一种旋转变压器激励信号发生系统的制作方法

1.本实用新型涉及新能源电机驱动控制技术领域，特别是涉及一种旋转变压器激励信号发生系统。


背景技术：

2.目前，关于旋转变压器解码进行信号变换的方法大多有两种方式：硬解码和软解码。其中，硬解码大多都是采用专用集成芯片，例如，集成有激励器放大器和升压稳压器电源的旋变数字转换器(rotary digital converter，rdc)芯片。软解码主要是通过搭建外部硬件电路并配合软件算法实现位置的解析。
3.诸如集成有激励器放大器和升压稳压器电源的rdc芯片这类专用集成芯片虽然外部电路比较简单，但是价格比较贵，增加驱动器成本。而软解码在实际应用环境中由于干扰会导致的旋转变压器输出正余弦信号畸变等问题。上述方法不仅成本高，而且降低了电驱动系统的安全可靠性。


技术实现要素：

4.基于此，本实用新型提供了一种旋转变压器激励信号发生系统，以提高电驱动系统的安全可靠性。
5.本技术提供一种旋转变压器激励信号发生系统，该系统包括：微控制单元处理器和调理模块；其中，调理模块包括第一隔直单元、反向偏置单元、第二隔直单元、第一功率推挽单元、第二功率推挽单元；
6.微控制单元处理器分别与第一隔直单元、反向偏置单元连接；
7.第一隔直单元与第一功率推挽单元连接；
8.反向偏置单元与第二隔直单元连接；
9.第二隔直单元与第二功率推挽单元连接；
10.第一功率推挽单元和第二功率推挽单元的目标信号输出到旋转变压器。
11.根据本实用新型实施例中一种可实现的方式，第一隔直单元包括第三电容；其中，第三电容的第一端与微控制单元处理器的输出端连接；
12.第三电容的第二端与第一功率推挽单元的输入端连接。
13.根据本实用新型实施例中一种可实现的方式，反向偏置单元包括电压跟随电路和反向偏置电路；
14.其中，反向偏置电路包括第十电容、第十五电阻、第十七电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二运算放大器；
15.第二运算放大器的同相输入端与第十七电阻的第二端和第十五电阻的第一端连接，第二运算放大器的反相输入端与第二十一电阻的第二端和第二十二电阻的第一端连接，第二运算放大器的输出端与第二十二电阻的第二端连接，第二十一电阻的第一端与第十电容的第二端共接微控制单元处理器的输出端，第十七电阻的第一端与第十电容的第一
端共接第二电压，第十五电阻的第二端与电压跟随电路的输出端连接。
16.根据本实用新型实施例中一种可实现的方式，第二隔直单元包括第九电容；其中，第九电容的第一端与第二运算放大器的输出端连接；
17.第九电容的第二端与第二功率推挽单元的输入端连接。
18.根据本实用新型实施例中一种可实现的方式，第一功率推挽单元包括第一运算放大电路和第一互补推挽电路；
19.其中，第一运算放大电路包括第三运算放大器、第一电容、第四电容、第二电阻、第五电阻、第七电阻；
20.第一互补推挽电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一电阻、第三电阻、第四电阻、第六电阻、第八电阻、第九电阻、第一二极管、第二二极管；
21.第三运算放大器的同相输入端分别与第七电阻的第二端和第四电容的第二端连接，第三运算放大器的反相输入端分别与第四电容的第一端、第五电阻的第二端、第二电阻的第一端和第一电容的第一端连接，第三运算放大器的输出端分别与第一二极管的负极和第二二极管的正极连接；
22.第一二极管的阳极与第三电阻的第一端连接，第三电阻的第二端分别与第一电阻的第一端、第一三极管的基极和第二三极管的集电极连接，第一电阻的第二端与第一三极管的集电极共接第一电压，第二二极管的阴极与第八电阻的第一端连接，第八电阻的第二端分别与第九电阻的第一端、第四三级管的集电极和第三三极管的基极连接，第九电阻的第二端和第三三极管的集电极共接地，第一三极管的发射极与第四电阻的第一端、第二三极管的基极连接，第四电阻的第二端与第六电阻的第一端、第二三极管的发射极、第四三极管的发射极、第二电阻的第二端和第一电容的第二端连接作为激励信号中正信号的输出端，第六电阻的第二端与第三三极管的发射极均和第四三极管的基极连接。
23.根据本实用新型实施例中一种可实现的方式，第一隔直单元与第一功率推挽单元连接，包括：
24.第一隔直单元的输出端与第五电阻的第一端连接。
25.根据本实用新型实施例中一种可实现的方式，第二功率推挽单元包括第二运算放大电路和第二互补推挽电路；
26.第二运算放大电路包括第四运算放大器、第十一电容、第八电容、第十六电阻、第十九电阻、第二十四电阻；
27.第二互补推挽电路包括第五三级管、第六三级管、第七三级管、第八三级管、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十八电阻、第二十电阻、第二十三电阻、第四二极管、第五二极管；
28.第四运算放大器的同相输入端分别与第十六电阻的第二端和第八电容的第一端连接，第四运算放大器的反相输入端分别与第八电容的第二端、第十九电阻的第二端、第二十四电阻的第一端和第十一电容的第一端连接，第四运算放大器的输出端分别与第四二极管的阴极和第五二极管的阳极连接；
29.第四二极管的阳极与第十三电阻的第一端连接，第十三电阻的第二端分别与第十二电阻的第一端、第五三级管的基极和第六三级管的集电极连接，第十二电阻的第二端与第五三级管的集电极共接第一电压，第五二极管的阴极与第二十电阻的第一端连接，第二
十电阻的第二端分别与第二十三电阻的第一端、第八三级管的集电极和第七三级管的基极连接，第二十三电阻的第二端和第七三级管的集电极共接地，第五三级管的发射极与第十四电阻的第一端、第六三级管的基极连接，第十四电阻的第二端与第十八电阻的第一端、第六三级管的发射极、第八三级管的发射极、第二十四电阻的第二端和第十一电容的第二端连接作为激励信号中负信号的输出端，第十八电阻的第二端与第七三级管的发射极和第八三级管的基极连接。
30.根据本实用新型实施例中一种可实现的方式，第二隔直单元与第二功率推挽单元连接，包括：
31.第二隔直单元的输出端与第十九电阻的第一端连接。
32.根据本实用新型实施例所提供的技术内容，微控制单元处理器分别与第一隔直单元、反向偏置单元连接，第一隔直单元与第一功率推挽单元连接，反向偏置单元与第二隔直单元连接，第二隔直单元与第二功率推挽单元连接，第一功率推挽单元和第二功率推挽单元的目标信号输出到旋转变压器。该旋转变压器激励信号发生系统无需使用额外的编解码芯片也可以得到差分激励信号，节约了成本，在应用上更加简便。同时，避免在生产过程中由于接线操作失误把励磁信号线接入了电源或者地，导致励磁信号输出短路而损坏内部器件的问题，提高了电驱动系统的安全可靠性。
附图说明
33.图1为现有技术中硬解码电路的结构示意图；
34.图2为现有技术中软解码电路的结构示意图；
35.图3为一个实施例中旋转变压器激励信号发生系统的结构示意图；
36.图4为一个实施例中第一隔直单元、第二隔直单元、反向偏置单元的电路结构示意图；
37.图5为一个实施例中第一功率推挽单元的电路结构示意图；
38.图6为一个实施例中第二功率推挽单元的电路结构示意图。
具体实施方式
39.以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
40.目前，硬解码主要是通过采用集成有激励器放大器和升压稳压器电源的旋变数字转换器芯片，这类芯片通过读取器件存储器中存储的数字正弦波可生成激励信号，然后通过以差分方式进行均衡的数模转换器生成差分模拟激励信号，然后再以差分方式进行均衡的前置放大器将激励信号调节到适当水平，从而进一步进行输出放大。如图1所示，此类解码方式外部电路简单，包括微控制器(microcontroller unit，mcu)、集成有激励器放大器和升压稳压器电源的rdc芯片，通过集成的rdc芯片可直接输出一对差分正弦波激励信号(exc+)及其互补信号(exc-)。但是，集成有激励器放大器和升压稳压器电源的rdc这类芯片通常价格贵，会增加驱动器成本。
41.软解码一般不会采用集成有激励器放大器和升压稳压器电源的rdc芯片，如图2所示，软解码方式的电路包括mcu、低通滤波器、调理电路。通过搭建滤波电路和调理电路，并配合软件算法实现位置的解析。这种方案最大的优势是成本低，但需要软件和硬件配合起来才能实现解码的功能，在实际应用环境中由于干扰会导致旋转变压器输出正余弦信号畸变等问题。
42.为了解决现有技术问题，本实用新型提供了一种旋转变压器激励信号发生系统。图3示出了本实用新型一个实施例提供的旋转变压器激励信号发生系统的结构示意图。如图3所示，旋转变压器激励信号发生系统300包括：微控制单元处理器mcu310和调理模块320。其中，调理模块320包括第一隔直单元321、反向偏置单元322、第二隔直单元323、第一功率推挽单元324、第二功率推挽单元325。
43.mcu310分别与第一隔直单元321、反向偏置单元322连接，第一隔直单元321与第一功率推挽单元324连接，反向偏置单元322与第二隔直单元323连接，第二隔直单元323与第二功率推挽单元325连接，第一功率推挽单元324和第二功率推挽单元325的目标信号输出到旋转变压器。其中，第一功率推挽单元324和第二功率推挽单元325均包括短路保护电路。
44.目标信号为差分激励信号，包括正信号和负信号，正信号为正弦波激励信号(exc+)，负信号为正弦波激励信号的互补信号(exc-)。
45.mcu310产生单端正弦波信号，输入到第一隔直单元321，隔离mcu310输出的原始信号的直流分量得到被测处理信号1。第一隔直单元321将被测处理信号1输入到第一功率推挽单元324，对被测处理信号1进行功率放大、电平偏置处理得到目标信号中的正弦波激励信号(exc+)，并将正弦波激励信号(exc+)输出到旋转变压器。
46.mcu310产生的单端正弦波信号同时也输入反向偏置单元322，将mcu310输出的原始信号进行反向放大和偏置处理，得到反向偏置信号。通过反向偏置单元322将反向偏置信号输入第二隔直单元323，隔离反向偏置信号的直流分量得到被测处理信号2。第二隔直单元323将被测处理信号2输入到第二功率推挽单元325，对被测处理信号2进行功率放大、电平偏置处理得到目标信号中的正弦波激励信号(exc+)的互补信号(exc-)，并将互补信号(exc-)输出到旋转变压器。
47.在本实用新型实施例中，利用mcu本身能够产生单端正弦波形的特点，将其中一路通过第一隔直单元进行直流滤除，再通过具有短路保护的第一功率推挽单元进行交流分量的功率放大和电平偏置处理得到正弦波激励信号(exc+)。将另一路通过反向偏置单元，进行信号反向处理，再通过第二隔直单元进行直流滤除，再通过具有短路保护的第二功率推挽单元进行放大和电平偏置处理得到正弦波激励信号(exc+)的互补信号(exc-)。该旋转变压器激励信号发生系统无需使用额外的编解码芯片也可以得到差分激励信号，节约了成本，在应用上更加简便。同时，避免在生产过程中由于接线操作失误把励磁信号线接入了电源或者地，导致励磁信号输出短路而损坏内部器件的问题，提高了电驱动系统的安全可靠性。
48.作为一种可实现的方式，如图4所示，第一隔直单元包括第三电容c3；其中，第三电容c3的第一端与微控制单元处理器的输出端连接，第三电容c3的第二端与第一功率推挽单元的输入端连接。
49.mcu输出端输出的是单端正弦波信号mcu_sin，单端正弦波信号可以为2.5+sinwx，
该信号是以2.5v为基准的共模电压。通过第三电容c3滤除直流分量，得到被测处理信号1。
50.反向偏置单元包括电压跟随电路和反向偏置电路。其中，电压跟随电路包括第五电容c5、第六电容c6、第十电阻r10、第十一电阻r11、第一运算放大器u1。
51.反向偏置电路包括第十电容c10、第十五电阻r15、第十七电阻r17、第二十一电阻r21、第二十二电阻r22、第二运算放大器u2。
52.第一运算放大器u1的反相输入端与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器u1的同相输入端分别与第六电容c6的第一端、第十电阻r10的第一端、第十一电阻r11的第一端连接，第一运算放大器u1的第一电源端vcc和第五电容c5的第一端与第一电压连接，第五电容c5的第二端接地，第一运算放大器u1的第二电源端vdd接地，第一运算放大器u1的反相输入端通过第六电容和第十一电阻接地，第十电阻的另一端接第一电压v1。
53.根据运算放大电路的分压计算公式vcm＝v1*r11/(r10+r11)可以得到分压电平信号进行电压跟随。比如说，第一电压可以为12v，第十电阻r10和第十一电阻r11均可以设置为10k，可得到分压电平信号为6v，那么，电压跟随电路将以6v进行电压跟随。
54.第二运算放大器u2的同相输入端与第十七电阻r17的第二端和第十五电阻r15的第一端连接，第二运算放大器u2的反相输入端与第二十一电阻r21的第二端和第二十二电阻r22的第一端连接，第二运算放大器u2的输出端与第二十二电阻r22的第二端连接，第二十一电阻r21的第一端与第十电容c10的第二端共接微控制单元处理器的输出端，第十七电阻r17的第一端与第十电容c10的第一端共接第二电压，第十五电阻r15的第二端与第一运算放大器u1的输出端连接。
55.由于mcu输出的单端正弦波信号为2.5+sinωx，因此，第二电压为2.5v。将mcu的输出端与第十电容c10的第二端相连，第十电容c10的第一端与mcu输出的2.5v电平相连。mcu输出的单端正弦波信号通过第十电容c10进行差模滤波后再通过第二十一电阻r21进入第二运算放大器u2的反相输入端。同时，将mcu输出的2.5v电平通过与第十七电阻r17第一端相连，该信号通过第十七电阻r17进入第二运算放大器u2的正相输入端，实现了对原始信号的反向放大和偏置处理。
56.示例性的，第十五电阻r15，第十七电阻r17，第二十二电阻r22，第二十一电阻r21可以都设置为10k，第二运算放大器u2的输出电压为vout1＝(2.5-sinωx)*r22/r21+6。其中，对应的增益为1。如此，既对mcu输出的单端正弦波信号进行反向输出，又对该信号进行了电平偏置。
57.第二隔直单元包括第九电容c9。其中，第九电容c9的第一端与第二运算放大器u2的输出端连接，第九电容c9的第二端与第二功率推挽单元的输入端连接。
58.将第二运算放大器u2的输出端输出的正弦信号与第九电容c9的第一端相连，通过第九电容c9滤除直流分量，将交流分量进一步传输到第二功率推挽单元。
59.作为一种可实现的方式，如图5所示，第一功率推挽单元包括第一运算放大电路和第一互补推挽电路。
60.其中，第一运算放大电路包括第三运算放大器u3、第一电容c1、第四电容c4、第二电阻r2、第五电阻r5、第七电阻r7。
61.第一互补推挽电路包括第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第四三极管q4、第一电阻r1、第三电阻r3、第四电阻r4、第六电阻r6、第八电阻r8、第九电阻r9、第一二极
管d1、第二二极管d2。
62.第三运算放大器u3的同相输入端分别与第七电阻r7的第二端和第四电容c4的第二端连接，第三运算放大器u3的反相输入端分别与第四电容c4的第一端、第五电阻r5的第二端、第二电阻r2的第一端和第一电容c1的第一端连接，第三运算放大器u3的输出端分别与第一二极管d1的负极和第二二极管d2的正极连接。
63.第一运算放大电路用于调节激励信号幅值。被测处理信号1与第五电阻r5的第一端相连，通过第四电容c4进行滤波之后，进入第三运算放大器u3的反相输入端。第一运算放大器u1的输出端与第七电阻r7的第一端连接，设置第三运算放大器u3的共模电压电平。将第四电阻r4的第二端与反馈电阻，即第二电阻r2的第二端相连，第五电阻r5和第二电阻r2作为设置运放增益的电阻。
64.第一运算放大电路可以根据旋转变压器的规格变比和激励有效值调整直流偏置和增益以满足激励信号幅值及交流信号的电压幅值要求，避免直流分量与交流电压同步放大造成的激励幅值不匹配、响应信号不匹配等问题。
65.第三运算放大器u3的增益可以根据公式gain＝-(r2/r5)*(1/(1+r2*c1*ω))求取，输出电压可以根据公式vout2＝-((sinωx)*(r2/r5)*(1/(1+r2*c1*ω))+6*(1+r2/r5)得到。
66.第一二极管d1的阳极与第三电阻r3的第一端连接，第三电阻r3的第二端分别与第一电阻r1的第一端、第一三极管q1的基极和第二三极管q2的集电极连接，第一电阻r1的第二端与第一三极管q1的集电极共接第一电压，第二二极管d2的阴极与第八电阻r8的第一端连接，第八电阻r8的第二端分别与第九电阻r9的第一端、第四三级管q4的集电极和第三三极管q3的基极连接，第九电阻r9的第二端和第三三极管q3的集电极共接地，第一三极管q1的发射极与第四电阻r4的第一端、第二三极管q2的基极连接，第四电阻r4的第二端与第六电阻r6的第一端、第二三极管q2的发射极、第四三极管q4的发射极、第二电阻r2的第二端和第一电容c1的第二端连接作为激励信号中正信号的输出端，第六电阻r6的第二端与第三三极管q3的发射极均和第四三极管q4的基极连接。第三电容c3的第二端与第五电阻的r5的第一端连接实现第一隔直单元与第一功率推挽单元之间的连接。
67.其中，第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第四三极管q4、第三电阻r3、第八电阻r8、第一二极管d1、第四电阻r4、第六电阻r6、第一二极管d2，构成了分离互补发射极跟随器，用于增加电流驱动能力。
68.第四电阻r4和第六电阻r6为射极负反馈电阻，与第二三极管q2、第四三极管q4，构成了励磁短路保护电路。第二三极管q2的基极与第四电阻r4的第一端相连，第四电阻r4的第二端与旋转变压器的励磁线圈输入端相连。
69.在上半周期时，电流从励磁电源正端依次流过第一三极管q1和第四电阻r4，再进入旋变。当旋转变压器的励磁绕组发生短路故障，流过第四电阻r4的电流乘以第四电阻r4的阻值超过0.7v时，第二三极管q2就会开通。当第一三极管q1的基极电压减去发射极电压低于0.7v时，则第一三极管q1关断，进而对短路故障引起的电流陡增进行保护。
70.在下半周期时，电流从旋转变压器的励磁绕组依次流过第六电阻r6和第三三极管q3在回到励磁电源负端。当旋转变压器的励磁绕组发生短路故障，当流过第六电阻r6的电流乘以第六电阻r6的阻值超过0.7v时。第四三极管q4就会开通，当第三三极管q3的发射极
电压减去基极电压低于0.7v时，则第三三极管q3关断，从而对励磁短路引起的过流进行保护。
71.励磁短路保护电路还可以有效避免在生产过程中由于接线操作失误把励磁信号接入了电流或地，导致励磁信号输出短路而损坏内部器件的问题。
72.作为一种可实现的方式，如图6所示，第二功率推挽单元包括第二运算放大电路和第二互补推挽电路。
73.第二运算放大电路包括第四运算放大器u4、第十一电容c11、第八电容c8、第十六电阻r16、第十九电阻r19、第二十四电阻r24。
74.第二互补推挽电路包括第五三级管q5、第六三级管q6、第七三级管q7、第八三级管q8、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十八电阻r18、第二十电阻r20、第二十三电阻r23、第四二极管d4、第五二极管d5。
75.第四运算放大器u4的同相输入端分别与第十六电阻r16的第二端和第八电容c8的第一端连接，第四运算放大器u4的反相输入端分别与第八电容c8的第二端、第十九电阻r19的第二端、第二十四电阻r24的第一端和第十一电容c11的第一端连接，第四运算放大器u4的输出端分别与第四二极管d4的阴极和第五二极管d5的阳极连接。第十六电阻r16的第一端与第十五电阻r15的第二端、第一运算放大器u1的输出端、第七电阻r7的第一端连接，实现第一功率推挽单元、第二功率推挽单元和反向偏置单元之间的连接。
76.第四二极管d4的阳极与第十三电阻r13的第一端连接，第十三电阻r13的第二端分别与第十二电阻r12的第一端、第五三级管q5的基极和第六三级管q6的集电极连接，第十二电阻r12的第二端与第五三级管q5的集电极共接第一电压，第五二极管d5的阴极与第二十电阻r20的第一端连接，第二十电阻r20的第二端分别与第二十三电阻r23的第一端、第八三级管q8的集电极和第七三级管q7的基极连接，第二十三电阻r23的第二端和第七三级管q7的集电极共接地，第五三级管q5的发射极与第十四电阻r14的第一端、第六三级管q6的基极连接，第十四电阻r14的第二端与第十八电阻r18的第一端、第六三级管q6的发射极、第八三级管q8的发射极、第二十四电阻r24的第二端和第十一电容c11的第二端连接作为激励信号中负信号的输出端，第十八电阻r18的第二端与第七三级管q7的发射极和第八三级管q8的基极连接。第九电容c9的第二端与第十九电阻r19的第一端连接，实现第二隔直单元与第二功率推挽单元之间的连接。
77.第二功率推挽单元与第一功率推挽单元的原理一样，此处不再赘述。
78.上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。