基于微控制器的旋变及差分正余弦传感器模拟系统及其控制方法与流程

本发明涉及传感器信号模拟，更具体地说，本发明涉及基于微控制器的旋变及差分正余弦传感器模拟系统及其控制方法。

背景技术：

1、旋转变压器（简称旋变）及差分正余弦传感器广泛应用于电机控制、伺服驱动及新能源汽车等领域，用于提供转子位置和速度信息，在对电机控制器、旋变数字转换器等被测设备进行台架测试、产线测试或故障诊断验证时，需要能够模拟传感器输出信号的测试设备。

2、目前，旋变及差分正余弦传感器的模拟方案主要分为以下几类：

3、第一类是基于专用信号发生器或数据采集卡配合模拟乘法器、放大器和隔离电路的方案，该类方案通常利用外部计算平台生成正弦、余弦参考信号，再与外部激励信号进行模拟调制后输出，由于硬件链路较长，依赖上位机或采集卡，整体成本较高，系统体积较大，且模拟链路中的乘法、放大、隔离等环节受器件离散性影响明显，调试工作量大，稳定性和一致性难以保证；

4、第二类是基于微控制器或数字信号处理器配合数模转换器的数字化模拟方案，该类方案通过mcu或dsp计算产生正弦和余弦包络，再经dac输出至被测设备，部分方案能够接收外部激励信号作为同步基准，以减小输出信号与被测设备内部参考之间的频率和相位偏差，然而，现有数字化方案大多采用开环控制结构，未考虑从激励采样、数字计算、数模转换到输出调理的全链路延迟，在高转速、高角加速度的动态工况下，输出信号的角度滞后误差显著增大，难以满足高性能电机控制器的测试精度要求；

5、第三类是基于脉宽调制加滤波方式的低成本方案，该类方案实现门槛较低，但pwm信号需要经过滤波重构，容易引入相位延迟、幅值衰减和波形失真，在对同步性、正交性和动态响应速度要求较高的场景中，难以兼顾精度与成本；

6、此外，现有旋变模拟方案通常只针对单一的接口形式设计，难以兼容不带载波、仅输出差分正余弦包络的传感器接口，通用性不足，同时，多数方案虽然能够输出正常信号，但不便于通过软件配置方式注入幅值失配、相位偏差、正交误差、偏置异常、断线短路等故障，难以满足ecu故障诊断和容错极限测试的需求。

7、因此，如何在保证系统低成本、小型化的前提下，提高动态工况下的角度模拟精度，实现全链路延迟的精确补偿，并兼容多种传感器接口形式及可配置故障注入，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供基于微控制器的旋变及差分正余弦传感器模拟系统及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一方面，本发明提供了基于微控制器的旋变及差分正余弦传感器模拟系统，包括：

4、激励采样与时间基准模块，用于接收被测设备输出的外部激励差分信号，并建立全局时间基准，标记激励采样时刻；

5、输入调理模块，与激励采样与时间基准模块连接，用于将外部激励差分信号转换为单端激励采样信号；

6、微控制器核心处理单元，与输入调理模块连接，内置链路延迟动态测量单元、预测补偿计算单元和波形生成单元，所述链路延迟动态测量单元用于实时测量从激励采样到模拟输出的全链路延迟时间，所述预测补偿计算单元用于根据当前目标角速度、角加速度和全链路延迟时间，计算角度超前补偿量，并利用该补偿量对目标角度进行修正，所述波形生成单元用于根据补偿后的角度值生成正弦参考量和余弦参考量，并基于模式选择输出带载波调制的旋变信号或不带载波的差分正余弦包络信号；

7、输出调理模块，与微控制器核心处理单元连接，用于对生成的两路单端正余弦模拟信号进行幅值调理和偏置调理；

8、差分输出模块，与输出调理模块连接，用于将调理后的单端信号转换为差分正弦信号和差分余弦信号，并控制输出共模电压后发送至被测设备；

9、参数配置模块，与微控制器核心处理单元连接，用于设置测试参数和读取系统状态。

10、优选地，所述链路延迟动态测量单元包括：

11、采样时间记录子单元，用于记录激励信号被模数转换器采样的时刻；

12、输出时间记录子单元，用于记录数模转换器输出波形的时刻；

13、回读时间记录子单元，用于记录差分输出模块输出信号被辅助模数转换器采样的时刻；

14、延迟计算子单元，用于根据、、以及预设的电路传播延迟参数，通过示波器标定方式计算全链路固定总延迟，其中为激励采样至模数转换完成的时间，为数字计算时间，为数模转换时间，为输出调理和差分转换时间，该固定延迟时间经标定后预先存储于微控制器中，作为后续角度补偿的固定参数。

15、优选地，所述预测补偿计算单元采用二阶前向预测算法计算角度超前补偿量，其表达式为：

16、，

17、其中，为当前角度值，为当前目标角速度，为当前目标角加速度，为系统全链路固定延迟时间；

18、所述全链路固定延迟时间通过示波器测量外部激励信号与输出信号之间的相位差进行预先标定，并存储于微控制器核心处理单元中，所述预测补偿计算单元根据该预先标定的固定延迟时间对目标角度进行固定超前补偿。

19、优选地，所述波形生成单元包括：

20、模式切换子单元，用于在旋变模式和差分正余弦模式之间切换；

21、在旋变模式下，所述波形生成单元将正弦参考量和余弦参考量与外部激励同步信号进行调制，输出两路带载波的差分正弦调制信号和差分余弦调制信号；

22、在差分正余弦模式下，所述波形生成单元直接输出不带载波的正弦包络信号和余弦包络信号。

23、优选地，所述微控制器核心处理单元还包括故障注入单元，所述故障注入单元用于对输出信号执行以下一种或多种故障类型的注入：幅值失配、相位偏差、正交误差、通道偏置异常、谐波叠加、噪声叠加、断线模拟、短路模拟、错线模拟，并且，在故障注入状态下，所述链路延迟动态测量单元和预测补偿计算单元保持正常工作，其补偿功能不受故障注入的干扰。

24、另一方面，本发明还提供了基于微控制器的旋变及差分正余弦传感器模拟系统的控制方法，应用于上述系统，包括以下步骤：

25、步骤s1：通过激励采样与时间基准模块接收被测设备输出的外部激励差分信号，建立全局时间基准，标记激励采样时刻；

26、步骤s2：通过输入调理模块将外部激励差分信号转换为单端激励采样信号，送入微控制器核心处理单元；

27、步骤s3：通过链路延迟动态测量单元测量全链路固定延迟时间，并将该固定延迟时间作为后续角度补偿的固定参数；

28、步骤s4：通过预测补偿计算单元根据当前目标角速度、目标角加速度和全链路固定延迟时间，采用前向预测算法计算角度超前补偿量，得到补偿后的角度值；

29、步骤s5：通过波形生成单元根据补偿后的角度值生成正弦参考量和余弦参考量，并根据模式选择输出带载波调制的旋变信号或不带载波的差分正余弦包络信号；

30、步骤s6：通过输出调理模块对生成的两路单端正余弦模拟信号进行幅值调理和偏置调理；

31、步骤s7：通过差分输出模块将调理后的单端信号转换为差分正弦信号和差分余弦信号，并设定输出共模电压后发送至被测设备。

32、优选地，步骤s3中全链路固定延迟时间的标定方法包括：

33、利用示波器同时测量输入至激励采样模块的外部激励信号相位，以及差分输出模块输出的模拟信号相位；

34、通过比较两者相位差计算全链路总延迟时间，其中，为激励采样至模数转换完成的时间，为数字计算时间，为数模转换时间，为输出调理和差分转换时间；

35、将标定所得的固定延迟时间预先存入微控制器核心处理单元，作为后续角度补偿的固定参数。

36、优选地，步骤s4中前向预测算法为二阶前向预测算法，其角度超前补偿量计算表达式为：

37、，

38、其中，为当前角度值，为当前目标角速度，为当前目标角加速度，为步骤s3中预先标定并存储的全链路固定延迟时间；预测补偿计算单元直接以计算所得的作为补偿后的角度值，用于波形生成。

39、优选地，步骤s5中模式选择包括：

40、当选择旋变模式时，将正弦参考量和余弦参考量与外部激励同步信号进行调制，输出两路带载波的差分正弦调制信号和差分余弦调制信号；

41、当选择差分正余弦模式时，直接输出不带载波的正弦包络信号和余弦包络信号。

42、优选地，在步骤s5之前或之中，还包括故障注入步骤：根据参数配置对输出信号执行幅值失配、相位偏差、正交误差、通道偏置异常、谐波叠加、噪声叠加、断线模拟、短路模拟或错线模拟中的一种或多种故障注入操作，并且在执行故障注入时，步骤s3的链路延迟测量和步骤s4的预测补偿计算保持正常工作，不受故障注入影响。

43、本发明的技术效果和优点：

44、1、本发明通过示波器预先标定系统全链路固定延迟时间，并采用二阶前向预测算法计算角度超前补偿量，该延迟标定方法直接利用示波器测量外部激励信号与输出信号之间的相位差，无需依赖回读电路即可获得精确的固定延迟参数，相较于现有技术中仅采用固定相位补偿或依赖开环估算的方案，本发明以简化的硬件架构实现了高精度的角度超前补偿，在高速、高角加速度的动态场景下能够显著降低输出信号的角度滞后误差，从而满足高速电机控制器等被测设备对高动态精度的测试需求；

45、2、本发明通过示波器标定方式获取全链路固定延迟时间，延迟标定过程简便快捷，标定后的固定延迟参数预先存储于微控制器中，系统在实际运行中直接调用该固定延迟参数进行角度超前补偿，无需复杂的动态闭环测量和实时更新机制，显著降低了系统硬件成本和mcu运算开销，同时避免了因回读链路引入的额外误差和调试复杂性，使系统在产线批量部署和现场测试场景中具有更高的可靠性和可维护性；

46、3、本发明通过波形生成单元中的模式切换子单元，可在同一套硬件链路上实现旋变模式与差分正余弦模式的自由切换，兼容不同类型传感器接口的测试需求，减少测试设备重复投入，此外，微控制器核心处理单元内置故障注入单元，能够通过软件配置方式灵活注入幅值失配、相位偏差、正交误差、偏置异常、谐波叠加、噪声叠加以及断线、短路、错线等多种故障类型，且故障注入状态下链路延迟测量和预测补偿功能保持独立运行，便于全面验证被测设备的故障诊断逻辑和容错能力，有效提升自动化测试的覆盖率和可重复性。