一种旋转变压器的数据采集装置以及解码方法与流程

1.本技术属于变流电机控制领域，具体涉及一种旋转变压器的数据采集装置以及解码方法。


背景技术：

2.旋转变压器简称旋变，是一种采集电机位置速度的传感器，也被称为编码器。旋转变压器相比光电技术的编码器而言，具有耐热、耐震动、耐冲击、耐油污耐腐蚀等恶劣环境的适应能力，在很多大型工厂变频器电机控制领域中都有广泛应用。目前针对旋转变压器信号采集都是采用国外厂家专用集成芯片或带有专用旋变解码集成的mcu接口，通过软件对专用旋变集成芯片进行寄存器配置，从而读取寄存器内速度和位置数据。这种专用的集成芯片经常断供并且价格普遍较高；目前市场上旋转变压器类型多种多样，有一对单激励差分信号输入，两对正余弦差分信号输出；也有两对双激励正余弦差分输入，两对正余弦差分信号输出；还有两对双激励正余弦差分输入，一对差分信号输出。而采用不同专用旋变解码集成芯片，会导致其硬件采集装置差异性较大，从而增加硬件的开发周期和成本，不利于硬件的通用性要求。


技术实现要素：

3.基于以上技术问题，本技术提出一种旋转变压器的数据采集装置以及解码方法。
4.第一方面，本技术提出一种旋转变压器的数据采集装置，包括：电机速度转换电路、双激励正余弦差分输出电路、双正余弦差分信号输入电路；
5.所述电机速度转换电路的输出端与所述双激励正余弦差分输出电路的输入端相连接，所述双激励正余弦差分输出电路的输出端与旋转变压器的输入端相连接，所述旋转变压器的输出端与双正余弦差分信号输入电路的输入端相连接，所述双正余弦差分信号输入电路的输出端与电机速度转换电路的输入端相连接；
6.所述电机速度转换电路用于产生正余弦激励信号，同时接收所述双正余弦差分信号输入电路输出的正余弦响应信号，并根据所述正余弦激励信号以及正余弦响应信号，得到电机角度，根据所述电机角度得到电机速度；
7.所述双激励正余弦差分输出电路用于将所述正余弦激励信号转换为正余弦差分信号，所述正余弦差分信号作为所述旋转变压器的输入；
8.所述双正余弦差分信号输入电路用于将旋转变压器输出的正余弦差分信号转换为所述电机速度转换电路能够识别的正余弦响应信号。
9.所述旋转变压器的数据采集装置，还包括通讯电路，用于主控制器与所述电机速度转换电路之间的通讯。
10.所述旋转变压器的数据采集装置，还包括信号隔离电路，用于在所述双激励正余弦差分输出电路与旋转变压器之间、以及所述双正余弦差分信号输入电路与旋转变压器之间进行信号隔离。
11.所述双激励正余弦差分输出电路包括：数模转换电路、推挽驱动电路、单端转差分电路；
12.所述数模转换电路第一输出端与所述推挽驱动电路第一输入端相连接，所述推挽驱动电路的第一输出端与所述单端转差分电路第一输入端相连接，所述数模转换电路第二输出端与所述推挽驱动电路第二输入端相连接，所述推挽驱动电路的第二输出端与所述单端转差分电路第二输入端相连接，所述单端转差分电路第一输出端、第二输出端、第三输出端以及第四输出端分别与所述信号隔离电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端以及第四输入端相连接；
13.所述数模转换电路用于将所述正余弦激励信号转换为模拟信号；
14.所述推挽驱动电路用于根据旋转变压器要求将所述模拟信号放大到预定倍数，得到模拟放大信号；
15.所述单端转差分电路用于将所述模拟放大信号转换为正余弦差分信号。
16.所述双正余弦差分信号输入电路包括：差分转单端电路、运放调理电路以及模数转换电路；
17.所述差分转单端电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端及第四输入端分别与所述信号隔离电路的第一输出端、第二输出端、第三输出端及第四输出端相连接，所述差分转单端电路第一输出端与所述运放调理电路的第一输入端相连接，所述运放调理电路的第一输出端与所述模数转换电路的第一输入端相连接，所述差分转单端电路第二输出端与所述运放调理电路的第二输入端相连接，所述运放调理电路的第二输出端与所述模数转换电路的第二输入端相连接；
18.所述差分转单端电路用于将所述旋转变压器输出的正余弦差分信号转换为正余弦单端信号；
19.所述运放调理电路用于根据模数转换电路的要求，将所述正余弦单端信号缩小到预定倍数，得到缩小后的正余弦单端信号；
20.所述模数转换电路用于将所述缩小后的正余弦单端信号转换为所述正余弦响应信号。
21.所述电机速度转换电路采用可编程逻辑阵列实现或可编程芯片实现。
22.所述电机角度根据如下公式计算：
[0023][0024][0025]
其中，e
e_f
为旋转变压器输出的正弦差分信号，根据双正余弦差分信号输入电路原理由正弦响应信号反推出正弦差分信号，e
g_h
为旋转变压器输出的余弦差分信号，根据双正余弦差分信号输入电路原理由余弦响应信号反推出余弦差分信号，e
a_b
为旋转变压器输入的正弦差分信号，根据双激励正余弦差分输出电路原理由正弦激励信号反推出正弦差分信号，e
c_d
为旋转变压器输入的余弦差分信号，根据双激励正余弦差分输出电路原理由余弦激励信号反推出余弦差分信号，θ为电机角度。
[0026]
所述电机速度根据如下公式计算：
[0027][0028]
其中，θ2为t2时刻电机角度，θ1为t1时刻电机角度。
[0029]
第二方面，本技术提出一种旋转变压器的数据解码方法，采用所述的旋转变压器的数据采集装置实现，包括如下步骤：
[0030]
生成正余弦激励信号；
[0031]
将所述正余弦激励信号转换为正余弦差分信号，所述正余弦差分信号作为旋转变压器的输入；
[0032]
接收旋转变压器产生的正余弦差分信号；
[0033]
将旋转变压器产生的正余弦差分信号转换为电机速度转换电路能够识别的转换为正余弦响应信号；
[0034]
根据所述正余弦激励信号以及正余弦响应信号，得到电机角度；
[0035]
根据所述电机角度得到电机速度。
[0036]
所述旋转变压器的数据解码方法，还包括：在所述正余弦差分信号输入旋转变压器之前需要进行信号隔离处理。
[0037]
所述将所述正余弦激励信号转换为正余弦差分信号，包括如下步骤：
[0038]
将所述正余弦激励信号转换为模拟信号；
[0039]
根据所述旋转变压器要求，将所述模拟信号放大到预定倍数，得到模拟放大信号；
[0040]
将所述模拟放大信号转换为正余弦差分信号。
[0041]
所述将所述正余弦差分信号转换为正余弦响应信号，包括如下步骤：
[0042]
将所述旋转变压器输出的正余弦差分信号转换为正余弦单端信号；
[0043]
将所述正余弦单端信号缩小到预定倍数，得到缩小后的正余弦单端信号；
[0044]
将所述缩小后的正余弦单端信号转换为所述正余弦响应信号。
[0045]
所述根据所述电机角度得到电机速度，包括如下步骤：
[0046]
计算前一时刻与后一时刻的电机角度差值；
[0047]
计算前一时刻与后一时刻的时间差值；
[0048]
将所述电机角度差值除以时间差值，得到电机速度。
[0049]
所述电机角度根据如下公式计算：
[0050][0051][0052]
其中，e
e_f
为旋转变压器输出的正弦差分信号，根据正余弦差分信号转换为正余弦响应信号原理由正弦响应信号反推出正弦差分信号，e
g_h
为旋转变压器输出的余弦差分信号，根据正余弦差分信号转换为正余弦响应信号原理由余弦响应信号反推出余弦差分信号，e
a_b
为旋转变压器输入的正弦差分信号，根据正余弦激励信号转换为正余弦差分信号原理由正弦激励信号反推出正弦差分信号，e
c_d
为旋转变压器输入的余弦差分信号，根据正余弦激励信号转换为正余弦差分信号原理由余弦激励信号反推出余弦差分信号，θ为电机角度。
[0053]
所述电机速度根据如下公式计算：
[0054][0055]
其中，θ2为t2时刻电机角度，θ1为t1时刻电机角度。
[0056]
有益技术效果：
[0057]
本技术提出一种旋转变压器的数据采集装置以及解码方法，取消了专用旋变解码芯片，采用软解码实现专用芯片硬解码功能，因此本技术能够适用绝大部分不同类型的旋转变压器信号采集，硬件装置通用性强，降低了硬件开发周期和成本。
[0058]
采用fpga实现速度位置软解码功能，提高了采样精度和计算精度，并具有编程灵活多样的优点。
附图说明
[0059]
图1为本技术实施例的一种旋转变压器的数据采集装置原理框图；
[0060]
图2为本技术实施例的双激励正余弦差分输出电路以及双正余弦差分信号输入电路内部原理框图；
[0061]
图3为本技术实施例的一种旋转变压器的数据解码方法流程图；
[0062]
图4为本技术实施例的正余弦激励信号转换为正余弦差分信号流程图；
[0063]
图5为本技术实施例的正余弦差分信号转换为正余弦响应信号流程图。
具体实施方式
[0064]
下面结合附图所示的实施例对本公开作进一步说明。
[0065]
本实施例中所述电机速度转换电路采用可编程逻辑阵列fpga(field program gate way，现场可编程的门阵列)实现，同样的方法，也可以采用可编程芯片实现，但是其数据采样精度及计算精度相比fpga来说效果会差很多。
[0066]
所述电机速度转换电路(fpga)用于产生正余弦激励信号，所述正余弦激励信号包括：da_data(fpga内部数字量)、da_cs_n(fpga根据述数模转换电路中的da(digital to analog，数字转模拟)芯片驱动时序要求，产生da片选信号)以及da_wr_n(da写使能信号)，所述数模转换电路根据所接收到的正余弦激励信号，将da_data、da_cs_n以及da_wr_n转换成了sina1(正弦激励模拟量)以及cosa1(余弦激励模拟量)。
[0067]
所述推挽驱动电路根据所述旋转变压器要求，将接收到的sina1(正弦激励模拟量)以及cosa1(余弦激励模拟量)放大到预定倍数，得到模拟放大信号，sina2(正弦模拟放大信号)以及cosa2(余弦模拟放大信号)。
[0068]
所述单端转差分电路将接收到的sina2(正弦模拟放大信号)以及cosa2(余弦模拟放大信号)转换为所述旋转变压器能够识别的正余弦差分信号，分别为：差分正弦信号：sina 和sina-，差分余弦信号：cosa 和cosa-。
[0069]
为了避免采集装置受到外界浪涌等影响而遭到损坏，设置信号隔离电路，将差分正弦信号：sina 和sina-，差分余弦信号：cosa 和cosa-，分别转换为信号隔离后的差分正弦信号：ex-sina 和ex-sina-，差分余弦信号：ex-cosa 和ex-cosa-。
[0070]
根据所述旋转变压器的输出差分正弦信号：sina 和sina-，差分余弦信号：cosa
和cosa-，经过信号隔离电路，得到差分正弦信号：sina 和sina-，差分余弦信号：cosa 和cosa-，将sina 、sina-、cosa 以及cosa-经过所述差分转单端电路转换得到正余弦单端信号：sina4(正弦单端信号)、cosa4(余弦单端信号)。根据模数转换电路的要求，采用所述运放调理电路将正余弦模拟信号：sina4、cosa4，缩小到预定倍数，得到缩小后的正余弦单端信号sina5、cosa5，所述模数转换电路接收缩小后的正余弦单端信号sina5、cosa5，通过sina2(正弦激励数字量)、cosa2(余弦激励数字量)，并根据模数转换电路中ad(analog to digital，模拟转数字)芯片手册驱动时序产生ad片选信号(ad_cs_n)，da读使能信号(ad_rd_n)，经过模数转换得到ad_data，fpga读取ad_data数据，通过fpga内部转换，得到最后的电机转速。
[0071]
第一方面，本技术提出一种旋转变压器的数据采集装置，如图1所示，包括：电机速度转换电路、双激励正余弦差分输出电路、双正余弦差分信号输入电路；
[0072]
所述电机速度转换电路的输出端与所述双激励正余弦差分输出电路的输入端相连接，所述双激励正余弦差分输出电路的输出端与旋转变压器的输入端相连接，所述旋转变压器的输出端与双正余弦差分信号输入电路的输入端相连接，所述双正余弦差分信号输入电路的输出端与电机速度转换电路的输入端相连接；
[0073]
所述电机速度转换电路用于产生正余弦激励信号，同时接收所述双正余弦差分信号输入电路输出的正余弦响应信号，并根据所述正余弦激励信号以及正余弦响应信号，得到电机角度，根据所述电机角度得到电机速度；
[0074]
所述双激励正余弦差分输出电路用于将所述正余弦激励信号转换为正余弦差分信号，所述正余弦差分信号作为所述旋转变压器的输入；
[0075]
所述双正余弦差分信号输入电路用于将旋转变压器输出的正余弦差分信号转换为所述电机速度转换电路能够识别的正余弦响应信号。
[0076]
所述旋转变压器的数据采集装置，如图1所示，还包括通讯电路，用于主控制器与所述电机速度转换电路之间的通讯。旋转变压器信号采样装置与主控单元可以采用多种通讯方式，如光纤通信、485通讯、以太网通讯、直接与主控制器进行emif(external memory interface，外部存储器接口)总线通讯等等，将fpga计算好的速度位置信息采用合理的通讯方式将位置和速度数据传输给主控制器。以便主控制器mcu(master control unit，主控制器)进行电机算法控制。
[0077]
所述旋转变压器的数据采集装置，如图1所示，还包括信号隔离电路，用于在所述双激励正余弦差分输出电路与旋转变压器之间、以及所述双正余弦差分信号输入电路与旋转变压器之间进行信号隔离。
[0078]
所述双激励正余弦差分输出电路，如图2所示，包括：数模转换电路、推挽驱动电路、单端转差分电路；
[0079]
所述数模转换电路第一输出端与所述推挽驱动电路第一输入端相连接，所述推挽驱动电路的第一输出端与所述单端转差分电路第一输入端相连接，所述数模转换电路第二输出端与所述推挽驱动电路第二输入端相连接，所述推挽驱动电路的第二输出端与所述单端转差分电路第二输入端相连接，所述单端转差分电路第一输出端、第二输出端、第三输出端以及第四输出端分别与所述信号隔离电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端以及第四输入端相连接；
[0080]
所述数模转换电路用于将所述正余弦激励信号转换为模拟信号；所述模拟信号包括：sina1(正弦激励模拟量)以及cosa1(余弦激励模拟量)。
[0081]
所述推挽驱动电路用于根据旋转变压器要求将所述模拟信号放大到预定倍数，得到模拟放大信号；所述模拟放大信号包括：sina2(正弦模拟放大信号)以及cosa2(余弦模拟放大信号)。
[0082]
所述单端转差分电路用于将所述模拟放大信号转换为正余弦差分信号。所述正余弦差分信号，包括：差分正弦信号：sina 和sina-，差分余弦信号：cosa 和cosa-。
[0083]
所述双正余弦差分信号输入电路，如图2所示，包括：差分转单端电路、运放调理电路以及模数转换电路；
[0084]
所述差分转单端电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端及第四输入端分别与所述信号隔离电路的第一输出端、第二输出端、第三输出端及第四输出端相连接，所述差分转单端电路第一输出端与所述运放调理电路的第一输入端相连接，所述运放调理电路的第一输出端与所述模数转换电路的第一输入端相连接，所述差分转单端电路第二输出端与所述运放调理电路的第二输入端相连接，所述运放调理电路的第二输出端与所述模数转换电路的第二输入端相连接；
[0085]
所述差分转单端电路用于将所述旋转变压器输出的正余弦差分信号转换为正余弦单端信号；所述旋转变压器输出的正余弦差分信号，包括：差分正弦信号：sina 和sina-，差分余弦信号：cosa 和cosa-，所述正余弦单端信号包括：sina4(正弦单端信号)、cosa4(余弦单端信号)。
[0086]
所述运放调理电路用于根据模数转换电路的要求，将所述正余弦单端信号缩小到预定倍数，得到缩小后的正余弦单端信号，所述缩小后的正余弦单端信号包括：sina5、cosa5；
[0087]
所述模数转换电路用于将所述缩小后的正余弦单端信号转换为所述正余弦响应信号。
[0088]
所述电机速度转换电路采用可编程逻辑阵列实现或可编程芯片实现。
[0089]
由于fpga具有编程灵活、丰富的ip核(ip core)、高效并行数据采样及数据处理运算能力，能够保障数据的计算精度和采样计算实时性，因此本技术基于fpga器件采用软件编程的方式实现，实现步骤如下：
[0090]
(a)产生正余弦激励信号：依据da采样周期及正余弦激励的周期离散化正弦信号和余弦信号，并将离散化的数字量存储于fpga片内rom(read only memory，只读存储器)区域；驱动da芯片并读取rom数据传输给da，将数字量转成正余弦激励的模拟信号；
[0091]
(b)模拟信号转数字量读取：通过驱动ad芯片读取正余弦激励信号及旋转变压器输出的正余弦信号，采集e
e_f
、e
g_h
、e
a_b
、e
c_d
模拟量信号；
[0092]
(c)数字化运算：利用fpga编译软件中乘法ip核实现乘法运算实现e
e_fea_b
、e
g_hec_d
、e
e_fec_d
、e
g_hea_b
，加减法运算获得y和x；
[0093]
(d)电机角度计算：利用fpga编译软件反正切ip核实现y/x的反正切运算获得电机角度；
[0094]
所述电机角度根据如下公式计算：
[0095][0096][0097]
其中，e
e_f
为旋转变压器输出的正弦差分信号，根据双正余弦差分信号输入电路原理由正弦响应信号反推出正弦差分信号，e
g_h
为旋转变压器输出的余弦差分信号，根据双正余弦差分信号输入电路原理由余弦响应信号反推出余弦差分信号，e
a_b
为旋转变压器输入的正弦差分信号，根据双激励正余弦差分输出电路原理由正弦激励信号反推出正弦差分信号，e
c_d
为旋转变压器输入的余弦差分信号，根据双激励正余弦差分输出电路原理由余弦激励信号反推出余弦差分信号，θ为电机角度。
[0098]
(e)电机速度计算：利用电机角度的微分获取电机速度，即速度为采样周期(时间dt)内的角度变化dθ，利用fpga编译软件除法ip核实现电机速度计算；所述电机速度根据如下公式计算：
[0099][0100]
其中，θ2为t2时刻电机角度，θ1为t1时刻电机角度。
[0101]
(f)fpga与主控单元通讯：fpga将计算完成的电机角度和位置信息通过通讯方式传输给主控制单元，提供控制算法输入源。
[0102]
第二方面，本技术提出一种旋转变压器的数据解码方法，用所述的旋转变压器的数据采集装置实现，如图3所示，包括如下步骤：
[0103]
步骤s1：生成正余弦激励信号；
[0104]
步骤s2：将所述正余弦激励信号转换为正余弦差分信号，所述正余弦差分信号作为旋转变压器的输入；
[0105]
步骤s3：接收旋转变压器产生的正余弦差分信号；
[0106]
步骤s4：将旋转变压器产生的正余弦差分信号转换为电机速度转换电路能够识别的转换为正余弦响应信号；
[0107]
步骤s5：根据所述正余弦激励信号以及正余弦响应信号，得到电机角度；
[0108]
步骤s6：根据所述电机角度得到电机速度。
[0109]
所述旋转变压器的数据解码方法，还包括：在所述正余弦差分信号输入旋转变压器之前需要进行信号隔离处理。
[0110]
所述将所述正余弦激励信号转换为正余弦差分信号，如图4所示，包括如下步骤：
[0111]
步骤s2.1：将所述正余弦激励信号转换为模拟信号；
[0112]
步骤s2.2：根据所述旋转变压器要求，将所述模拟信号放大到预定倍数，得到模拟放大信号；
[0113]
步骤s2.3：将所述模拟放大信号转换为正余弦差分信号。
[0114]
所述将所述正余弦差分信号转换为正余弦响应信号，如图5所示，包括如下步骤：
[0115]
步骤s4.1：将所述旋转变压器输出的正余弦差分信号转换为正余弦单端信号；
[0116]
步骤s4.2:将所述正余弦单端信号缩小到预定倍数，得到缩小后的正余弦单端信号；
[0117]
步骤s4.3：将所述缩小后的正余弦单端信号转换为所述正余弦响应信号。
[0118]
所述根据所述电机角度得到电机速度，包括如下步骤：
[0119]
计算前一时刻与后一时刻的电机角度差值；
[0120]
计算前一时刻与后一时刻的时间差值；
[0121]
将所述电机角度差值除以时间差值，得到电机速度。
[0122]
所述电机角度根据如下公式计算：
[0123][0124][0125]
其中，e
e_f
为旋转变压器输出的正弦差分信号，根据正余弦差分信号转换为正余弦响应信号原理由正弦响应信号反推出正弦差分信号，e
g_h
为旋转变压器输出的余弦差分信号，根据正余弦差分信号转换为正余弦响应信号原理由余弦响应信号反推出余弦差分信号，e
a_b
为旋转变压器输入的正弦差分信号，根据正余弦激励信号转换为正余弦差分信号原理由正弦激励信号反推出正弦差分信号，e
c_d
为旋转变压器输入的余弦差分信号，根据正余弦激励信号转换为正余弦差分信号原理由余弦激励信号反推出余弦差分信号，θ为电机角度。
[0126]
所述电机速度根据如下公式计算：
[0127][0128]
其中，θ2为t2时刻电机角度，θ1为t1时刻电机角度。
[0129]
本公开中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0130]
本公开的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变形而不脱离本公开的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本公开权利要求及其等同技术的范围，则本公开的意图也包含这些改动和变形在内。