应用于旋转变压器的电压检测装置及工作方法与流程

本发明涉及一种电压采集装置，特别涉及一种应用于旋转变压器的电压检测装置及工作方法。

背景技术：

旋转变压器是一种精密角度、转速测量装置，适用于所有旋转测量场合。特别是在高温、严寒、潮湿、高速、高震动等常规光电编码器无法正常工作的恶劣环境下。旋转变压器可完全替代光电编码器。因此，旋转变压器已被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、电子、冶金、矿山、油田、水利、化工、轻工、建筑等领域的角度、转速测量系统中。

高性能稳定可靠的旋转变压器解码电路是使用旋转变压器进行角度、转速测量的关键。ad转换装置是旋转变压器解码电路的核心部件。在电主轴、电动汽车等超高转速测量场合，要求旋转变压器的解码电路在保证解码精度的前提下，具有超高的解码速率。这就要求旋转变压器中的ad转换装置同时具有超高的采样精度和采样率。另外由于旋转变压器的恶劣工作环境，温度、湿度、震动等外部因素会使ad转换装置中的电路参数发生不可预知的变化，影响ad转换的稳定精度。

目前受adc芯片发展水平的限制，单片adc很难同时做到高速率和高精度采样，使用多片adc并联采样是提高系统采样率的一种有效方法。多片adc并联采样主要分为频域和时域两种结构。频域结构的方法是通过频带分割滤波器对输入宽带信号进行频域分割成多路窄带信号以降低单片adc的采样速率，再由采样后的窄带信号重构原始输入的宽带信号。频带分割滤波器通常采用模拟低通、带通和高通滤波器，频带分割滤波器的过渡带对系统性能有很大的影响。时域结构的方法主要是多片adc采用并行时间交替采样来完成对输入信号的采样，称之为时间交替adc采样。但各个通道的不一致性会引入三种主要通道失配误差，一是由通道延迟不一致而引起的时间误差；二是各个通道增益不一致而引起的增益误差；三是各个通道adc的基准电平不一致引起的偏置误差。通道失配误差对系统的性能也有很大的影响。

技术实现要素：

本发明是针对ad转换过程中的采集效率和采集精度之间的矛盾的问题，提出了一种应用于旋转变压器的电压检测装置及工作方法，实现了高速、高精度、双极性的模拟信号采集、转换和处理。

本发明的技术方案为：一种应用于旋转变压器的电压检测装置，包括过零电压比较器、两路绝对值转换电路、前置和后置多路选择器、采样保持电路、数个ad转换电路和单片机；待测信号送入过零电压比较器和第一绝对值转换电路，待测信号经过过零电压比较器进行极性判断，判断结果送入单片机，待测信号经过第一绝对值转换电路转换为正电压信号后输入到各路前置多路选择器；由单片机提供时钟的标准正弦信号经过第二绝对值转换电路转换为正电压信号后输入到各路前置多路选择器，前置多路选择器经过各路的采样保持电路后接对应的ad转换电路，各路ad转换电路输出再经过后置多路选择器将信号送入单片机，单片机输出多路选择信号到前置和后置多路选择器。

所述应用于旋转变压器的电压检测装置的工作方法，首先标准正弦信号依次经过第二绝对值转换电路、前置多路选择器、采样保持电路、数个ad转换电路、后置多路选择器进入单片机，前置和后置多路选择器依次打开，直到采集完正弦信号的1/4周期，用最小二乘法的多项式拟合采集的数字信号与电压值实际值之间的函数关系，得到的拟合曲线作为以后单片机处理待测信号ad转换数据的参考曲线；然后选择待测信号依次经过第一绝对值转换电路、前置多路选择器、采样保持电路、数个ad转换电路、后置多路选择器进入单片机，待测信号转换的数字量信号在单片机内，根据参考曲线进行非线性校正后，经过内部滤波，再加入极性判断值得精准的电压实测值。

本发明的有益效果在于：本发明应用于旋转变压器的电压检测装置及工作方法，电路稳定简单，体积小，成本低，精度高，速率快，抗干扰能力强，具有突出的高可靠性和高安全性，并具有可移植性，实现了误差的实时校准，完全符合旋转变压器对ad转换装置的实时性、精度、速率、工作环境等多项要求，因而非常适用于旋转变压器的解码电路。

附图说明

图1为本发明应用于旋转变压器的电压检测装置结构框图；

图2为本发明正弦信号关系示意图；

图3为本发明非理想情况下的adcx与v实际值之间的散点和拟合之后的函数关系图；

图4为本发明应用于旋转变压器的电压检测装置工作流程图。

具体实施方式

如图1所示应用于旋转变压器的电压检测装置结构框图，装置主要包括过零电压比较器、两路绝对值转换电路、前置和后置多路选择器、采样保持电路、ad转换电路和单片机。

待测信号送入过零电压比较器和绝对值转换电路，待测信号经过过零电压比较器进行极性判断，判断结果送入单片机，待测信号经过绝对值转换电路转换为正电压信号后输入到各路前置多路选择器进行信号选择。由单片机提供时钟的标准正弦信号也经过绝对值转换电路转换为正电压信号后输入到各路前置多路选择器进行信号选择，前置多路选择器经过各路的采样保持电路后接对应的ad转换电路，再经过后置多路选择器将信号送入单片机，单片机输出多路选择信号到前置和后置多路选择器。

当对模拟信号进行ad转换时，需要一定的转换时间，在这个转换时间内，模拟信号要保持基本不变，这样才能保证转换精度，采样保持电路即为实现这种功能的电路，信号只需保持一个采样周期即可。

ad转换器是主要部分，负责ad转换。本系统采用了五个ad并联的设计方案，轮流工作，相当于将转换效率提高了大约五倍。

单片机是整个电路的核心，用来做极性判断、数字量处理、通道选择和为五个支路提供工作时钟。

系统具体工作过程如下(以单片机400个采样周期为例)。

为了达到良好的校正效果，标准正弦信号的周期是各个支路转换周期的400倍。这样就能有不同的采样值进入采样通道(即正弦信号1/4周期内单片机便可采样100次)。

待测信号分两路分别送入过零电压比较器和绝对值转换电路，过零电压比较器用作极性判断，voh＝5v，若输入为电压为正，则输出为+5v电压信号，若输入为电压为负，则输出为0v电压信号，将此信号从单片机的普通io引脚传入，由此达到了判断待测信号极性的目的。绝对值转换电路的输出电压为输入电压的绝对值，其他不会改变，因该ad转换器只能转换正电压，所以需要做这样的预处理。

图2为本发明信号关系示意图而正弦信号a经过绝对值转换电路得到b,后由多路选择器选择通过得到c，经过采样保持后得到d。

输入信号被分为五路，五个支路依次轮流工作。在此之前需要选择输入信号，对输入信号起选择作用的就是前置多路选择器。具体的信号选择参考下表1(其中0代表该支路的前置多路选择器选择了标准正弦信号，1代表该支路的前置多路选择器选择了待测信号)。由于环境变化和器件老化是一个缓慢的过程，所以只有在整个大周期内，只有一半的小周期有正弦信号的输入。

而后置多路选择器只需从上往下依次将转换好的一路信号输出即可(e)，转换一次，切换一次，表1为输入信号选择表。

表1

而后信号经过采样保持器如图2中d所示。再经过ad转换器如图2中f所示，便可得到对应的数字量。

该数字量传入单片机后，就是根据数字量，反推出电压值(本系统采用12位ad转换芯片)。一般的ad转换是线性的，意思就是电压和转换后的数字量是呈正比的。这样在单片机内部，就可以直接通过这个比例系数反推出电压值。然而在实际工作中，采集的待测信号一般是非线性的，我们只知道转换后的数字量，而无法反推出电压值，这个时候，为了保证精确度就需要知道数字量和电压值的关系曲线，才能反推出电压值，这里用正弦波信号作为标准信号用来拟合数字量与电压值之间的曲线关系，得到曲线关系后待测信号经过ad转换后的数字信号对应曲线即可得到电压值，保证精准。

理想的数字量adcx与实际电压值v实际值之间呈线性关系，如下式。

注：12位ad的最大输出值为2¹²＝4096，5为ad最大输入电压值(单位：伏特)。

而在环境变化，或器件老化时，adcx与v实际值之间呈非线性关系，则需单片机计算得出adcx与v实际值的函数关系。

当输入为标准正弦波时，才能知道adcx与v实际值的函数关系，因标准正弦信号的时钟由单片机提供，所以输入ad转换器的电压vsin已知，vsin＝|sin(it)|(其中i为采样点在一个正弦周期中的序号，t为一个小周期)和转换后的理论电压值vtsin也已知，vtsin＝vsin/5×4096，当转换后的电压值v实际值进入单片机后，将会代替原来vtsin的值，形成散点(如图2中e所示各个散点)。直到采集完正弦信号的1/4周期，用最小二乘法的多项式拟合来重新确定adcx与v实际值之间的函数关系，作为以后单片机处理待测信号ad转换数据的参考曲线,如图4中连续的曲线。而后每过一个正弦信号的一个周期，便用新的v实际值代替原来的v实际值，从而形成新的曲线，以此类推。再将时间对应的极性判断加入测试电压值可得到准确的采集值。

在正弦信号的后续3/4周期中，输入待测信号，单片机就可以根据新的拟合曲线和得到的ad值计算出相应的电压值。如图3所示将散点拟合为连续曲线，横坐标为对应的数字量，纵坐标为对应电压值。

该系统采用的滤波方式为滑动(递推)平均滤波算法。其对周期性干扰有非常好的抑制作用，平滑度高。具体如下：

(1)把连续取n个采样值看成一个队列，队列的长度固定为n；

(2)每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据(先进先出原则)；

(3)把队列中的n个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。

如图4所示，待测信号经过ad转换后得到数字量，根据正弦信号拟合的数字量与电压值对应关系曲线的进行非线性校正后，经过内部滤波，再加入极性判断值可输出精准的电压值。