旋转变压器转换器、旋转变压器信号采集系统及采集方法与流程

本发明涉及电机控制器领域，尤其涉及一种旋转变压器转换器，还涉及一种包含所述旋转变压器转换器的旋转变压器信号采集系统及采集方法。

背景技术：

在新能源车辆中，电机控制器主要就是实现对电机的控制，和电机组成一个动力系统，准确的输出扭矩。

旋转变压器运用于运动伺服控制系统中，主要作电机转子角度位置的测量，同时也可以检测电机的转速和转子转角位置。

旋转变压器的信号，需要一个转换器去驱动并且将其输出的电信号转换为数字的角度和位置信号。

目前市面上，现在有的转换器有两种方案：

(1)adi的ad2s1210或多摩川的au6802等系列；

adi公司的ad2s1210或多摩川公司的au6802等系列为采用闭环跟踪原理将角度位置信号直接数字输出。此种方案在采样电机转子角度位置信号时需占用微控制器硬件资源太多，至少占用10个i/o和一个spi模块。此外此类芯片过于复杂相当于一个微控制器，需要晶振、模拟和数字供电。而且此类芯没有冗余设计，如果用在新能源电动汽车上做牵引电机转子角度位置检测安全可靠性不足。另外此类芯片价格较贵，量产价格在15美元左右，对于追求高经济效益的工业产品和汽车电子产品存在巨大的成本压力。

(2)直接用微控制器的ad模块，采集旋转变压器输出高频信号进行处理方案。

直接用微控制器的ad模块采集旋转变压器输出高频信号进行处理方案，占用太多的微控制器软件资源，对于需要快速响应的电机控制系统不适用，此外这种方案需要很多独立器件，对于用在电动汽车上牵引电机控制系统等关键部件上是不安全的。

技术实现要素：

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种旋转变压器转换器，还提供一种包含所述旋转变压器转换器的旋转变压器信号采集系统，还提供一种基于所述信号采集系统的信号采集方法。

本发明旋转变压器转换器包括两路相同结构的旋变信号采集处理电路，所述旋变信号采集处理电路包括正弦信号处理模块和余弦信号处理模块，所述正弦信号处理模块和余弦信号处理模块结构相同，所述正弦信号处理模块包括差分放大器、乘法器、低通滤波器，所述乘法器的输入端与差分放大器的输出端和激励输出信号相连，所述乘法器的输出端与低通滤波器的输入端相连，所述差分放大器的输入端分别与旋转变压器转换器的差分对正弦或余弦正负模拟输入管脚相连，所述低通滤波器通过正弦或余弦输出管脚输出正弦或余弦信号。

本发明作进一步改进，所述旋转变压器转换器还包括产生激励旋转变压器输出信号的振荡电路。

本发明作进一步改进，所述振荡电路包括外围调整模块和激励模块，所述外围调整模块包括串联在所述旋转变压器转换器的rt管脚和ct管脚之间的电阻r1、电容c1，和/或并联的电阻r2及电容c2，电阻r2及电容c2另一端接地，所述激励模块包括二极管d1、二极管d2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、放大器a1，激励模块的输出端分别通过放大器a2接旋转变压器转换器的exc管脚和/exc管脚，所述放大器a2输入端分别与rt管脚、电阻r3一端、二极管d1正极、二极管d2负极、放大器a1输出端相连，所述电阻r3另一端、二极管d1负极、二极管d2正极分别通过电阻r4接放大器a1反相输入端和电阻r5一端，所述电阻r5另一地接地，所述放大器a1同向输入端接ct管脚。

本发明作进一步改进，所述差分放大器包括放大器a3、电阻ri1、电阻ri2、电阻rf、电阻rref，所述放大器a3的正向输入端分别接电阻ri2和电阻rref一端，所述放大器a3的反相输入端接电阻ri1和电阻rf一端，所述电阻ri2和电阻ri1另一端分别接一对正弦或者余弦输入信号，所述电阻rf另一端接放大器a3的输出端，所述电阻rref另一端接参考电压。

本发明作进一步改进，所述低通滤波器包括电阻ra、电阻rb、电阻rc、电阻rd、电容ca、电容cb、放大器a4，所述电阻ra一端接乘法器输出端，所述电阻ra另一地分别接电阻rb和电阻cb一端，所述放大器a4正向输入端分别接电阻rb另一端和电容ca一端，电容ca另一端接地，所述放大器a4反相输入端分别接电阻rd和电阻rc一端，所述电阻rc另一端接地，所述放大器a4输出端分别接电阻rd和电容cb另一端和正弦或余弦输出管脚相连。

本发明还提供一种包含所述旋转变压器转换器的旋转变压器信号采集系统，还包括mcu处理器，所述旋转变压器转换器的旋变信号采集处理电路的输入端与旋转变压器输出端相连，所述旋变信号采集处理电路的输出端和mcu处理器相连。

本发明作进一步改进，所述旋转变压器转换器集成振荡电路，所述振荡电路输出端分别与旋转变压器输入端和旋变信号采集处理电路的乘法器输入端相连。

本发明还提供一种基于所述信号采集系统的信号采集方法，包括如下步骤：

s1：振荡电路产生激励信号激励旋转变压器；

s2：差分放大器将旋转变压器输出信号进行差分变换，使其转变为对地变化的正信号；

s3：乘法器将差分放大器变换后的信号与激励信号做乘法，得到随电机转子变化的正、余弦低频信号和含激励信号的高频信号叠加的信号；

s4：低通滤波器对步骤s3得到的信号做低通滤波处理；

s5：mcu处理器处理得到电机转子角度位置。

本发明作进一步改进，步骤s5中，所述mcu处理器的处理方法包括如下步骤：

s51：分别对两路旋变信号采集处理电路输出的信号进行ad转化；

s52：两路数据进行角度值的计算；

s53：对两个角度值进行数据处理；

s54：得到电机转子角度位置值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：二套解码方法，具有冗余，能够满足功能安全；减少使用购置的专用解码芯片，有效减少硬件成本，整体电路价格低，只需要20元人民币。采用软件解码，进一步节约成本。

附图说明

图1为电机及控制系统整体框图；

图2为本发明旋转变压器转换器电路原理图；

图3为图1局部放大图，具体为电机及旋变原理拓扑框图；

图4为mcu处理器处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的旋转变压器信号采集系统，包括旋转变压器转换器(简称转换器)和mcu处理器，所述旋转变压器转换器的旋变信号采集处理电路的输入端与旋转变压器输出端相连，所述旋变信号采集处理电路的输出端和mcu处理器相连，所述mcu处理器输出电机转子角度位置值到后续的输出处理及其控制电路。本例的旋转变压器转换器集成振荡电路，所述振荡电路输出端分别与旋转变压器输入端相连，用于激励电机的旋转变压器。

如图2所示，本例的旋转变压器转换器包括两路相同结构的旋变信号采集处理电路，所述旋变信号采集处理电路包括正弦信号处理模块和余弦信号处理模块，所述正弦信号处理模块和余弦信号处理模块结构相同，所述正弦信号处理模块包括差分放大器2、乘法器3、低通滤波器4，所述乘法器3的输入端与差分放大器2的输出端和激励输出信号相连，所述乘法器3的输出端与低通滤波器4的输入端相连，所述差分放大器2的输入端分别与旋转变压器转换器的差分对正弦或余弦正负模拟输入管脚相连，所述低通滤波器4通过正弦或余弦输出管脚输出正弦或余弦信号。本例的旋转变压器转换器还包括产生激励旋转变压器输出信号的振荡电路1。

本例的工作原理为：使用带稳幅环节的振荡电路1产生旋转变压器激励信号，旋转变压器输出信号经过差分放大器2差分放大后与激励信号做乘法，从乘法器3输出信号变为高频和低频叠加信号。此信号再经过低通滤波器4滤掉高频信号，变成只含转子角度变化的低频正余弦信号。利用mcu处理器的ad(模数转换)模块采样此低频正余弦信号，然后算出电机转子角度位置。

本发明采用简单通用电路结构，整个芯片集成度不高，可做成asic芯片，使经济性提高。同时简单的电路结构提高了可靠性，为了其用在电动汽车牵引电机控制系统等关键部件上，本设计采用双路旋变信号转换电路的冗余设计，可靠性高。并且本发明与现在有技术相比，成本很低，电路都是采用常用的芯片，电路价格便宜，整个电路只需要20元人民币。相比现有技术15美元的价格，具有很大的成本优势。

并且，在电动汽车电机控制系统中电机角度位置信号是非常关键的，本例采用冗余设计，可以保证信号的准确性，在一路信号有故障或者损坏的情况下，任然可以保证系统正常工作。本发明的旋转变压器转换器以经济可靠的方法很好的解决了旋转变压器驱动和信号转换的问题。

本例的旋转变压器转换器管脚定义如下：

rt、ct：振荡频率设置管脚；

exc、激励频率及互补激励频率；

cos1_s1、cos2_s1：差分对余弦正模拟输入；

cos1_s3、cos2_s3：差分对余弦负模拟输入；

sin1_s2、sin2_s2：差分对正弦正模拟输入；

sin1_s4、sin2_s4：差分对正弦负模拟输入；

cos1、cos2：余弦输出；

sin1、sin2：正弦输出；

vdd：电源正管脚；

vss：电源负管脚。

本例的振荡电路1包括外围调整模块和激励模块，所述外围调整模块包括串联在所述旋转变压器转换器的rt管脚和ct管脚之间的电阻r1、电容c1，和/或并联的电阻r2及电容c2，电阻r2及电容c2另一端接地，所述激励模块包括二极管d1、二极管d2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、放大器a1，激励模块的输出端分别通过放大器a2接旋转变压器转换器的exc管脚和/exc管脚，所述放大器a2输入端分别与rt管脚、电阻r3一端、二极管d1正极、二极管d2负极、放大器a1输出端相连，所述电阻r3另一端、二极管d1负极、二极管d2正极分别通过电阻r4接放大器a1反相输入端和电阻r5一端，所述电阻r5另一地接地，所述放大器a1同向输入端接ct管脚。本发明通过在转换器外围接rc电路，即可通过调整r1、c1的值来调整激励频率，也可以通过调整r2、c2的值来调整激励频率。

本例的第一路旋变信号采集处理电路的余弦信号处理模块输入端接一个差分对余弦正模拟输入cos1_s1管脚和一个差分对余弦负模拟输入cos1_s3管脚，从两个管脚分别接两个电阻进入差分放大器的放大器单元，具体地，第一路旋变信号采集处理电路的余弦信号处理模块的差分放大器包括放大器a3、电阻ri1、电阻ri2、电阻rf1、电阻rref1，所述放大器a3的正向输入端分别接电阻ri2和电阻rref1一端，所述放大器a3的反相输入端接电阻ri1和电阻rf1一端，所述电阻ri2和电阻ri1另一端分别接一对正弦或者余弦输入信号，所述电阻rf1另一端接放大器a3的输出端，所述电阻rref1另一端接参考电压。所述余弦信号处理模块输出端接余弦输出cos1管脚。

本例第一路旋变信号采集处理电路的余弦信号处理模块的低通滤波器包括电阻ra1、电阻rb1、电阻rc1、电阻rd1、电容ca1、电容cb1、放大器a4，所述电阻ra1一端接乘法器k1输出端，所述电阻ra1另一地分别接电阻rb1和电阻cb1一端，所述放大器a4正向输入端分别接电阻rb1另一端和电容ca1一端，电容ca1另一端接地，所述放大器a4反相输入端分别接电阻rd1和电阻rc1一端，所述电阻rc1另一端接地，所述放大器a4输出端分别接电阻rd1和电容cb1另一端和余弦输出管脚相连。

第一路旋变信号采集处理电路的正弦信号处理模块输入端接一个差分对正弦正模拟输入sin1_s2管脚和一个差分对正弦负模拟输入sin1_s4管脚，内部结构及连接关系同余弦信号处理模块，所述正弦信号处理模块输出端接正弦输出sin1管脚。

本例采用冗余设计，设置两路结构相同的旋变信号采集处理电路，因此，共输出两组正弦和余弦数据。

本例的旋转变压器的信号采集方法因两路处理方法完全相同，故以第一路信号采集方法为例进行说明。本例信号采集方法包括如下步骤：

步骤s1：振荡电路产生激励信号激励旋转变压器。本转换器电路产生的激励信号，所述激励信号为一定频率的振荡信号，比如频率为10k、20k、7.5khz等，经功率放大后，并且经过滤波，直接驱动控制器外部的旋转变压器的励磁绕组。

激励频率计算公式为：其中，f0为激励频率，单位为赫磁hz，可见，激励频率的值与电阻r1和电容c1的值负相关，此处，公式中的r1和c1可以替换为r2和c2。

激励绕组输出的电气信号公式为：vr＝vp×sinwt，其中，vr为激励输出信号，单位为伏v；vp为激励幅度信号，单位为伏v，其产生的幅值大小有元器件的参数决定，可以假设vp为一个常数，本例由vcc电源、r1、c1等决定大小；sinωt为激励信号的频率关系；ω为频率的角速度，与f0的关系为：ω＝2*π*f0，也就是频率与弧角度的关系式。

如图3所示，本例s1与s3之间为余弦绕组，s2与s4之间为正弦绕组，r1与r3之间为励磁绕组。

本例余弦绕组输出的电气信号计算公式为：

vi＝vr*hd＝vp*sinωt*hd，其中，vr—激励输出信号，单位为伏特v；hd为旋转变压器的变比，一般为0.286；vi为余弦绕组输出信号，单位为伏特v。

正弦信号的计算方式同上。

步骤s2：差分放大器将旋转变压器输出信号进行差分变换，使其转变为对地变化的正信号；比如，第一路余弦信号经过差分放大器2由vi变换为va输出，而正弦信号经过差分放大器2由vi变换为vb输出。

步骤s3：乘法器将差分放大器变换后的信号与激励信号做乘法，得到随电机转子变化的正、余弦低频信号和含激励信号的高频信号叠加的信号；

旋转变压器输出信号经差分变换后为：

va＝vr×cosθ，vb＝vr×sinθ

把步骤s1中的公式代入上述公式，得到：

余弦信号：va＝vs×sinwt×cosθ，

正弦信号：vb＝vs×sinwt×sinθ

正弦信号和余弦信号，分别励磁信号相乘，本例相当于采用硬件的乘法器实现一般软件算法的功能。相对现有技术，成本低，处理更加可靠。

最终，得到乘法器的正弦和余弦输出信号为：

其中，vak为乘法器k1输出的含余弦信号，单位为伏v；vbk为乘法器k2输出的含正弦信号，单位为伏v；θ为电机转子角度。

步骤s4：低通滤波器4对步骤s3得到的信号做低通滤波处理，滤掉高频信号，变成只含随电机转子变化的正余弦低频信号。然后将这两个信号送入mcu控制器可以容易的求解出电机转子角度位置值。

转换器中的ri、rref、rf、rc、rd为增益电阻，在工程中，在满足电气性能参数的情况下，一般采用相同的参数，便于工程实现。

当转换器输出信号峰峰值为4vp-p以内时，输出信号为0-3v，可以直接送入mcu处理器的ad模块。当然，当然具体的参数可以根据除了芯片的adc的输入范围调整的。

步骤s5：mcu处理器处理得到电机转子角度位置。

如图4所示，当上述2路旋转变压器信号，经过转换器的硬件电路处理后，就会送入dsp芯片的adc(模拟数字转换器)端口进行ad转化处理，本例的2组4路旋变信号经过adc的模数转化后，就可以变为0～4095的数字量。

经过ad转化后的数据值，分别代表cosθ、sinθ的电压数据量(0～4095)，然后他们二者相除，就可以得到正切θ数据值，然后采取软件查表的方式，查出对应的转子角度位置值θ。

本发明有二路硬件信号，每组都有正余弦信号的数字量，采用了完全相同的软件处理方法，也就是软件的计算方法也有冗余，可以确保一路失效，另外一路工作，互为校验，互为使用。这样就可以满足iso26262标准的asilc的功能要求。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。