[发明专利]基于DSADC的旋变软件解码系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及交流伺服控制领域，尤其涉及旋转变压器的编解码领域，具体是指一种基于DSADC的旋变软件解码系统及其方法。

背景技术

在交流伺服控制系统中，只有获得准确可靠的转子位置和速度信息才可以实现对电机的高性能控制。旋转变压器作为一种十分常见的电磁感应式位置传感器，因结构简单、精度高、抗干扰性强等显著特点被广泛的应用在各种场合。旋转变压器的两路输出信号为幅值随其位置变化的模拟信号，需要通过数字转换处理成数字角度信号才能被计算机或者其他控制器所使用。对旋变输出的模拟信号进行数字转换处理目前市场上比较成熟的技术就是采用专用的解码芯片，专用芯片的使用可以获得较高的解码精度和较好的性能，但是其价格昂贵，在对成本有严格要求的场合难以广泛使用。

在工业应用中，如何能让系统的控制达到高的精度的是一个一直探讨的课题。交流电机作为交流伺服系统的执行部件，在运行的过程中需要获得转子的位置并发送给控制器，以提高闭环系统的控制性能。永磁同步交流电机和感应异步交流电机是目前电动机主要的两大类型，其中永磁同步交流电机具有十分良好的低速性能、能够实现弱磁高速控制，宽广的调速范围、以及极高的效率，因此已经在交流伺服系统中成为了首要的选择。在电动汽车的驱动系统领域，永磁同步电机也随着新能源汽车的推广与发展获得了同步的快速发展。根据永磁同步电机结构可知其运行稳定可靠，但作为无刷电动机的一种它没有换向机构，因此需要位置传感器来确定电机转子的位置、转速等参数。系统的输出结果通过传感器后产生一个负反馈给控制器，然后与系统的输入量与通过进行比较，从而发送控制命令用以指示驱动机和执行电机的行动，由于负反馈的存在系统的输入与输出误差就会得到调整变得越来越小。反馈系统是否能够达到完美的效果，选择高精度高分辨率的传感器是十分重要的。在电机控制环节中电机转子旋转位置是重要反馈部分，它直接影响着电机的工作表现。目前光电编码器和旋变是最为主要的永磁同步交流电机转子位置和速度信号测量元件。

光电编码器的主要特点是体积较小、分辨率极高、安装简单、精度高，由于直接以数字信号作为输出，因此数据的处理电路比较简单，但是为了得到较好的光学信号，光电编码器对光栅的刻画工艺要求高，同时对环境比较敏感，耐冲击及抗振动性比较差，工作环境受到了一定限制。相比较而言，除了拥有相对更小的误差以及更高的精度等特点以外旋变还具有构造简单、坚固耐用，抗干扰能力强等突出优点。由于旋转变压器有众多光电编码器不具备的优点，除了在一般的传感器应用场合外，一些特殊场合，尤其在抗冲击、抗振动，易燃易爆等恶劣环境条件下如军事、航空、航天等要求高可靠性应用的领域也得到了广泛的应用。此外,目前除了在工业、交通行业以外旋转变压器也开始在民用领域得到广泛应用如新能源汽车、数控机床、电力、冶金、纺织等领域。

旋转变压器的两路输出均为模拟信号，对输出数据处理电路要求高结构相对复杂是其在应用中的最大缺点。以正余弦型旋变作为研究对象来讨论，其输出的两路信号为均包含了转子的位置信息的一路正弦信号和另一路余弦信号,如何从其中解算出电机转子位置，获得到转子位置的高精度数字信号是不太容易的，因此分析和研究怎样合适的处理这两路正余弦信号以准确快速地获取高精度的位置信息是十分重要的。针对这一问题，目前很多公司都研发推出了一系列专用的旋变位置解码芯片如美国AD公司开发的AD2S80、AD2S80A、AD2S1200系列和日本多摩川公司的Au6802、Au6802N1、Au6803系列等。专用芯片解码技术比较成熟，但这种芯片的价格一般比较昂贵，将会大大增加系统成本。为了节约成本，弥补这一缺点，本研究拟通过软件算法来进行旋转变压器的位置解码。通过采用基于过采样原理的Delta Sigma ADC实现对模拟信号的高频精确采样会产生系统的相位滞后，需要在算法中加入延时校正来进行补偿，回路参数条件变化时延时校正补偿可自动调节。对于数字信号中包含的载波信号的解调主要通过反向整形和积分运算实现，解调后的信息再经过最后的观测器算法进行了转子角度信号的实时解算。该解码方法具有高精确度和高动静态性能，可以节约硬件开发成本，避免了资源的浪费，从而创造出更好的经济效益，从而实现了旋转变压器的低成本、高性能、高集成度的角度变换。

目前对旋转变压器主要采用硬件解码的形式，即采用专用芯片实现解码，很少使用软件解码方式。可搜索到的专利中，关于软件解码的有“一种基于旋转变压器软件解码的电动助力转向系统”，其软件解码方式主要分为两部分，首先是对旋转变压器输出的信号进行信号处理，主要是通过硬件电路的方式进行处理，得到包含电机转子位置的正、余弦信号，然后通过CORDIC算法解算出转子的位置。