感应同步器信号解码方法及系统与流程

本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种感应同步器信号解码方法及系统。

背景技术：

在军事、工业、日常生活以及航空航天等领域，感应同步器的应用越来越受到重视，感应同步器是将角度或者直线位移信号变换为交流电压的位移传感器，又称平面式旋转变压器。从原理上看，它与旋转变压器(简称旋变)并无实质的区别，但是与旋变不同之处在于，它的定子与转子不是安装在圆筒形和圆柱形的铁芯槽内的绕组，而是类似于印制电路板的“印刷绕组”，这样的“绕组”和旋变的绕组相比，转动惯量和质量大大减小，因此广泛应用于高精度的伺服转台、雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高精度位置检测系统中。

但是，减小质量与惯量的同时，带来了另外一个问题，就是感应同步器的输出信号，即载有位置信息的正余弦信号只有毫伏(mV)级别，所以相对于旋转变压器，增加了解码的难度，尤其在需要高精度位置信号的使用场合。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种感应同步器信号解码方法及系统，以解决解码难度较大的问题。

为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

一种感应同步器信号解码方法，其包括以下步骤：耦合步骤，使感应同步器的正余弦绕组在一激磁信号的耦合下，产生载有位置信息的正余弦信号；信号放大步骤，将耦合步骤得到的载有位置信息的正余弦信号的幅值放大到伏级；锁相放大步骤，在经所述信号放大步骤放大得到的正余弦信号中对应地提取出和激磁信号同频的信号正余弦幅值信号，滤掉激磁频率以外的无用信号；解码步骤，根据得到的正余弦幅值信号，计算出载有位置信息的位置信号。

在如上所述的感应同步器信号解码方法中，优选地，在耦合步骤中，激磁信号U_m满足公式(1),公式(1)为：U_m＝A′·sinωt其中，ω表示激磁信号的角频率；感应同步器输出的正余弦信号U_sin、U_cos满足公式(2)，公式(2)为：其中，U_sin、U_cos中的α为位置角信号，用于表示位置信息；在信号放大步骤中，放大后得到的正余弦信号满足公式(3)，公式(3)为：其中，将位置角α假设为不变量。

在如上所述的感应同步器信号解码方法中，优选地，在锁相放大步骤中，滤掉激磁频率以外的无用信号的滤波电路为低通滤波电路。

在如上所述的感应同步器信号解码方法中，优选地，在锁相放大步骤中，设待测正弦信号为x₁(t)＝V_Asin(ωt+a)，待测余弦信号为x₂(t)＝V'_Asin(ωt+a)，噪声为n(t)，第一参考信号为y₁(t)＝B·sin(ωt+b)，第二参考信号是y₂(t)＝B·sin(ωt+b-90°)；其中，幅值B为已知量，a、b分别表示待测正弦信号和第一参考信号的初始相位；使待测正弦信号分别与所述第一参考信号和所述第二参考信号进行相乘运算，得到第一相乘运算结果和第二相乘运行结果，所述第一相乘运算结果满足公式(4)，公式(4)为：

所述第二相乘运算结果满足公式(5)，公式(5)为：

对所述第一相乘运算结果和所述第二相乘运算结果分别进行滤波处理，对应得到：

使待测余弦信号分别与所述第一参考信号和所述第二参考信号进行相乘运算，得到第三相乘运算结果和第四相乘运行结果，所述第三相乘运算结果满足公式(6)，公式(6)为：

所述第四相乘运算结果满足公式(7)，公式(7)为：

对所述第三相乘运算结果和所述第四相乘运算结果分别进行滤波处理，对应得到：

对v₁(t)和v₂(t)进行平方和，并开根号处理得到的结果满足公式(8)，公式(8)为：

对v₃(t)和v₄(t)进行平方和，并开根号处理得到的结果满足公式(9)，公式(9)为：

在如上所述的感应同步器信号解码方法中，优选地，在解码步骤中，通过AD采样得到锁相放大步骤处理之后的信号v₁₂、v₃₄，对v₁₂和v₃₄进行相除处理得到的结果满足公式(10)，公式(10)为：tanα＝v₁₂/v₃₄对tanα进行反正切运算，得到α。

一种感应同步器信号解码系统，其包括：数字控制电路、精密放大电路和锁相放大器；所述数字控制电路用于输出激磁信号以使感应同步器的正余弦绕组在所述激磁信号的耦合下，产生载有位置信息的正余弦信号；所述精密放大电路用于将感应同步器输出的载有位置信息的正余弦信号的幅值放大到伏级；锁相放大器，与所述精密放大电路连接，用于从经所述信号放大电路放大的正余弦信号中对应地提取出和激磁信号同频的信号的正余弦幅值信号，滤掉激磁频率以外的其他无用信号；所述数字控制电路还与所述锁相放大器连接，用于对所述锁相放大器输出的正余弦幅值信号进行解码以得到位置信息。

在如上所述的感应同步器信号解码系统中，优选地，所述精密放大电路包括：低通滤波电路，与所述感应同步器连接，为RC滤波电路；放大电路，与所述RC滤波电路连接。

在如上所述的感应同步器信号解码系统中，优选地，所述锁相放大器为正交型锁相放大器。

在如上所述的感应同步器信号解码系统中，优选地，所述数字控制电路为数字信号处理芯片。

分析可知，本发明提出一种以DSP作为控制主控单元，结合精密运算放大电路和锁相放大器进行相应信号处理的高精度解算方案。与一般的直接信号放大后硬件解码的方案相比，本发明具有较低的成本与较高的灵活性，而且锁相放大器的滤波能保证解码的精度。

附图说明

图1为本发明实施例的总体框图；

图2为本发明实施例的信号放大过程示意图；

图3为本发明实施例的锁相放大过程示意图；

图4为本发明实施例的锁相放大器信号处理流程图；

图5为本发明实施例的正弦信号锁相放大器原理图；

图6为本发明实施例的正交型锁相放大器原理图；

图7为本发明实施例的解码示意图；

图8为本发明实施例的激磁信号发生电路；

图9为本发明实施例的高精度放大电路；

图10为本发明实施例的信号发生电路；

图11为本发明实施例的锁相放大器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

就本发明的原理而言，对感应同步器进行解码的操作可分为三个步骤：信号放大步骤、锁相放大步骤以及解码步骤。针对感应同步器输出信号弱的特点，分别进行放大、滤波和解码处理。尤其在滤波环节，利用锁相放大器能够在噪声中提取特定频率微弱信号的特点，对待测信号进行有效滤波，而且正交型锁相放大器的应用可以避免相位带来的问题。

基于此，如图1，在本发明提供的系统中，硬件部件主要包括三大模块：数字控制电路、精密放大电路、锁相放大器。其中，在数字控制电路中，以DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理器)作为调控主单元，如型号为TMS320X2812的数字芯片，其包括由晶振等元器件构成的最小系统，提供使TMS320X2812工作的3.3V和1.8V电压、一定频率的时钟信号。电平转换电路74ACT245，将DSP输出幅值3.3V的PWM波形转换成5V的PWM波形信号，提高芯片驱动能力。采样模块的高精度外部采样芯片ADS7864，能够实时的采取外部模拟信号，转换为数字信号后再通过数据总线传送至DSP处理。仿真烧写口电路JTAG，能实现芯片的程序烧写和在线程序仿真，提高开发能力。以及作为激磁模块的OSC-15801激磁芯片，OSC-15801激磁芯片的电路连接示意如图8所示，引脚PAOUT为激磁信号输出的引脚。

精密放大电路包括：RC滤波电路和放大电路，放大电路由高精度、高共模抑制比的仪表放大器AD625及其外围电路组成。放大器AD625的电路连接示意图如图9所示，图中待放大信号为待测正弦信号，引脚Vout为放大后的正弦信号sin_out输出的引脚，

锁相放大器包括：芯片AD9850，其是根据直接数字频率合成原理设计的信号发生芯片，基于直接频率合成器，该合成器应用先进的CMOS技术，可以利用DSP引脚对其进行控制。信号发生器芯片AD9850的电路连接示意图如图10所示，图中LPF为低通滤波电路。芯片AD630，内部构成包括两个运算放大器A和B、切换开关、比较器COMP(含三极管T)、输出积分放大器、片内补偿电容、片内电阻。其优点突出，在设计锁相放大器时，AD630作为相敏检波器来使用，即乘法器，来完成相关检测电路的设计。

本领域技术人员应当理解，虽然上述描述涉及芯片类型，但是本发明并不以此为限。

如图1所示，数字控制电路通过其激磁模块输出高频的正弦激磁信号，优选地，该信号的频率为10kHz。该正弦激磁信号的幅值可以为10V。感应同步器的正余弦绕组在激磁信号的耦合下，会产生载有位置信息的正余弦信号：

激磁信号：U_m＝A′·sinωt (1)

其中，ω表示激磁信号的角频率；

感应同步器输出信号：

其中，U_sin、U_cos中的α为位置角信号，用于表示位置信息，但是由于U_sin、U_cos信号只有mV级，而且特别容易被噪声干扰，所以需要经过特殊的处理才行，即设置了如下处理步骤。

(一)第一部分：信号放大

信号放大处理过程如图2所示，这一过程的作用在于提高正余弦输出信号的幅值(由mV级别放大到V级)，在此过程中尽量保持信号不受干扰，但是主要目的在于放大。该信号方法步骤可由精密放大电路处理，精密放大电路的低通滤波电路使用RC滤波电路即可，精密放大电路(或称前置放大电路)的放大器电路使用具有高精度和高共模抑制比的仪表放大器AD625，并设计其外围电路，选用高精度的配置电阻，可以方便灵活地选择放大的倍数。

放大后得到的信号为：

由于，位置角α相对与激磁频率(10kHz)的变化相比非常缓慢，信号处理过程中可假设为不变量，因此放大后的信号可表示为：

其中，V_A为正弦幅值信号，V_A'为余弦幅值信号。

(二)第二部分：锁相放大

在微弱信号检测领域，与伴随的噪声相比，信号幅度一般都很小，甚至为μV到nV量级，一般的手段很难精准的提取微弱信号，所以需要对信号进行滤波处理。现有技术中的检测方法大多把带通滤波器作为滤波手段，但是此方法存在弊端，需要将带宽设计的很窄，对设计有很高的要求，而且容易受到温度、电压的影响。因此，在本发明实施中，通过采用锁相放大器在经信号放大步骤放大得到的正余弦信号中对应地提取出和激磁信号同频的信号(即有用信号)的正余弦幅值信号，滤掉激磁频率以外的无用信号，具体地通过对信号进行锁相放大、滤波得到。锁相放大的处理过程如图3所示。锁相放大器是基于互相关检测原理设计而成的，它的核心是相敏检波，有关原理不再赘述。锁相放大器的信号处理过程如图4所示，需要一路参考信号，此参考信号必须要和待处理的正余弦信号具有一样的频率(比如都为10kHz)，可以为正弦或者方波，这里以正弦为例。

图5所示，为一路正弦信号的处理过程(解码信号为正弦余弦两路信号)，这里以正弦信号为例，余弦信号以此类推。实际电路采用的相敏检测器为AD630，信号发生器为AD9850，低通滤波器为RC滤波电路，即锁相放大器包括：相敏检测器、信号发生器和低通滤波器。

相敏检波器的任务是完成输入信号与参考信号的乘法运算，运算处理后可得输入信号与参考信号的和频、差频信号。低通滤波器的目的是滤除信号中的高频成分，这就使频带变窄，因此达到了提取噪声中的微弱信号的目的。

设待测正弦信号为x₁(t)＝V_Asin(ωt+a)，噪声为n(t)，第一参考信号是y₁(t)＝B·sin(ωt+b)，第二参考信号y₂(t)＝B·sin(ωt+b-90°)，其中，幅值B已知，a、b分别表示待测正弦信号和第一参考信号的初始相位。在相敏检波环节中，使待测正弦信号和第一参考信号进行相乘运算，其结果如下：

式(5)中第一项为直流信号，其数值正比于两信号的幅度值及相位差的余弦；第二项为是被测信号的倍频信号。噪声与被测信号在同一时间输入到乘法器，也参与到参考信号相乘中。对结果分析中，可看到n(t)B sin(ωt+b)几乎全部是交流信号。低通滤波器的通道可以做到很窄，通过低通滤波器时，滤掉了目标信号的二倍频信号和噪声与参考信号的乘积信号，仅直流信号通过，即只要知道两个信号的初相位a和b，则cos(a-b)确定，且有确定的幅值B，则待测信号的幅值V_A很容易获得。

但是在一般情况下，单通道中很难使cos(a-b)恒定，且不易获取。为了避免此带来的影响，把参考信号移动相位90°并使其作为另一路的参考信号(即第二参考信号)，这样一来正交型的锁相放大器就可以动态地完成信号的检测并计算出其幅值和相位。图6所示，为正交型锁相放大器的原理图。待测正弦信号与另一路参考信号相乘运算的结果为：

正交型锁相放大器的结构呈一定的对称性，由两个的信号通道及相关器构成。其中，两信号通道完全相同，且信号通道输出两路完全相同信号，参考通道输出两路同频率正弦信号，相位相差90°，分别输入到两个相关器(AD630)中进行运算。其两个相关器输出分别为：

v₁(t)＝0.5V_AB cos(a-b)

v₂(t)＝0.5V_AB sin(a-b)

由上两式进行平方和，再开根号处理(该处理过程具体地可经矢量/相位DSP处理)可得：

即

由式(8)可知，v₁₂可通过采样计算得出，且v₁₂中含有待测信号幅值V_A和参考信号幅值B的信息，因为B已知，所以待测信号幅值可求得；即锁相放大器能够很好地检测出待测信号的幅度值V_A，微弱信号被成功检出。

即：V_A＝A·sinα

换言之，在经信号放大步骤放大得到的正弦信号中提取出和激磁信号同频的信号的正弦幅值信号。

同理设待测余弦信号为x₂(t)＝V'_Asin(ωt+a)，对待测余弦信号进行处理的过程详见上述正弦信号的处理过程：

待测余弦信号分别与第一参考信号和第二参考信号进行相乘运算，得到第三相乘运算结果和第四相乘运行结果，第三相乘运算结果如下：

所述第四相乘运算结果如下：

经低通滤波器滤波后可得：

v₃(t)＝0.5V'_ABcos(a-b)

v₄(t)＝0.5V'_ABsin(a-b)

由上两式进行平方和，再开根号处理(该处理过程具体地可经矢量/相位DSP处理)可得：

即

V_A'＝A·cosα

换言之，在经信号放大步骤放大得到的余弦信号中提取出和激磁信号同频的信号的余弦幅值信号。

应用中，由式(8)，a与b的相位差一定，达到了锁定相位的目的，且参考信号初始相位已知，则待测信号相位可求得。

(三)第三部分：解码

最后一步解码由数字控制电路完成，如图7所示，通过AD采样得到锁相放大器选频处理之后的信号，即：

显然这两路信号相除就得到了tanα，再通过查表的方法就可以得到位置角α的值。

综上，本发明的解码过程主要可分为三个部分：信号放大、锁相放大以及解码。第一个部分信号放大，将毫伏级别的载有位置信息的正余弦信号放大到伏级，要求在放大过程中，将信号的失真降到最低。第二部分锁相放大，这里锁相放大器的作用是在已经被放大的正余弦信号中提取出和激磁信号同频的信号，即有用的信号，滤掉激磁频率以外的其他无用信号，相当于一个特殊的滤波器。第三部分，根据前两步处理之后得到的正余弦幅值信号通过数字控制电路中内置的软件计算出位置信号。测试表明，本发明具有较低的成本与较高的灵活性，而且锁相放大器的滤波能保证解码的精度。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。