转换器正确跟踪输入角时，二者之间的误差将趋于0。为了测量跟踪角度误差，构造如下电压公式：

V₁＝V_s sin(ωt)cos(θ)sin(Φ) (2.3)

V₂＝V_s sin(ωt)sin(θ)cos(Φ) (2.4)

将(2.3)和(2.4)两式相减得到：

V₀＝V_s sin(ωt)sin(θ-Φ) (2.5)

当角度误差θ-Φ很小时，公式(2.5)近似表达为：

V₀＝V_s sin(ωt)(θ-Φ) (2.6)

V₀表示转子的实际角度与转换器的数字输出角度之间的误差。一个相位敏感解调器，一些积分器和一个补偿滤波器组成了一个闭环系统，使角度误差信号归于零,如图3所示。TypeII跟踪环路能跟踪恒定速度输入，而不存在固有误差，当目标得以实现时，Φ等于旋转角θ。

(2)本发明解码系统

将(2.1)和(2.2)两式相比，得出：

本发明将正交的正余弦模拟信号转换为求解反正切的数学模型，从而得到转子角度θ。本发明采用FPGA用纯硬件的方法来实现角度解码，能以较低的成本实现并达到系统的要求。本发明系统中角度解码是通过采集正余弦模拟信号来获取旋变位置的信息。

本发明旋转变压器解码系统如图4所示，包括：旋转变压器，AD采样模块，FPGA解码算法和16英飞凌位单片机。针对旋转变压器输入输出信号的特征，用CORDIC算法实现一个反正切的函数就能够得出旋转变压器转子的位置角。

本发明的角度解码方法包括如下步骤：

步骤S1：使用AD采样模块，获取次级绕组的两个模拟电压信号Va和Vb，输出两个数字电压信号；

步骤S2：基于CORDIC算法，利用FPGA的硬件资源实现反正切运算。采用硬件方式实现角度解码的执行速度很快，能够满足对实时性旋转变压器解码要求很高的EPS系统。

步骤S3：将解码角度结果输出到16位英飞凌单片机，作为EPS控制器的角度反馈输入信号。

本发明核心部分是基于CORDIC算法使用FPGA硬件来实现反正切的角度解码，当正余弦信号为正值时，CORDIC算法角度覆盖范围只有(0，+99.88°)，无法覆盖整个(0，360°)，而本发明进一步对算法进行了优化，能够解算(0,360°)范围内的任意角度信息,使用FPGA解码全角度的算法框图见图5，具体过程如下：

1、AD采样电路获取两个模拟电压信号Va和Vb，输出两个数字电压信号；

2、预处理阶段是将[0,2π)转换到[0,π/2)范围内，保证cordic算法的收敛性。计算两个模拟电压对比值对应角度的所在的象限，然后记录象限区间。

前置处理过程如下：

2.1当输入角度为0≤θ＜π/2时，Q＝1；

2.2当输入角度为π/2＜θ＜π时，Q＝2；

2.3当输入角度为π＜θ＜3π/2时，Q＝3；

2.4当输入角度为3π/2＜θ＜2π时，Q＝4；

3、后处理阶段：

3.1当Q＝1时，直接输出sinθ,cosθ；

3.2当Q＝2时，输出sinθ,-cosθ；

3.3当Q＝3时，输出-sinθ,-cosθ；

3.4当Q＝4时，输出-sinθ,cosθ。

4、根据CORDIC算法和正余弦电压信号计算[0,π/2)范围内的反正切角度。

5、将解析出来的角度输入到16位英飞凌单片机中。

本发明采用的CORDIC算法实现过程如图6所示。由公式(2.7)知，为方便计算令在二维坐标系中，构造向量(x₁,y₁)，当旋转θ₁角度后得到向量(x₂,y₂)，当旋转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。当y_n大于0时，向下旋转θ_n＞0；当y_n小于0时，向上旋转θ_n＜0；根据数学几何关系可知：

向量每次旋转过程中，本发明只关心旋转的角度，而不关心旋转后的向量幅值，因此将公式(2.8)加以修改(保持旋转角度不变即可)得到公式：

由此可见，向量(x₁,y₁)旋转一定次数m次后，就可以使得旋转后的向量(x_m,y_m)中的y_m值趋于0，此时可以近似计算：即可近似求解出来旋转的角度。

由于tan(θ_n)＝2^1-n，相邻变量之间的旋转在FPGA中可以通过移位进行快速运算。

根据本发明解码系统进行旋转解码实验(取m值等于17)，解码出来的角度实验数据见下表：

由上可见，本发明跟专用解码芯片AD2S1210解码出来的角度相比，解码误差不超过0.15度。本发明采用低成本的FPGA解码系统能够解码旋转变压器角度，可以满足EPS控制系统对反馈角度精度的要求。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。