[发明专利]基于FPGA的旋转变压器线性变换方法及变换器

说明书

技术领域

本发明涉及旋转变压器的解码算法，并利用FPGA实现这一算法，属于电子信息技术领域。具体讲，涉及基于FPGA的旋转变压器线性变换方法和变换器。

背景技术

旋转变压器是一种电磁式的绝对位置传感器，其结构和原理如图1所示，其实质是一种测量角度用的小型交流电机，用来测量旋转物体的转轴角位移，由与定子侧相连的原边绕组和与转子侧相连的副边绕组组成。它的工作原理与普通变压器基本类似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组随转子的角位移发生相对位置的转变，因而其输出电压的大小随转子角位移变化而变化，输出电压的幅值随转子角位移而发生变化，与转子角位移成正弦、余弦函数关系。由于旋转变压器的成本低、稳定性好、抗干扰能力强，它被广泛应用于多种检测系统和伺服系统中。

旋转变压器工作时需要给定一个1-15kHz的高频正弦信号U_msin(θ)作为激磁信号。旋转变压器相当于一个调制器，它将角位置信息调制到输入的高频激磁信号中，然后通过定子侧输出。所以由旋转变压器输出获取角位置信号的第一步就是将高频的载波移除，也就是解调，通过解调之后就可以得到与待测角度相关的信号。常用的通过峰值采样实现解调的方法如图2所示。解调之后可以得到两路和角位置相关的正余弦型信号αU_msin(θ)和αU_mcos(θ)。为了得到准确的角位置信息，需要把以上两路正余弦信号转换为0-360°的线性信号，这就是旋转变压器解码算法设计的目的。

由以上正余弦信号获取绝对位置信息最简单的方法是进行反正切运算，即对于FPGA而言，我们通常采用旋转坐标(CORDIC)的方法来实现这一运算。它的实现依赖附加的查找表，这需要一定的存储资源；其运算精度依赖于寄存器的位数；同时由于反正切的方法对于噪声非常敏感，当正余弦信号中含有一定的噪声时，通过反正切运算得到的角度值与真值之间会存在较大偏差。

实现旋转变压器解码的另一种算法是采用闭环的方法(角度跟踪观测器ATO)，闭环的设计方法不仅能够提供精确的角位置信息而且还能够提供角速度信息，同时对噪声也有一定的抑制作用。现阶段大部分的旋转变压器解码芯片就是采用该算法，但是闭环设计方法首先需要考虑的问题就是系统的稳定性问题，其次是闭环设计方法对角速度也有一定的要求，当角速度过大时，闭环的设计方法无法精确地跟踪角位置和角速度；由于积分环节的存在角位置的输出也存在一定的滞后。此外闭环设计方法需要查找表和乘法器，它们的实现都需要占用一定的逻辑和存储资源。

基于以上分析，寻找一种性能优于以上两种方法，并且更加简单的旋转变压器解码算法，以及基于该算法实现旋转变压器线性变换器的设计是具有一定意义的。

发明内容

为克服噪声敏感、输出滞后、资源占用多等传统方法法的一系列问题，实现旋转变压器高精度的角位置输出，且具有良好的性能。为此，本发明采取的技术方案是，基于FPGA的新型旋转变压器线性变换方法，包括下列步骤：

步骤1：获取四路不同相位正余弦信号：旋转变压器输出信号解调之后会得到一路正弦信号αU_msin(θ)和一路余弦信号αU_mcos(θ)，对其进行归一化处理，移除幅值得到：

S₁＝sin(θ)

S₂＝cos(θ)

根据正余弦信号的固有性质，两路信号相加并进行一定的幅值调整之后得到：

同样的方式，两路信号相减并进行相应的幅值调整之后得到：

步骤2：根据四路信号的符号和幅值大小把整个周期[0,2π]平均分成8个部分，并进行相应的编码；

步骤3：对步骤1中得到的四路信号取绝对值，然后再对取绝对值后的信号进行取小运算，得到一个伪线性信号：min(|S₁|,|S₂|,|S₃|,|S₄|)，由于正弦信号在零点附近有sinθ≈θ，则每一个伪线性线段具有近似1或-1的斜率；

步骤4：得到角度θ的初步估计值根据得到的伪线性信号处于上升段还是下降段，将步骤2中得到的每个区间再平均分成两段，对于经过细分后[0,2π]上16段区间的伪线性信号，进行以下操作：第2n-1段区间上的伪线性信号向上平移(n-1)π/4，第2n段区间上的伪线性信号以y＝nπ/8为轴作轴对称的映射，其中n＝1,2,8，具体表述为：