一种高精度旋转变压器软解码实现方法与流程

1.本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种高精度旋转变压器软解码实现方法。


背景技术：

2.新能源汽车电驱动控制系统中，所使用的电机转子位置精度直接影响其整个电机控制系统的性能优劣。旋转变压器(以下简称“旋变”)因其精度高，抗干扰性能强等特点，被广泛应用于电驱动控制系统中。目前与旋变配合最为广泛进行位置信息采集的方式是基于专用集成解码芯片(如pga411、ad2s1210等芯片)的硬件旋变-数字变换器技术，但由于解码芯片价格昂贵，抗干扰性能差，易受旋变机械安装偏芯、调理电路非对称和幅值误差等非理想因素影响，逐步限制了解码芯片在新能源电驱动控制系统中的应用。为应对解码芯片的限制，同时提高位置角度信息采集的精度，国内外学者及工程师开始研究软解码技术，即直接通过微处理器(mcu)输出励磁信号至旋变励磁绕组上，然后再回采旋变的两路正交信号(正弦信号和余弦信号)至mcu内，进而在mcu内通过数学运算得到电机位置信息。
3.近些年来，现有的软解码技术已经能够较准确地获取旋变位置信息。例如，专利文献cn111181559a给出了一种基于dsadc实现旋变软解码的控制系统，但该方案需要对芯片模块进行复杂的配置，且当使用dsadc模块内的滤波器和积分器时，dsadc的采样起始点需要通过复杂的时序配合，以保证每次采样完整半个周波，否则无法精确地还原正余弦信号，导致解码失败。虽然专利文献cn112953339a解决了上述问题，即通过回采励磁信号，设计过零检测电路，实现对旋变输出的连续正余弦信号顶点位置处的数据的精确采集，并根据采集的正余弦信号解析电机的位置信息，但上述方法获取的角度信息精度较差，例如励磁信号频率为10k，该方法获取的角度最大分辨频率为20k。当电机高速运行时，角度信息的精度对控制性能至关重要，因此，提高获取的角度信息的精度是亟需解决的技术问题之一。此外，上述两种方法中，均未考虑实际外部因素引起的旋变信号幅值不平衡而导致角度波动的情况。


技术实现要素：

4.本发明针对上述不足，提出了一种高精度的旋转变压器软解码实现方法，在无解码芯片的工况下实现高精度获取位置角度信息，同时增加幅值偏移量矫正环节，解决因外部因素引起的旋变信号幅值不平衡导致角度波动的问题，提高电机控制系统的稳定性。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种高精度旋转变压器软解码实现方法，包括以下步骤：步骤s1)生成励磁信号并作用于旋转变压器的一次侧绕组；步骤s2)回采旋转变压器信号，包括励磁信号、正弦信号和余弦信号；步骤s3)解析旋转变压器差分信号，包括差分运算和幅值偏移量矫正；步骤s4)对矫正后的旋转变压器信号进行位置解析，输出相应的角度信息。本发明提出了一种高精度的旋转变压器软解码实现方法，具体过程为：微处理器(mcu)通过励磁信号源生成模块，输出含有恒定频率正弦波形的高频脉宽调制波，然后通过励磁信号处理电路，从中提取出
标准的正弦励磁信号sin(θe)(θe＝2πfet，fe为励磁信号频率)，将上述正弦励磁信号作用于旋转变压器的一次侧绕组，旋转变压器接收到励磁信号后，由于电磁感应原理，在旋转变压器的二次绕组内感应出正弦信号和余弦信号；接着微处理器(mcu)通过模拟/数字转换器模块以一定频率fs采集旋转变压器信号，获得旋转变压器差分信号，包括正弦差分信号sin_raw
/-、余弦差分信号cos_raw
/-，以及励磁差分信号exc_raw
/-；然后对旋转变压器差分信号进行解析，包括差分运算和幅值偏移量矫正，通过差分运算，获得原始的正弦信号sin_raw、余弦信号cos_raw，以及励磁信号exc_raw；考虑到外部因素可能会导致旋变信号幅值不平衡现象，对差分运算后获得的原始旋变信号进行幅值偏移量矫正，获得矫正后的旋变信号，保证后期输出的角度更加平滑；最后根据矫正后的旋变信号，采用基于pll的角度跟踪观测器进行位置解析，获得精准的位置信息和角度信息，保证电机控制系统的稳定性。
7.作为优选，步骤s1的具体过程为：mcu通过励磁信号源生成模块，输出含有恒定频率正弦波形的高频脉宽调制波，然后通过励磁信号处理电路，提取出标准正弦励磁信号sin(θe)(θe＝2πfet)，将所述标准正弦励磁信号作用于旋转变压器的一次侧绕组。旋转变压器接收到励磁信号后，由于电磁感应原理，在旋转变压器的二次绕组内感应出正弦信号和余弦信号。
8.作为优选，步骤s2的具体过程为：mcu通过模拟/数字转换器模块以一定频率fs采集旋转变压器信号，获得旋转变压器差分信号，包括正弦差分信号sin_raw
/-、余弦差分信号cos_raw
/-，以及励磁差分信号exc_raw
/-。模拟/数字转换器模块包括但不限于adc模块、sdadc模块。采集频率fs的设置需满足采样定理，以完整还原所采集的正弦差分信号sin_raw
/-、余弦差分信号cos_raw
/-和励磁差分信号exc_raw
/-的波形信息，采集频率fs一般选择励磁信号频率fe的10倍或20倍等，以达到对位置信息的高精度解析。
9.作为优选，所述旋转变压器差分信号经过步骤s3中的差分运算后，获得正弦信号sin_raw、余弦信号cos_raw，以及励磁信号exc_raw。
10.作为优选，所述励磁信号exc_raw的表达式为：exc_raw＝a1*sin(θe) exc_h_offset其中，a1为励磁信号基波幅值，exc_h_offset为励磁信号的直流偏移量。
11.作为优选，所述励磁信号exc_raw幅值偏移量矫正的具体过程为：实时在一个励磁信号周期1/fe内检测励磁信号的最大值和最小值，在励磁信号周期结束的同时根据最大值和最小值提取偏移量，进而获得矫正后的励磁信号，通过进一步查找最大值以提取a1和sin(θe)；所述矫正后的励磁信号exc_corr的表达式为：exc_corr＝exc_raw-exc_h_offset＝a1*sin(θe)其中，exc_corr为矫正后的励磁信号。励磁信号仅由频率为fe的正弦信号组成，对励磁信号进行幅值偏移量矫正时，先进行偏移量检测，原始的励磁信号exc_raw的表达式组成如下：exc_raw＝a1*sin(θe) exc_h_offset其中，a1为励磁信号基波幅值，exc_h_offset为励磁信号的直流偏移量。启动条件：上电初始化，旋转变压器供电完成后即可启动检测；检测步骤：实时在一个励磁信号周期1/fe内检测励磁信号的最大值和最小值，在励磁周期结束的同时根据最大值和最小值提取偏移量；
矫正步骤：根据偏移量得到矫正后的励磁信号，通过进一步查找最大值提取a1和sin(θe)。为提高所计算的偏移量的抗干扰性，持续检测一段时间，并在该时间段内取偏移量的平均值作为最终应用的实际值，此后每隔一段时间更新一次偏移量。
12.作为优选，所述正弦信号sin_raw的表达式为：sin_raw＝a2*(sin(θe) k1)*(sin(θm) k2)将上式整理为：sin_raw＝a2*sin(θe)sin(θm) sin_h_offset sin_l_offset sin_hl_offset式中：θe＝2πfmt，fm为电机的电频率；a2为正弦信号电频率基波幅值；sin_h_offset＝k2*sin(θe)，为高频偏移量，与励磁信号同频同相位但幅值不同；sin_l_offset＝k1*sin(θm)，为低频偏移量，与电频率同频同相位但幅值不同；sin_hl_offset＝k1*k2，为耦合直流偏移量；k1＝a2*k1，为低频偏移量幅值；k2＝a2*k2，为高频偏移量幅值。
13.作为优选，所述正弦信号sin_raw幅值偏移量矫正的具体过程，包括以下步骤：步骤b1：当电频率在预定范围内时启动检测，使用截止频率较低的低通滤波器提取sin_raw信号内的sin_hl_offset；步骤b2：使用带通滤波器提取sin_l_offset，并实时检测sin_l_offset的最大值提取幅值k1，并根据sin_hl_offset和k1，得到k2；步骤b3：将检测到的k2与励磁信号同频同相位的sin(θe)相乘，得到sin_h_offset；步骤b4：将原始正弦信号减去偏移量得到矫正后的正弦信号：sin_corr＝sin_raw-(sin_h_offset sin_l_offset sin_hl_offset)进一步整理得：sin_corr＝a2*sin(θe)sin(θm)式中，sin_corr为矫正后的正弦信号；步骤b5：通过进一步查找sin_corr在一个电周期内的最大值，提取矫正后正弦基波信号的幅值a2。正余弦信号与励磁信号不同，除了包含频率fe，还包含电频率信息，因此正余弦信号幅值偏移量矫正，较励磁信号更加复杂。正余弦信号不仅包含高频偏移量h_offset，还包含低频偏移量l_offset和耦合直流偏移量hl_offset。正余弦信号幅值偏移量矫正方式一致，现以正弦信号为例，原始的正弦信号sin_raw的表达式组成如下：sin_raw＝a2*(sin(θe) k1)*(sin(θm) k2)将上式整理如下：sin_raw＝a2*sin(θe)sin(θm) sin_h_offset sin_l_offset sin_hl_offset启动条件：由于正弦信号含有电频率信息，因此该检测工况需要满足电机运行于一定频率范围内时才能启动，即需要电机运行在大于最小设定电频率和小于最大设定电频
率范围内才可启动检测。检测步骤：a、当电频率在预定范围内时启动检测，使用截止频率较低的低通滤波器提取sin_raw信号内的sin_hl_offset。b、使用带通滤波器提取sin_l_offset，并实时检测sin_l_offset的最大值提取幅值k1，并根据sin_hl_offset和k1，得到k2。c、将检测到的k2与励磁信号同频同相位的sin(θe)相乘，得到sin_h_offset。矫正步骤：a、将原始正弦信号减去总偏移量得到矫正后的正弦信号：sin_corr＝sin_raw-(sin_h_offset sin_l_offset sinhl_offset)进一步整理得：sin_corr＝a2*sin(θe)sin(θm)式中，sin_corr为矫正后的正弦信号；b、通过进一步查找sin_corr在一个电周期内的最大值，从中提取矫正后正弦基波信号的幅值a2。同理，矫正后的余弦信号为：cos_corr＝a2*sin(θe)cos(θm)式中，cos_corr为矫正后的余弦信号。
14.作为优选，步骤s4的具体过程，包括以下步骤：步骤c1：将旋转变压器矫正后的正余弦信号分别与含有位置信息的正余弦量进行乘积并作差，得到含有高频信号的位置误差信号；θ_err_raw＝sin_corr*sin(θm_est_fb)-cos_corr*cos(θm_est_fb)式中，θ_err_raw为含有高频信号的位置误差信号，θm_est_fb为pll估测的未经修正的角度；步骤c2：根据相敏解调原理，将步骤c1的位置误差信号乘以励磁信号，得到含有两倍频励磁频率的位置误差信号；θ_err_raw2＝θ_err_raw*exc_corr式中，θ_err_raw2为含有两倍频励磁频率的位置误差信号；步骤c3：设计低通滤波器滤除θ_err_raw2内的两倍频励磁频率项，提取不含高频信号的位置误差信号θ_err；低通滤波器包括但不限于一阶、二阶等高阶滤波器，且低通滤波器截止频率的设计要求为：滤除掉两倍频励磁频率项，同时要求不影响动态性能；步骤c4：考虑到不同旋变装置或者硬件电路设计，会导致旋变信号幅值不一致，而角度跟踪观测器的极点会随着幅值的改变在s域平面上移动，从而影响角度跟踪观测器的动态性能，为解决上述问题，使用幅值偏移量矫正过程中提取的a1和a2进行以下归一化处理：式中，θ_err_unit为归一化后的位置误差信号，a1和a2分别为励磁信号幅值和正弦基波信号幅值；
步骤c5：将归一化后的位置误差信号θ_err_unit输入至角度跟踪观测器内，获得位置信息和角度信息。根据矫正后的旋变信号进行位置解析，具体过程为：将得到的sin_corr及其幅值a2，cos_corr，exc_corr及其幅值a1，输入到位置信息解析模块内进行解析。其中，位置信息解析模块的运算频率与模拟/数字转换器模块的采样频率fs保持一致，以便实时处理旋变信号得到高精度的位置角度信息。
15.作为优选，步骤c5的具体过程为：输入信号θ_err_unit分别经过比例环节和第一积分环节后作和得到角速度信息，角速度信息经过第二积分环节，获得用于反馈使用的位置信息，再经过角度修正环节得到用于电流闭环控制的角度信息。设计由两个积分环节组成的二型系统，以实现对阶跃输入或者斜坡输入的无静差跟踪。输入信号θ_err_unit分别经过比例环节和第一积分环节，随后将其作和得到角速度信息，将角速度信息经过第二积分环节，得到所需要的用于反馈使用的位置信息，再经过角度修正环节得到用于电流闭环控制的角度信息。
16.因此，本发明的优点是：(1)本方案具有通用性和灵活性，不依赖于完整的半波采样，因此不受采样起始点和采样信号过零点的限制，节省了额外的、复杂的软硬件资源；(2)本方案具有高精度的角度分辨率，可以实现更高电频率的电流闭环控制运行；(3)本方案考虑到外部因素可能导致的旋变信号幅值不平衡现象，当旋转变压器出现非理想信号时进行实时幅值偏移量矫正补偿，提高准确性和稳定性；(4)本方案通过设计基于锁相环pll的角度跟踪观测器完成位置信息的高精度采集，角度跟踪观测器带有角度补偿，避免因角度跟踪观测器造成相位超前影响；(5)使用滤波器对位置误差信号进行滤波，可以消除滤波器对原始旋变信号的相位滞后影响。
附图说明
17.图1是本发明实施例的总体流程图。
18.图2是本发明实施例的软解码信号总体流程框图。
19.图3是本发明实施例的旋变信号采集及矫正框图。
20.图4是本发明实施例的励磁信号幅值偏移量矫正逻辑框图。
21.图5是本发明实施例的正弦信号幅值偏移量矫正逻辑框图。
22.图6是本发明实施例的位置信息解析模块框图。
23.图7是本发明实施例的角度跟踪观测器框图。
24.图8是本发明实施例中存在幅值偏差的正弦信号波形图。
25.图9是本发明实施例中根据存在幅值偏差的旋变信号解析出的角度信息示意图。
26.图10是本发明实施例中根据幅值偏移量矫正后的旋变信号解析出的角度信息示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
28.如图1所示，一种高精度旋转变压器软解码实现方法，包括以下步骤：步骤s1)mcu生成励磁信号并作用于旋转变压器的一次侧绕组；步骤s2)回采旋转变压器信号，获得旋转变压器差分信号；步骤s3)解析旋转变压器差分信号，包括差分运算和幅值偏移量矫正；步骤s4)对矫正后的旋转变压器信号进行位置解析，输出相应的角度信息。
29.结合图1和图2对本方案进行进一步的说明：步骤一：mcu通过励磁信号源生成模块生成恒定频率fe为10khz的励磁信号sin(θe)(θe＝2πfet)，并将其直接作用于旋转变压器的一次侧绕组。旋转变压器在接收到励磁信号时，由于电磁感应原理，在二次侧绕组内感应出正弦信号和余弦信号。步骤二：如图3所示，本实施例中使用adc模块对旋变信号进行回采，采样频率fs为100khz，即实现在一个正弦波形中，采样10个点以高度还原波形信息；然后经过差分运算模块处理，将旋变差分信号解算得到原始的正弦信号sin_raw、余弦信号cos_raw和励磁信号exc_raw。步骤三：如图3所示，使用幅值偏移量矫正模块对旋变信号进行幅值偏移矫正，具体矫正步骤如下：1)对励磁信号进行偏移量检测：励磁信号的正弦量仅由频率为fe的正弦信号组成，原始的励磁信号exc_raw的表达式如下：exc_raw＝a1*sin(θe) exc_h_offset其中，a1为励磁信号基波幅值，exc_h_offset为励磁信号的直流偏移量。启动条件：上电初始化完成且旋变供电完成，即上电初始化且旋变供电完成后启动检测。检测步骤：在一个励磁周期1/fe内的10个采样点中，记录最大值exc_h_offset_max_i和最小值exc_h_offset_min_i，通过最大值和最小值得到该10个采样点内的偏移量：式中，i为第i次偏移量计算，exc_h_offset_max_i为10个采样点内的最大值，exc_h_offset_min_i为10个采样点内的最小值，exc_h_offset_i为该10个采样点内的偏移量。持续检测一定时间：式中，m取值为1,2...，exc_offset_t为m倍10个采样点周期的时间。在时间段exc_offset_t内，记录m个exc_h_offset_i值，得到该时间段内的平均偏移量，以此作为实际应用值：式中，exc_h_offset_(i m)为从i算起第m个偏移量计算值，exc_h_offset_mean为时间段exc_offset_t内的偏移量平均值。同时为保证偏移量的实时更新，所使用的偏移量平均值需每隔exc_offset_t时间更新一次。矫正步骤：将原始励磁信号exc_raw减去偏移量exc_h_offset_mean，得到矫正后的励磁信号exc_corr，并对其进行最大值查找，得到幅值a1和sin(θe)。矫正后的励磁信号exc_corr的表达式为：exc_corr＝exc_raw-exc_h_offset_mean＝a1*sin(θe)
其中，exc_corr为矫正后的励磁信号。2)对正余弦信号进行偏移量检测：考虑到正余弦信号同时包含高频偏移量h_offset、低频偏移量l_offset和耦合直流偏移量hl_offset，同时其检测内含有电频率信息。正余弦信号偏移量检测方式一致，以正弦信号偏移量检测举例说明，如图5所示，原始的正弦信号sin_raw表达式如下：sin_raw＝a2*sin(θe)sin(θm) k2*sin(θe) k1*sin(θm) k1*k2启动条件：需要满足电机运行于一定电频率范围内才能启动。电机的电频率通过位置解算器观测到的角速度得到：式中，ωm_est为位置解算器观测到的角速度。当fm大于设定最小运行频率fm_min，且小于最大运行频率fm_max时，启动标志位start_flag置1，启动偏移量检测；否则，启动标志位start_flag置0，冻结偏移量检测。检测步骤：a)使用一阶低通滤波器提取sin_raw信号内的sin_hl_offset，所使用一阶低通滤波器提取直流量的s域表达式如下：式中，ω
cc1
为低通滤波器的截止角频率，本实施例中设ω
cc1
＝2*π*5，即截止频率为5hz；b)使用二阶带通滤波器提取k1*sin(θm)：式中，ω0为带通滤波器的中心频率，设为2*π*fm；ζ为阻尼系数，设为0.707；同时检测一个电周期1/fm内k1*sin(θm)的最大值sin_h_offset_max，以提取幅值k1，并根据sin_hl_offset和k1得到k2；c)将检测到的k2与励磁信号同频同相位的sin(θm)相乘，得到sin_h_offset；d)得到矫正后的正弦信号：sin_corr＝a2*sin(θe)sin(θm)同理矫正后的余弦信号：cos_corr＝a2*sin(θe)cos(θm)e)在一个电周期内进一步查找sin_corr的最大值以提取幅值a2。图8所示为sin_raw信号出现严重不平衡的现象，当sin_raw信号出现严重不平衡时，直接使用位置解算器得到的角度波动较大，如图9所示。当按照上述步骤进行幅值偏移量矫正后，再使用位置解算器得到的角度波动明显减小，如图10所示。步骤四：用矫正后的旋变信号进行位置解析，如图6和图7所示，具体位置信息解析过程说明如下：1)将矫正后的旋变正余弦信号分别与sin(θm_est_fb)和cos(θm_est_fb)进行乘积并作差，得到如下所示的位置误差信号：
θ_err_raw＝sin_corr*sin(θm_est_fb)-cos_corr*cos(θm_est_fb)进一步整理得：θ_err_raw＝a2*sin(θe)sin(θ
m-θm_est_fb)此时的位置误差信号含有高频信号sin(θe)。2)为过滤掉高频信号sin(θe)，根据相敏解调原理，将矫正后的励磁信号exc_corr与位置误差信号θ_err_raw相乘，得到含有两倍频励磁频率的位置误差信号：θ_err_raw2＝θ_err_raw*exc_corr进一步整理得：θ_err_raw2＝a1*a2*sin(θe)*sin(θe)*sin(θ
m-θm_est_fb)根据三角函数积化和差，进一步转换为：从上式可以看出：位置误差信号内含有两倍频的励磁频率项，该励磁频率项与基波信号已分离。3)设计滤波器过滤掉cos(2θe)*sin(θ
m-θm_est_fb)，本实施例中选用二阶低通滤波器以滤除高频项：式中，ω
cc2
为低通滤波器的截止频率，本实施例中选取ω
cc2
＝2*π*10k；ζ为阻尼比系数，本实施例中选取ζ＝0.707。通过二阶低通滤波器过滤高频项后，位置误差信号表达式如下：当θ
m-θm_est_fb很小时，θ_err的表达式近似为：4)根据a1和a2进行归一化处理，归一化后的位置误差信号为：θ_err_unit＝(θ
m-θm_est_fb)步骤五：角度跟踪观测器接收归一化后的θ_err_unit，如图7所示，输入信号θ_err_unit首先分别经过比例环节和第一积分环节，然后作和得到所需要的角速度信息ωm_est，所得ωm_est经过第二积分环节得到反馈环节所使用的位置信息θm_est_fb，同时将ωm_est输入到幅值偏移量矫正模块内。步骤六：考虑到角度跟踪观测器会对位置锁相造成一拍的超前，为消除位置超前对控制性能的影响，增加角度修正器，即在最后对解算得到的θm_est_fb进行一拍的角度修正，得到最终电流闭环控制所使用的角度θm_est，同时将θm_est输入到幅值偏移量矫正模块内，修正公式如下：式中，θm_est为电流闭环控制使用的角度，fs为电频率。