一种旋变数字转换系统的状态监测、异常诊断与波形质量监控装置及方法与流程

本发明涉及电机控制与传感器，尤其涉及一种旋变数字转换系统的状态监测、异常诊断与波形质量监控装置及方法。

背景技术：

1、旋转变压器作为一种耐恶劣环境、高可靠性的绝对位置传感器，被广泛应用于航空航天、高端工业伺服、电动汽车驱动等对安全性有严苛要求的领域。专用的旋变数字转换器（rdc）芯片，例如adi公司的ad2s1210，通过集成激励生成、信号解调与高精度跟踪环路，能够将旋变输出的模拟正余弦信号（±sin，±cos）稳定地转换为数字角度和速度值，简化了系统设计。

2、然而，在长期承受高温、振动、电磁干扰等应力的工况下，整个rdc信号链——包括rdc芯片本身、外围激励信号放大电路与信号调理电路、旋变传感器及连接线缆——均存在性能退化甚至突发失效的风险。目前，系统的健康状态判断严重依赖于rdc芯片提供的有限故障标志位（如信号丢失、幅值超限）。这种方式存在显著缺陷：首先，它属于“事后报警”，通常在故障已影响信号完整性并导致解算错误后才触发，无法实现故障的早期预警。其次，故障标志定位模糊，难以区分故障根源，给维护带来困难。最重要的是，整个位置感知系统完全信赖单一芯片的输出，缺乏有效的冗余校验机制，在功能安全要求高的场合存在“单点失效”的致命风险。

3、此外，传统的监控手段仅关注最终的输出结果是否正确，而忽视了产生该结果的源头即模拟信号波形的质量。瞬时的电磁干扰（emi）、电源波动、接线松动等引起的信号畸变，可能在rdc芯片内部被部分抑制或未被故障逻辑捕获，但其解算出的位置信息可能已经包含难以察觉的误差或跳变，给上层控制系统带来隐患。

4、一些现有技术例如专利cn202610075258.0“用于冗余旋转变压器的故障诊断方法及故障诊断装置”是利用电压感应信号乘积的低通滤波结果的突变特征快速诊断励磁绕组断线故障，利用电压感应信号的采样幅值监测诊断输出绕组断线故障。专利cn202511846301.0 “基于旋转变压器输出信号的多参数分析及故障诊断方法”是通过针对旋转变压器的输出信号进行深度分析对于旋转变压器自身及其应用设备的故障情况做出评估，这些现有技术或多或少存在上述不足之处。

5、因此，业界迫切需要一种能够对rdc系统进行实时、在线、深度健康管理的前瞻性技术，不仅要在性能显性劣化前发现潜在故障，还要能监控信号质量、评估数据可信度，并在故障发生时提供足以支撑根因分析的详细信息。

技术实现思路

1、基于以上问题，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种旋变数字转换系统的状态监测、异常诊断与波形质量监控装置及方法，能通过构建双核冗余并行架构与深度信号分析能力，解决现有技术中预警滞后、故障定位困难、缺乏信号质量评估及单点依赖等问题，实现对rdc系统全链路、前瞻性的健康管理。

2、本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种旋变数字转换系统的状态监测、异常诊断与波形质量监控装置，包括：

3、专用旋变数字转换器芯片rdc，用于生成原始激励信号±exc并解算第一位置与速度信息；

4、激励放大模块，用于放大原始激励信号±exc，输出旋变激励信号r12；

5、旋转变压器，用于由旋变激励信号r12驱动并输出反馈信号s13、s24；

6、信号调理模块，用于调理反馈信号s13、s24，输出符合专用旋变数字转换器芯片rdc电气规格的正余弦差分信号±sin、±cos；

7、模拟信号转换模块，用于将原始激励信号±exc、正余弦差分信号±sin、±cos、旋变激励信号r12、反馈信号s13、s24信号调理到符合微控制器单元mcu电气规格的模拟信号；

8、微控制器单元mcu，所述微控制器单元mcu包含：

9、高速同步采样模数转换器adc，用于同步采集模拟信号转换模块的输出信号；

10、软件解算模块，用于对采集到的数字信号进行处理，并实时解算出第二位置与速度信息；

11、通信接口，用于与专用旋变数字转换器芯片rdc通信，以获取第一位置与速度信息；

12、交叉验证与诊断模块，用于比较第一位置与速度信息及第二位置与速度信息，并根据比较结果判断系统健康状态；

13、波形质量监控模块，用于对原始采样波形进行实时分析，计算包括瞬态噪声水平、总谐波失真thd和动态幅值在内的质量参数，并基于质量参数对系统输出数据的可靠性进行动态分级；

14、故障数据记录模块，用于在专用旋变数字转换器芯片rdc报告故障或波形质量监控模块检测到严重异常时，触发并保存包含故障前后原始波形数据、解算结果及质量参数的完整上下文数据快照。

15、进一步，所述交叉验证与诊断模块被具体配置为：

16、计算所述第一位置信息与所述第二位置信息的实时偏差值；

17、建立所述偏差值在系统健康状态下的动态置信区间；

18、当所述偏差值持续超出所述动态置信区间时，判定为一致性异常并触发根源诊断流程。

19、更进一步，所述根源诊断流程包括：

20、分析正余弦差分信号±sin、±cos的幅值和总谐波失真thd特征、正余弦差分信号±sin、±cos与原始激励信号±exc的相位差；

21、分析旋变激励信号r12和反馈信号s13、s24的幅值和频率；

22、结合所述偏差值的模式，综合判断故障根源是来自专用旋变数字转换器芯片rdc内部、激励放大模块、信号调理模块、连接线缆或旋转变压器本体。

23、进一步，所述波形质量监控模块实现的动态可靠性分级包括：

24、高可靠等级，波形质量优良且交叉验证通过；

25、需关注等级，检测到可容忍的瞬时波形劣化但交叉验证未超限；

26、不可信等级，检测到严重波形畸变或交叉验证严重超限；在不可信等级下，装置输出数据无效标志，并触发安全处理策略。

27、进一步，所述波形质量监控模块通过监测所述正余弦差分信号±sin、±cos包络幅值的渐进性衰减趋势，在幅值下降至所述专用旋变数字转换器芯片rdc的信号丢失故障阈值前，生成预测性维护预警。

28、进一步，所述故障数据记录模块保存的数据快照，其时间窗口覆盖故障触发点前后特定时段，用于离线深度分析以区分真实故障与瞬时干扰，并精确定位故障在信号链中的具体环节。

29、本发明还提供了一种旋变数字转换系统的状态监测、异常诊断与波形质量监控方法，应用于前述装置，包括下述步骤：

30、s1、系统初始化与同步：配置专用旋变数字转换器芯片rdc并与微控制器单元mcu建立时间基准同步；

31、s2、双通道并行数据获取：专用旋变数字转换器芯片rdc正常解算输出第一位置与速度信息，同时微控制器单元mcu同步采样原始波形并软件解算输出第二位置与速度信息；

32、s3、交叉验证与一致性判断：实时比较所述第一位置与速度信息及所述第二位置与速度信息，并与动态置信区间对比；

33、s4、实时波形质量监控与可靠性分级：分析原始采样波形的质量参数，并动态评估输出数据的可靠等级；

34、s5、异常诊断与故障数据记录：当一致性判断失败或波形质量严重劣化时，进行故障根源诊断流程并保存完整的上下文数据快照。

35、进一步，在所述实时波形质量监控与可靠性分级步骤中，具体包括：

36、监测由突发电磁干扰引起的信号噪声短时骤增；当噪声增加但信号基波幅值未超限且交叉验证未失时，将当前数据标记为可靠性降级；当检测到严重波形畸变导致交叉验证失时，判定数据不可信并启动安全容错机制。

37、进一步，所述异常诊断与故障数据记录步骤还包括：当通过通信接口读取到所述专用旋变数字转换器芯片rdc的内部故障寄存器标志位被置起时，立即触发数据快照记录；所述数据快照至少包括故障寄存器值、故障时刻前后的原始adc数据、软件解算结果序列及波形质量参数序列。

38、进一步，还包括预测性维护步骤：通过长期记录并分析所述波形质量监控模块输出的信号幅值趋势、thd基线变化及交叉验证偏差的统计特征，对旋变数字转换系统的关键元器件老化状态进行评估与预警。

39、本发明的有益效果为：

40、（一）实现预测性维护与早期预警：通过高灵敏度的双核交叉验证和毫秒级的波形质量监控，能够在主rdc自身故障标志触发前，敏锐捕捉到芯片老化、电路参数漂移、信号轻微劣化等早期征兆，实现从“事后报警”到“事前预警”的根本转变。

41、（二）提供数据可靠性感知与智能容错能力：独创的波形质量实时监控与动态分级机制，使系统具备对自身输出数据可信度的认知。在面对瞬时干扰时，能自动降级数据可信度或屏蔽不可信数据，避免错误信息误导上层控制器，显著提升系统在复杂电磁环境下的韧性和智能容错水平。

42、（三）实现精细化故障定位与隔离：结合偏差分析、多维度波形特征分析及主rdc故障寄存器，能够有效将故障隔离到rdc芯片、激励驱动、调理电路、线缆连接或旋变传感器等具体环节，极大提升了系统的可测试性与可维护性。

43、（四）构建增强型故障追溯与诊断支持：“故障快照”机制完整保留了故障发生前后的原始波形和系统状态，为工程师进行离线深度分析、复现问题、优化设计提供了强大的数据支持，解决了现场故障难以复现和诊断的行业难题。

44、（五）建立了高可靠性的冗余安全架构：独立的双核设计构成了物理和逻辑层面的双重冗余。这不仅提供了数据校验，更在主rdc完全失效的极端情况下，mcu通道仍能提供降级的位置信息，支撑系统安全停车或切换，满足高等级功能安全（如iso26262）对避免单点失效的要求。