本实用新型涉及一种旋转变压器的零位角测试装置。
背景技术：
永磁同步电机因其工作性能稳定，功率/转矩密度大，结构简单紧凑，在很多领域均有广泛的应用。为了实现永磁同步电机的高性能高可靠性，准确获得转子位置是必不可少的条件。
旋转变压器作为常见的永磁同步电机的转子位置检测传感器，因其较高的精度和可靠性，在电动汽车上也得到了广泛的应用。由于永磁同步电机和旋转变压器的制造和安装公差使得旋转变压器的零位角与永磁同步电机零位角通常存在偏差，且偏差值大小无法保证，在工程应用中，通常需要对旋转变压器的零位角进行准确的标定，常用的方法是反电势过零点与旋变sin包络线过零点比较法，这种方法对于过零点的检测要求很高，不易实现，且通过单点计算得到的零位误差很大。
因此，亟待需要出现一种容易实现并且零位误差小的旋转变压器的零位角的检测方案。
技术实现要素：
针对上述问题，本实用新型提供一种测试容易、误差小、容易实现的旋转变压器的零位角测试装置。
本实用新型采用的技术方案为：
本实用新型实施例提供一种旋转变压器的零位角测试装置，包括：动力装置、被测电机、旋转变压器、变压器供电装置、信号采集装置和信号转换及处理装置；其中，所述动力装置与所述被测电机连接，用于驱动所述被测电机至预定转速；所述旋转变压器设置在所述被测电机上，并与所述变压器供电装置和所述信号采集装置连接；所述信号采集装置还与所述被测电机的任意两相连接，并与所述信号转换及处理装置连接；所述变压器供电装置用于为所述旋转变压器提供电力，所述信号采集装置用于采集所述旋转变压器输出的旋变信号和所述被测电机的任意两相的反电势信号并将采集的反电势信号发送给所述信号转换及处理装置进行转换和处理，以得到所述旋转变压器的零位角；所述旋变信号包括旋变励磁信号、旋变正弦信号和旋变余弦信号。
可选地，所述信号采集装置为电压传感器。
可选地，所述变压器供电装置为旋变励磁电路。
可选地，所述信号转换及处理装置包括采样电路和信号处理器；其中，所述采样电路与所述信号采集装置连接，用于将所述信号采集装置采集的信号转换为可使用的信号并发送给所述信号处理器。
可选地，所述信号转换及处理装置为通道波形记录仪或者示波器。
本实用新型提供的旋转变压器的零位角测试装置，利用采集的旋转变压器的旋变信号计算估算的转子转过的角度和利用采集的被测电机的三相反电势信号计算转子实际转过的角度，然后将两者进行作差，将作差得到的值作为旋转变压器的零位角，使得测试过程简单容易实现，且误差小。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的旋转变压器的零位角测试装置的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的旋转变压器的零位角测试方法的流程示意图；
图3为本实用新型实施例提供的旋转变压器的零位角测试系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
图1为本实用新型实施例提供的旋转变压器的零位角测试装置的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施例提供一种旋转变压器的零位角测试系统，包括：动力装置101、被测电机102、旋转变压器103、变压器供电装置104、信号采集装置105和信号转换及处理装置106。其中，所述动力装置101与所述被测电机102连接，用于驱动所述被测电机至预定转速；所述旋转变压器103设置在所述被测电机102上，并与所述变压器供电装置104和所述信号采集装置105连接；所述信号采集装置105还与所述被测电机102的任意两相连接，并与所述信号转换及处理装置106连接；所述变压器供电装置104用于为所述旋转变压器103提供电力，所述信号采集装置104用于采集所述旋转变压器103输出的旋变信号和所述被测电机102的任意两相的反电势信号并将采集的反电势信号发送给所述信号转换及处理装置106进行转换和处理，以得到旋转变压器的零位角；所述旋变信号包括旋变励磁信号、旋变正弦信号和旋变余弦信号。
具体地，本实用新型实施例中的动力装置101可为测功机或者其它原动机，被测电机102可为永磁同步电机，动力装置101与被测电机102可通过法兰盘以及连接轴进行机械连接，通过动力装置101的带动可将被测电机102驱动至预定转速。变压器供电装置104可为旋变励磁电路，与旋转变压器103连接，为旋转变压器103提供励磁信号进行供电。信号采集装置105可为电压传感器，本实用新型实施例中可设置5个电压传感器，其中两个与被测电机102的任意两相，例如U相和V相进行连接，用于采集两相反电势信号，反电势信号可通过采集两相相电压或者两相线电压值来获得，另外3个电压传感器与旋转变压器103连接，分别采集旋转变压器103输出的旋变励磁信号、旋变正弦信号和旋变余弦信号。
在本实用新型的一个示意性实施例中，信号转换及处理装置106可包括采样电路和信号处理器。其中，所述采样电路与所述信号采集装置105连接，用于将所述信号采集装置105采集的信号转换为可使用的信号并发送给所述信号处理器。采样电路可采用分压电阻的形式，信号处理器可采用任何具有运算功能的处理器。在一个示例中，旋变励磁电路、采样电路和信号处理器可集成在被测电机102的电机控制器上，但并不局限于此，也可以单独进行设置。
在本实用新型的另一个示意性实施例中，信号转换及处理装置106可为通道波形记录仪或者示波器等采集设备。
在本实用新型中，信号转换及处理装置106可基于预设算法将信号采集装置105采集的信号进行转换得到旋转变压器103的零位角，包括利用采集的任意两相反电势信号得到三相反电势信号，然后利用三相反电势信号计算转子实际转过的角度，以及利用旋变信号软解码解算旋变信号以得到估算的转子转过的角度，然后将得到的两个角度之间的固定偏差确定为由于永磁同步电机和旋转变压器的制造和安装公差导致的旋变零位。
具体地，本实用新型实施例提供的旋转变压器的零位角测试装置通过动力装置101拖动被测电机102，使其工作在一个稳定转速下，该稳定转速只要能够保证在该转速下可以采集到稳定有效的反电势信号即可，通过电压传感器采集被测电机的任意两相反电势信号，并通过采集的任意两相反电势信号解算出UU、UV、UW电压信号，具体可根据三相反电势信号之和等于零解算出。在采集反电势信号的同时，可同步采集旋转变压器的sin信号、cos信号以及励磁信号。在本实用新型的一个示例中，可采集预设个周期的数据来进行分析处理，例如3个周期的数据，经过滤波可以避免测试噪声及谐波的影响。
信号转换及处理装置106通过采集的旋转变信号得到的转子转过的角度θ的解算方法可如下式(1)所示：
其中，Uref为电压传感器采集的励磁信号，Usin为电压传感器采集的采集正旋信号，Ucos为电压传感器采集的余弦信号，e为励磁信号幅值，f为励磁信号频率，k为变比，t是时间，sinθ和cosθ为包络线，即转子转过的角度的正弦值和余弦值。
根据上式(1)可得
信号转换及处理装置106通过UU、UV、UW电压信号确定转子实际转过的角度θd的解算方法如下所示。已知
其中，Um为三相电压幅值，ωt为当前转子实际转过的角度，即θd＝ωt。
然后，将基于3轴、2维的定子静止坐标系的三相电压信号通过CLARKE变换得到基于2轴定子静止坐标系的Uα及Uβ，其中，相电压UU与Uα相位相同，Uα及Uβ与三相电压信号UU、UV、UW之间的转换关系可如下所示：
将上述等式化简得到
根据上述内容，可以得到转子实际转过的角度θd为：
从而可知旋转变压器的零位角与永磁同步电机零位角之间的偏差角度即旋变零位角θ0为θ0＝θ-θd。
需要注意的是，上述公式仅适用于旋变极对数与转子极对数相等的情况，若两者数量不一致，则需引入电机转子极对数P电机以及旋变极对数P旋变，两者的关系为，即
由于反正切函数周期的限制，需要分别判断θ以及θd所在象限，进而转换至0～360°的角度区间后，再进行θ0解算。
根据旋变信号的正负值，可利用下述公式(2)将θd转换至0～360°之间：
因为相电压UU与Uα相位相同，可以通过判断Uα及Uβ的正负值，并利用下述公式(3)将θ转换至0～360°之间：
基于同一实用新型构思，本实用新型实施例还提供了一种旋转变压器的零位角测试方法，由于该方法所解决问题的原理与前述旋转变压器的零位角测试系统相似，因此该方法的实施可以参见前述系统的实施，重复之处不再赘述。
图2为本实用新型实施例提供的旋转变压器的零位角测试方法的流程示意图。如图2所示，本实用新型实施例提供了一种旋转变压器的零位角测试方法，包括以下步骤：
S201、采集被测电机的任意两相的反电势信号，以及旋转变压器的旋变信号；所述旋变信号包括旋变励磁信号、旋变正弦信号和旋变余弦信号。
S202、基于所采集的旋变信号确定估算的被测电机的转子转过的角度；
S203、基于所采集的任意两相的反电势信号确定所述被测电机的三相反电势信号，并利用预设变换方法对所确定的三相反电势信号进行处理以得到被测电机的转子实际转过的角度。
S204、将所得到的估算的被测电机的转子转过的角度与所得到的被测电机的转子实际转过的角度相减，并将相减得到的差值作为所述旋转变压器的零位角。
步骤S202和S203的执行没有严格的顺序。
在步骤S201中，可通过电压传感器采集被测电机的任意两相的相电压值或者任意两相的线电压值和通过电压传感器来采集旋转变压器的旋变信号。
进一步地，步骤S202具体包括：基于旋变励磁信号与旋变励磁信号幅值、旋变励磁信号频率和时间之间的第一函数关系，旋变正弦信号与变比、旋变励磁信号幅值、旋变励磁信号频率、时间以及估算的转子转过的角度之间的第二函数关系以及旋变余弦信号与变比、旋变励磁信号幅值、旋变励磁信号频率、时间以及估算的转子转过的角度之间的第三函数关系，确定所述估算的转子转过的角度。
旋变励磁信号与旋变励磁信号幅值、旋变励磁信号频率和时间之间的函数关系，旋变正弦信号与变比、旋变励磁信号幅值、旋变励磁信号频率、时间以及估算的转子转过的角度之间的函数关系以及旋变余弦信号与变比、旋变励磁信号幅值、旋变励磁信号频率、时间以及估算的转子转过的角度之间的函数关系可如下式(4)所示：
其中，Uref为电压传感器采集的励磁信号，Usin为电压传感器采集的采集正旋信号，Ucos为电压传感器采集的余弦信号，e为励磁信号幅值，f为励磁信号频率，k为变比，t是时间，sinθ和cosθ为包络线，即转子转过的角度的正弦值和余弦值。
根据上式(4)可得即估算的转子转过的角度等于旋变正弦信号与旋变余弦信号的商的反正切。
在本实施例中，所述预设变换方法为CLARKE变换。步骤S203中的利用预设变换方法对所确定的三相反电势信号进行处理以得到被测电机的转子实际转过的角度包括以下步骤：
步骤一、将基于3轴、2维的定子静止坐标系的三相反电势信号通过CLARKE变换，得到基于2轴的定子静止坐标系的两相反电势信号；所述定子静止坐标系的两相反电势信号包括第一相反电势信号和第二相反电势信号。
步骤二、基于三相反电势信号与电压幅值和转子实际转过的角度之间的函数关系以及所得到的两相反电势信号，得到所述转子实际转过的角度。
具体地，三相反电势信号与电压幅值和转子实际转过的角度之间的函数关系可如下式(5)所示：
其中，Um为三相电压幅值，ωt为当前转子实际转过的角度，即θd＝ωt。
然后，将基于3轴、2维的定子静止坐标系的三相电压信号通过CLARKE变换得到基于2轴定子静止坐标系的第一相反电势信号Uα及第二相反电势信号Uβ，其中，相电压UU与Uα相位相同，Uα及Uβ与三相电压信号UU、UV、UW之间的转换关系可如下所示：
将上述等式化简得到
根据上述内容，可以得到转子实际转过的角度θd为：
从而可知旋转变压器的零位角与永磁同步电机零位角之间的偏差角度即旋变零位角θ0为θ0＝θ-θd。
进一步地，本实施例的方法还包括：用于在旋转变压器的旋变极对数与被测电机的转子极对数不相等的情况下，基于所述旋变极对数和所述转子极对数对所得到的转子实际转过的角度进行修正。
上述得到的旋变零位角计算公式仅适用于旋变极对数与转子极对数相等的情况，若两者数量不一致，则需引入电机转子极对数P电机以及旋变极对数P旋变对转子实际转过的角度进行修正。电机转子极对数P电机以及旋变极对数P旋变两者的关系为，从而可得到：
进一步地，本实施例的方法还包括：根据所采集的旋变信号的正负值和反电势信号的正负值将估算的转子转过的角度和转子实际转过的角度转换至0～360°的区间。
由于反正切函数周期的限制，需要分别判断θ以及θd所在象限，进而转换至0～360°的角度区间后，再进行θ0解算。其中，将估算的转子转过的角度转换至0～360°的区间具体包括：
当所述旋变余弦信号与所述旋变励磁信号同向时，将所估算的转子转过的角度作为最终的估算的转子转过的角度；
当所述旋变余弦信号与所述旋变励磁信号反向而所述旋变正弦信号与所述旋变励磁信号同向时，将所估算的转子转过的角度加上180°作为最终的估算的转子转过的角度；
当所述旋变余弦信号与所述旋变励磁信号反向且所述旋变正弦信号与所述旋变励磁信号反向时，将所估算的转子转过的角度减去180°作为最终的估算的转子转过的角度。
即，可利用下述公式(6)将θd转换至0～360°之间：
因为相电压UU与Uα相位相同，可以通过判断Uα及Uβ正负值，将转子实际转过的角度转换至0～360°的区间，具体包括：
当所述第二相反电势信号大于零时，将所得到的转子实际转过的角度作为最终的转子实际转过的角度；
当所述第二相反电势信号小于零且所述第一相反电势信号小于零时，将所得到的转子实际转过的角度加上180°作为最终的转子实际转过的角度；
当所述第二相反电势信号小于零而所述第一相反电势信号大于零时，将所得到的转子实际转过的角减去上180°作为最终的转子实际转过的角度。
即，可利用下述公式(7)将θ转换至0～360°之间：
上述各步骤可由图1所示的各结构执行，在此不再赘述。
基于同一发明构思，本实用新型实施例还提供了一种旋转变压器的零位角测试系统，由于该系统所解决问题的原理与前述旋转变压器的零位角测试方法相似，因此该方法的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。
图3为本实用新型实施例提供的旋转变压器的零位角测试系统的结构示意图。如图3所示，本实用新型实施例提供一种旋转变压器的零位角测试系统，包括：
信号获取模块301，用于获取被测电机的任意两相的反电势信号，以及旋转变压器的旋变信号；所述旋变信号包括旋变励磁信号、旋变正弦信号和旋变余弦信号；
角度估算模块302，用于基于所述信号获取模块所获取的旋变信号确定估算的被测电机的转子转过的角度；
实际角度计算模块303，用于基于所述信号获取模块所获取的任意两相的反电势信号确定所述被测电机的三相反电势信号，并利用预设变换方法对所确定的三相反电势信号进行处理以得到被测电机的转子实际转过的角度；
零位角确定模块304，用于将所述角度估算模块确定的估算的转子转过的角度与所述实际角度计算模块计算的转子实际转过的角度进行相减，并将相减得到的差值作为所述旋转变压器的零位角。
进一步地，所述角度估算模块302具体用于：基于旋变励磁信号与旋变励磁信号幅值、旋变励磁信号频率和时间之间的第一函数关系，旋变正弦信号与变比、旋变励磁信号幅值、旋变励磁信号频率、时间以及估算的转子转过的角度之间的第二函数关系以及旋变余弦信号与变比、旋变励磁信号幅值、旋变励磁信号频率、时间以及估算的转子转过的角度之间的第三函数关系，确定所述估算的转子转过的角度。
本实施例中，所述预设变换方法为CLARKE变换；实际角度计算模块303利用预设变换方法对所确定的三相反电势信号进行处理以得到被测电机的转子实际转过的角度包括：将基于3轴、2维的定子静止坐标系的三相反电势信号通过CLARKE变换，得到基于2轴的定子静止坐标系的两相反电势信号；所述定子静止坐标系的两相反电势信号包括第一相反电势信号和第二相反电势信号；基于三相反电势信号与电压幅值和转子实际转过的角度之间的函数关系以及所得到的两相反电势信号，得到所述转子实际转过的角度。
进一步地，本实施例提供的系统还包括修正模块305，用于在旋转变压器的旋变极对数与被测电机的转子极对数不相等的情况下，基于所述旋变极对数和所述转子极对数对所得到的转子实际转过的角度进行修正。
进一步地，本实施例提供的系统还包括区间转换模块306，用于根据所采集的旋变信号的正负值和反电势信号的正负值将估算的转子转过的角度和转子实际转过的角度转换至0～360°的区间。
其中，将估算的转子转过的角度转换至0～360°的区间具体包括：当所述旋变余弦信号与所述旋变励磁信号同向时，将所估算的转子转过的角度作为最终的估算的转子转过的角度；当所述旋变余弦信号与所述旋变励磁信号反向而所述旋变正弦信号与所述旋变励磁信号同向时，将所估算的转子转过的角度加上180°作为最终的估算的转子转过的角度；当所述旋变余弦信号与所述旋变励磁信号反向且所述旋变正弦信号与所述旋变励磁信号反向时，将所估算的转子转过的角度减去180°作为最终的估算的转子转过的角度。
将转子实际转过的角度转换至0～360°的区间具体包括：当所述第二相反电势信号大于零时，将所得到的转子实际转过的角度作为最终的转子实际转过的角度；当所述第二相反电势信号小于零且所述第一相反电势信号小于零时，将所得到的转子实际转过的角度加上180°作为最终的转子实际转过的角度；
当所述第二相反电势信号小于零而所述第一相反电势信号大于零时，将所得到的转子实际转过的角减去上180°作为最终的转子实际转过的角度。
上述各模块的功能可对应于图2所示流程中的相应处理步骤，在此不再赘述。
本实用新型具有如下有益效果：可以在线或离线计算旋变零位；不需要采集旋转编码器sin包络线零点及反电势信号过零点，避免噪声及单一过零点测试产生的影响；通过连续采集几个周期的数据，经过滤波可以避免测试噪声及谐波的影响；适用于电机极对数与旋变极对数不一致时的初始角测试方案。
以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。