专利名称：一种基于旋转变压器的增量式编码器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种编码装置，尤其涉及一种基于旋转变压器的増量式编码器，可以通过对旋转变压器的输出信号进行数字调制处理，输出表征转子位置信息的増量式编码信号。同时该旋转变压器还具有通信功能，能将丰富的信息传送给电机驱动器。具有编码器线数任意可变、对转子初始位置辨识精确、Z脉冲位置任意可变、成本低廉的特点。
背景技术：
目前国内应用最广泛的伺服电机用编码器是复合式増量编码器。该编码器输出ー对正交的AB脉冲信号，每转ー圈得到的脉冲的个数称之为编码器的线数。另外还输出每圈只出现一次的标示电机转子零位的Z信号脉冲。ABZ信号使驱动器精确控制电机的位置和
In
速度，线数为q的増量式编码信号将电机转子一周分成4q份，每份为利用AB信号的旋
转相位关系可以辨识电机转子的转动方向，如图2所示。复合式编码器除具备ABZ输出信号外，还输出互差60°电角度的电子换相信号UVW，UVff信号各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致，用于电机起动时的磁场定向控制。然而，由于增量式编码器多为光电码盘，这就限制了它在高温、严寒、潮湿、高震动等环境比较恶劣场合的应用，并且利用UVW信号在电机启动时作磁场定向，只能提供很粗略的位置信息，待电机找到Z脉冲后，才能得到准确的转子位置，这就影响了控制性能，给使用者带来了不便。旋转变压器简称旋变，是由经过特殊电磁设计的高性能硅钢叠片和漆包线构成的，相比于采用光电技术的编码器而言，具有耐热、耐振、耐冲击、耐油污，甚至耐腐蚀等恶劣工作环境的适应能力，因而在エ况恶劣的环境中被广泛采用，ー对极(单速)的旋变可以视作一种单圈绝对式反馈系统。但其缺点是输出的模拟量信号需要价格昂贵的专用解调芯片，成本高且使用不便。
实用新型内容为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于旋转变压器的増量式编码器，其包括旋转变压器、处理电路以及结构本体，其中所述旋转变压器，由定子和转子两部分組成，定子上有三组绕组，ー组是正弦输入励磁绕组，另ー组是正弦输出绕组，其余ー组是余弦输出绕组，转子上有ー组独立的绕组，输出两相正交波形，所述正弦输入励磁绕组接受输入的正弦型激励信号，感应线圈依据所述旋转变压器转子和定子的相互角位置关系，感应出检测信号，其包括正弦包络信号、余弦包络信号；所述处理电路包括正弦信号发生器，用于产生一定频率的正弦波信号，作为旋转变压器的输入激励信号;AD转换器，其用于将旋转变压器输出的模拟信号进行模数转换，变成现场可编程门阵列输入的数字量；所述处理电路进一歩包括现场可编程门阵列，其接收对所述激励信号、正弦包络信号、余弦包络信号经过AD转换的数据，通过该数据计算出上电初始时刻电机转子的绝对位置作为伺服驱动器上电瞬间的磁场定向控制，并对旋转变压器输出的正余弦包络信号进行调制处理，实现可变线数细分，再变换成増量式的转子运转信号ABZ ；所述旋转变压器在上电时处于第一传输模式，输出电机标识信息，完成上述传输后所述旋转变压器切換到第二传输模式，由相同的信号传输线传送所述转子运转信号ABZ。在上述技术方案中，所述处理电路还包括收发器，在电机装配过程中，所述收发器接收外部编程器发来的数据，并将之传送到现场可编程门阵列；在正常工作状态下，所述收发器接收现场可编程门阵列的数据并发送往对应的电机驱动器。在上述技术方案中，所述处理电路还包括非易失存储器，用于存储编码器线数、旋转相位、马达參数、Z脉冲位置指令、电流环增益以及三角函数表。在上述技术方案中，所述非易失存储器为EEPROM器件或FLASH器件。在上述技术方案中，所述现场可编程门阵列中包含信号接收模块、输出信号切換模块、压控震荡模块、状态机模块、电机标识信息模块、计数器模块。本实用新型取得了以下技术效果将旋转编码器的输出信号转换成増量式编码信号，而且还可以增强驱动器对电机的控制，提高驱动器控制电机的灵活性该系统上电初始时刻转子的绝对位置，其转子位置辨识精度高，与AB増量编码信号对转子位置具备同样的辨识精度。
图I为本实用新型的电路原理框图；图2为本实用新型的可编程逻辑器件实现的功能模块示意框图；图3为角度跟踪观测的控制框图；图4为旋转变压器输出的信号示意图；图5为旋转变压器定子与转子之间的矢量关系图；图6为利用状态机得到増量式编码信号的示意图。图中标记1_输入信号；2_AD转换器；3_正弦波发生器；4_可编程逻辑器件；5-收发器；6_存储器；401_旋转变压器输出的正弦包络信号；402_旋转变压器输出的余弦包络信号；403_旋转变压器的输入激励信号。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，
以下结合附图及具体实施方式
对本实用新型作进ー步的详细描述。本实用新型中基于旋转变压器的増量式编码器的电路原理框图如图I所示，本实用新型通过对旋转变压器输出的正余弦包络信号经AD转换器2和可编程逻辑器件4得到转子的位置信息，其中可编程逻辑器件4优选为现场可编程门阵列；通过对正弦包络信号VpSincotXCos 0、余弦包络信号VpSincotXSine进行数字信号处理转变成增量式的编码信号，通过收发器5输出，其中増量编码信号的线数和相位可编程，Z脉冲的位置可根据需要设置在转子的任意角度。同时，基于本实用新型的装置还可以通过收发器5从外部编程器接收数据，接收到的数据都可以存入存储器6。为了实现上述目的，本实用新型的可输出增量式编码信号的旋转变压器，包括旋转变压器、处理电路以及结构本体。其中旋转变压器，由定子和转子两部分組成，定子上有三组绕组，ー组是正弦输入励磁绕组，另ー组是正弦输出绕组，其余ー组是余弦输出绕组，转子上有ー组独立的绕组，输出两相正交波形。励磁绕组接受输入的正弦型激励信号，感应线圈依据旋转变压器转子和定子的相互角位置关系，感应出来具有正弦和余弦包络的检测信号。旋变正余弦输出信号是根据转定子之间的角度对激励正弦信号的调制结果，如果激励信号是VrefSin cot，定转子之间的角度为0，则正弦包络信号为VpSincotXSin 0，则余弦包络信号,VpSinonXC0s 0，其中Vp/VMf为旋转变压器副边绕组和原边绕组的匝数比。根据正余弦 包络信号和原始的激励信号，通过必要的数字处理电路，就可以获得较高分辨率的位置检测結果。其中，该处理电路包括FPGA,即现场可编程门阵列4，接收正弦包络信号VpSincotXSin 0、余弦包络信号VpSin cot XCos 0经过AD转换的数据，经过数字信号处理，实现可变线数细分，再变换成增量式的ABZ信号，即转子运转信息。收发器5，在电机装配过程中，接收编程器发来的数据，并将之传送到FPGA ;在正常工作状态下，接收FPGA的数据并发送往电机驱动器。非易失性存储器4，使用EEPROM或FLASH器件，存储该编码器的线数、旋转相位、马达參数和电流环增益以及三角函数表等信息。AD 转换器 2，将模拟信号 VpSinco tXSin 0 ,VpSincotXCos 0、VMfSin t 进行模数转换，将其变成数字信号送到FPGA处理。正弦信号发生器3，用于产生一定频率的正弦波信号，作为旋转变压器的输入激励信号。该编码器中的数字信号处理过程具体如下(一)AB信号的获取利用AD转换器2将正弦包络信号VpSincotXSin 0和余弦包络信号VpSincotXCos 0进行模数转换，通过数字信号处理对正弦信号进行细分。为方便起见，将当前采样得到正余弦包络信号的AD转换值记为Vsin 0 4和Vcos 0 i，其中，V为当前时刻VpSin对应的AD转换值，可通过VrefSin的A/D转换值和旋转变压器副边绕组与原边绕组之间的匝数比得到。已知当前转子位置角度为0。，则系统只要求出当前角度Qi和已知角度0。之间的差值X6，就可以得到当前的位置角度。Vsin 0 jcos 0 0-Vcos 0 jsin 0。= Vsin ( 0 厂 0。)(I)由于系统的采样频率足够高，所以0。和Qi的值相差很小，所以可以考虑利用Sin(Oi-O0)来代替0厂0。，由于V为已知值，通过⑴式可以很容易求得Sir^ei-0。)，所以就有xe = Sin(Oi-O0)o (I)式中，Sinei和Cosei为当前已知量，利用CORDIC算法，即坐标旋转数字计算方法，求得0。的正余弦值sin 0。和cos 0。，则利用(I)式可求得角度差Xe。对得到的角度差Xメ故滤波处理，并输出到压控震荡模块，对压控震荡模块的输出脉冲进行计数得到新的当前角度e。。压控振荡器的输出频率f 与输入角度e有如下关系
权利要求1.一种基于旋转变压器的增量式编码器，其包括旋转变压器、处理电路以及结构本体，其中 所述旋转变压器，由定子和转子两部分组成，定子上有三组绕组，一组是正弦输入励磁绕组，另一组是正弦输出绕组，其余一组是余弦输出绕组，转子上有一组独立的绕组，输出两相正交波形，所述正弦输入励磁绕组接受输入的正弦型激励信号，感应线圈依据所述旋转变压器转子和定子的相互角位置关系，感应出检测信号，其包括正弦包络信号、余弦包络信号; 所述处理电路包括 正弦信号发生器，用于产生一定频率的正弦波信号，作为旋转变压器的输入激励信号; AD转换器，其用于将旋转变压器输出的模拟信号进行模数转换，变成现场可编程门阵列输入的数字量； 其特征在于，所述处理电路进一步包括 现场可编程门阵列，其接收对所述激励信号、正弦包络信号、余弦包络信号经过AD转换的数据，通过该数据计算出当前电机转子的绝对位置作为伺服驱动器上电瞬间的磁场定向控制，并对旋转变压器输出的正余弦包络信号进行调制处理，实现可变线数细分，再变换成增量式的转子运转信号ABZ; 所述旋转变压器在上电时处于第一传输模式，输出电机标识信息，完成上述传输后所述旋转变压器切换到第二传输模式，由相同的信号传输线传送所述转子运转信号ABZ。
2.如权利要求I所述的一种基于旋转变压器的增量式编码器，其特征在于所述处理电路还包括收发器，在电机装配过程中，所述收发器接收外部编程器发来的数据，并将之传送到现场可编程门阵列；在正常工作状态下，所述收发器接收现场可编程门阵列的数据并发送往对应的电机驱动器。
3.如权利要求2所述的一种基于旋转变压器的增量式编码器，其特征在于所述处理电路还包括非易失存储器，用于存储编码器线数、旋转相位、马达参数、Z脉冲位置指令、电流环增益以及三角函数表。
4.如权利要求3所述的一种基于旋转变压器的增量式编码器，其特征在于所述非易失存储器为EEPROM器件或FLASH器件。
5.如权利要求4所述的一种基于旋转变压器的增量式编码器，其特征在于所述现场可编程门阵列中包含信号接收模块、输出信号切换模块、压控震荡模块、状态机模块、电机标识信息模块、计数器模块。
专利摘要本实用新型涉及一种基于旋转变压器的增量式编码器，其包括旋转变压器、处理电路以及结构本体；所述处理电路包括正弦信号发生器、AD转换器、现场可编程门阵列、收发器、非易失存储器；所述处理电路将旋转变压器输出的正余弦包络信号转换成增量式编码信号，并且增量式编码器信号线数可变，Z脉冲位置任意可变，该装置还具有通信功能，可以从外部装置接受编码器线数、旋转相位、马达参数、电流环增益等，并将其存入非易失存储器。其具有适应恶劣工作环境、编码器输出线数可变、Z脉冲位置任意可变、初始转子位置辨识精度高等特点。
文档编号G01D5/249GK202648676SQ201220353208
公开日2013年1月2日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者刘缵阁, 汪原 申请人:武汉迈信电气技术有限公司