一种测量永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块的制作方法
【专利摘要】本发明实施例设计一种用于测量永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块，包括信号激励电路，它用于将来自信号处理器的数字方波信号转换为可驱动旋转变压器的正弦波激励信号，包括用于生成正弦波信号的多级滤波放大电路，以及与所述多级滤波电路的输出端相连的推挽电路，用于增大信号的驱动能力以驱动旋转变压器的激励绕组；并包括信号解码电路，用于对旋转变压器的输出信号进行解码，包括差动放大电路，接收所述旋转变压器输出的差分信号并输出放大后的回波信号；整流翻转电路，提取所述回波信号的包络线；以及滤波电路，将翻转后的回波信号过滤为平直电平信号。本实施例能够有效节约成本，仅使用一些阻容器件和运放达到解码芯片所起到的作用。
【专利说明】-种测量永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块
【技术领域】
[0001] 本发明实施例涉及电机控制领域，更特定言之，本发明提供一种测量永磁同步电 机转子位置角的电路模块。
【背景技术】
[0002] 内嵌有旋转变压器的永磁同步电机，其转子位置的检测是通过采集旋转变压器输 出的信号来确定的，旋转变压器因其具有耐高温、耐湿度、抗冲击、抗干扰和精度高等优点， 被广泛应用于汽车控制系统中。旋转变压器是一个模拟器件，输出的是一种交流调制信号， 在数字控制系统中，常常需要把旋转变压器的输出信号转换成数字角度信号。常见的旋转 变压器的角度解码方法有采用硬件解码芯片进行解码的方法和基于DSP的软件解码方法。
[0003] 目前有专用的R/D转换器可以实现模/数转换与角度解算功能，例如日本多摩川 公司的AU6802N1和美国AD公司的AD2SXX系列芯片。这些专用的解码芯片的解码性能高、 使用方便，可以快速的将旋变输出的调制模拟信号解调成数字化的绝对位置信号，直接供 给数字控制器使用。此种角度解码方法的精度高、跟踪速度快，但是由于硬件解码芯片的价 格比较贵，限制了其应用。
[0004] 随着DSP等器件运算速度的显著提高，基于软件的角度解码受到越来越多的关 注。基于软件的角度解码方法主要是利用DSP、FPGA等数据计算能力比较强的芯片，通过对 旋转变压器的信号进行采集，然后按照一定的解调算法求出转子的位置角。此种方法虽然 节省了硬件解码芯片，但是由于FPGA等芯片处理旋变信号不稳定等因素，在汽车电子领域 的应用受到限制。
【发明内容】
[0005] 本发明的主要目的是提供一种用于测量永磁同步电机转子位置角的电路模块，该 模块为永磁同步电机的旋转变压器提供激励信号，并对旋转变压器的输出信号进行解码， 最终得到转子位置角信号，从而解决因硬件解码芯片的价格昂贵所导致的无法大量使用的 问题。该模块主要由低成本的激励发生电路和解码电路组成，输入到该模块的固定频率的 方波经过激励发生电路的多次滤波放大后转变成正弦波激励信号供给旋转变压器，旋转变 压器的输出信号经差动放大、翻转、滤波等过程后输出数字化的绝对位置信号。本发明实施 例在解码精度、速度和稳定性方面能很好的满足汽车电子领域的要求。
[0006] 技术方案：一种测量永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块，包括信号 激励电路，它用于将来自信号处理器的数字方波信号转换为可驱动旋转变压器的正弦波激 励信号，包括：多级滤波放大电路，用于将所述数字信号经过多次滤波放大后输出与之同频 率的正弦波信号；以及与所述多级滤波电路的输出端相连的推挽电路，用于增大信号的驱 动能力以驱动旋转变压器的激励绕组；以及信号解码电路，用于对旋转变压器的输出信号 进行解码，包括差动放大电路，接收所述旋转变压器输出的差分信号并输出以2. 5V为中值 的正弦回波和余弦回波信号；整流翻转电路，用于提取所述正弦回波和余弦回波信号的包 络线；滤波电路，将翻转后的回波信号过滤为平直电平信号。
[0007] 在一个实施例中，所述信号激励电路针对数字信号处理器发出的数字方波信号， 经过滤波放大后仅保留同频率的正弦波。使用运算放大器和阻容器件组成二阶滤波放大 器，针对除基波以外的高次谐波和倍频噪声进行滤波抑制，同时适当调节放大倍数来抵消 方波信号的衰减，最终得到所需中值和峰峰值。
[0008] 在一个实施例中，所述激励部分多级滤波放大电路主要是由三级滤波放大电路组 成，其中所述多级滤波放大电路被配置为通过第一级滤波放大电路滤除所述数字信号的一 部分高次谐波，放大波形的中值和峰峰值，输出正弦波；通过第二级滤波放大电路进一步滤 除来自所述第一级滤波放大电路正弦波的一部分高次谐波和倍频干扰，放大所述正弦波信 号的峰峰值；以及通过第三级滤波放大电路进一步滤除来自第二级滤波放大电路正弦波的 一部分高频噪声和干扰，放大所述正弦波的峰峰值以输出一个特定幅值的正弦波信号。
[0009] 在一个实施例中，所述推挽电路被配置为在不改变所述特定幅值正弦波信号波形 的情形下增大其驱动能力。
[0010] 在一个实施例中，所述激励部分第二级滤波放大电路中运算放大器负反馈端接入 4V电源电压，保证信号的中值是4V，在中值电压稳定的前提下放大信号的峰峰值；所述第 三级滤波放大电路中运算放大器负反馈端连接第二级滤波放大电路的输出端，确保输出信 号的中值不变，并适当设置运放的放大倍数得到期望的峰峰值。
[0011] 在一个实施例中，所述解码部分的差动放大电路把绕组两端的输出信号经过隔直 电容以后，进行差分放大，以保证放大后的电压在数字信号处理器的AD能识准确识别的范 围内。差动放大器的正向输入端连接2. 5V电源，用来保证输出信号的中值是2. 5V，经差动 放大后的信号是中值稳定的正弦波。
[0012] 在一个实施例中，所述解码部分的整流翻转电路把差动放大电路的输出波形进行 整流，用于提取所述正弦回波和余弦回波信号的包络线。
[0013] 在一个实施例中，所述解码部分的整流翻转电路通过施密特触发器产生同步方波 信号，作为所述整流翻转电路的一个控制信号。
[0014] 在一个实施例中，所述解码部分的滤波电路采用二阶低通滤波器对翻转后的信号 进行滤波，得到信号的有效值，此时信号已经是平滑的电平信号，运放的正向输入端连接 2. 5V电源，保证其基准电压是2. 5V。
[0015] 本发明的激励与解码模块有效节约了成本，仅用了一些阻容器件和运放，达到了 解码芯片所起到的作用。激励电路通过三级滤波，滤掉了高次谐波和倍频干扰，提高了激励 信号的精确性，并且信号稳定，抗干扰性强。可针对不同方波频率适当修改滤波参数，均达 到理想的效果。解码电路使用差动放大、整流滤波、电平转换等环节，有效的减小外界干扰 造成的误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 本发明较佳实施例结合附图对本发明做进一步说明，其中：
[0017] 图1是旋转变压器与本发明旋变激励与解码模块的连接框图；
[0018] 图2是激励电路的原理框图；
[0019] 图3是激励电路的整体线路图；
[0020] 图4是激励电路的输入信号；
[0021] 图5是低通滤波放大电路；
[0022] 图6是第一级滤波电路输出波形；
[0023] 图7是第二级滤波放大电路；
[0024] 图8是第二级滤波放大电路输出波形；
[0025] 图9是第三级滤波放大电路；
[0026] 图10是第三级滤波放大电路输出波形；
[0027] 图11为驱动输出电路的电路原理图；
[0028] 图12是解码电路原理图；
[0029] 图13是解码电路框图；
[0030] 图14是解码电路输入信号波形；
[0031] 图15是差动放大电路；
[0032] 图16是差动放大电路输出信号波形；
[0033] 图17是整流翻转电路；
[0034] 图18是整流翻转输出波形；
[0035] 图19是电压跟随电路；
[0036] 图20是电压跟随输出波形；
[0037] 图21是解码滤波电路；
[0038] 图22是解码滤波电路输出波形；
[0039] 图23是电平转换电路；
[0040] 图24是电平转换输出波形。
【具体实施方式】
[0041] 参阅图1，本模块30的较佳实施例主要由信号激励电路31和信号解码电路32组 成，信号激励电路31获取数字信号处理器10的方波激励信号，用来为永磁同步电机的旋转 变压器20提供激励信号，信号解码电路32用来对回采到的旋转变压器20的正弦输出绕组 和余弦输出绕组的转子正、余弦位置角信号进行信号转换，最终输出数字化的绝对位置信 号给数字信号处理器10。
[0042] 参阅图2,激励电路的共使用三级滤波放大的形式，最终输出能够驱动旋转变压 器的激励绕组的信号，本实例要求方波频率是lOKHz，输出正弦波的中值是4. 4V，峰峰值是 [3. 2V，5. 6V]。参阅图3,激励电路整体原理图，激励电路的连续三次滤波把方波转换成噪声 很小的正弦波，该正弦波的频率是10kHz，峰峰值是[3. 2V，5. 6V]，然后用推挽电路把信号 的驱动能力增大。参阅图4,本发明要求输入到激励电路的方波，其占空比是50%，进行滤 波以后，其中值电压是2. 5V，一级滤波采用的是有源二次低通滤波。
[0043] 参阅图5,增益单元是由一个起同相放大作用的运算放大器实现的，有
【权利要求】
1. 一种永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块，电连接于产生数字方波控制 信号的信号处理器与内嵌于永磁同步电机内的旋转变压器之间，其特征在于包括： 信号激励电路，用于将来自信号处理器的数字信号转换为可驱动旋转变压器的正弦波 信号，包括：多级滤波放大电路，用于将所述数字信号经过多次滤波放大后输出与之同频率 的正弦波信号；以及与所述多级滤波电路的输出端相连的推挽电路，用于增大信号的驱动 能力以驱动旋转变压器的激励绕组；以及 解码电路，处理旋转变压器正弦绕组和余弦绕组输出的交流信号以得出转子位置角的 正弦值和余弦值并输出给所述信号处理器，包括：差动放大电路，接收所述旋转变压器输出 的差分信号并输出以2. 5V为中值的正弦波信号；整流翻转电路，用于提取所述正弦回波和 余弦回波信号的包络线；滤波电路，将翻转后的回波信号过滤为平直电平信号。
2. 根据权利要求1所述的永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块，其特征在 于：所述滤波放大电路被配置为就所述数字信号的不同频率谐波进行滤波，保持信号中值 电压在约4. 4V且放大信号的峰峰值。
3. 根据权利要求2所述的永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块，其特征在 于：所述滤波放大电路包括运算放大器。
4. 根据权利要求2所述的永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块，其特征在 于：所述多级滤波放大电路是由三级滤波放大电路组成，其中所述多级滤波放大电路被配 置为通过第一级滤波放大电路滤除所述数字信号的一部分高次谐波，放大波形的中值和峰 峰值，输出正弦波；通过第二级滤波放大电路进一步滤除来自所述第一级滤波放大电路正 弦波的一部分高次谐波和倍频干扰，放大所述正弦波信号的峰峰值；以及通过第三级滤波 放大电路进一步滤除来自第二级滤波放大电路正弦波的一部分高频噪声和干扰，放大所述 正弦波的峰峰值以输出一个特定幅值正弦波信号。
5. 根据权利要求4所述的永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块，其特征在 于：所述推挽电路被配置为在不改变所述特定幅值正弦波信号波形的情形下增大其驱动能 力。
6. 根据权利要求3或4所述的永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块，其特 征在于：所述第二级滤波放大电路中运算放大器负反馈端接入4V电压；所述第三级滤波放 大电路中运算放大器负反馈端连接第二级滤波放大电路的输出端。
7. 根据权利要求1所述的永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块，其特征在 于：所述整流翻转电路通过其施密特触发器产生同步方波信号，作为所述整流翻转电路的 一个控制信号。
8. 根据权利要求1所述的永磁同步电机转子位置角的旋变激励与解码模块，其特征在 于：所述电平转换电路通过将其运算放大器的正向输入端连接2. 5V电源，以将输出信号中 点电压稳定于2. 5V。
【文档编号】G01B7/30GK104406515SQ201410717282
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】蔡斌, 景立群, 宋士伟 申请人:杭州湘滨电子科技有限公司