基于DSP的旋转变压器角度解码方法
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ELECTRONICS WORLD・技术交流
基于DSP的旋转变压器角度解码方法
湖南工业大学电气与信息工程学院 周 曼 易吉良 吕道轩
【摘要】提出一种低成本、高精度的旋转变压器角度解码方法，弥补了传统解码系统的高成本、系统复杂的缺点。首先，分析了旋转变压器 的工作原理，然后设计了基于TMS320F28335的旋转变压器角度解算系统，并设计解码流程图，最后在MATLAB环境下对系统进行仿真，实 验结果表明该系统的解码误差在0.06%以内，满足了伺服系统的精确性和实时性要求。 【关键词】TMS320F28335；旋转变压器；解码系统
本文针对旋变的工作特性，设计外部信号调理电路和解码系统， 并通过TMS320F28335实现，然后再仿真软件上验证方法的准确性。
子的正弦线圈和余弦信号线圈感应激励线圈磁场产生交变电压Vesin和Ve-cos，其幅值与旋变转子位置有关。图2所示是旋变输入激 励信号和输出正弦、余弦信号波形图，相应的表达式如式(1)，k表 示旋变的变压比，ω表示励磁电压频率，为旋变输出的角度可以看 出，随着旋变转动，旋变的两路输出信号的包络被调制为正弦和余 弦信号。旋变解码的任务便是从两路输出信号解算出旋变的角位 移，进而解算出角速度，以获得电机转速。
解算角度信息方法采用二阶跟踪法，即角度跟踪法（ATO）的一 种，其数学模型如图3所示。其中，为旋变输入角度值，Φ为估算的 角度值，e是误差信号。该二阶系统能够无差地跟踪速度信号。观测 器对旋变输出信号和估计值进行比较，通过缩小实际值和估计值的误 差，使两个变量达到一致，最后取这个值就是旋变的角度值。
电路和输出信号调理电路。 输入信号调理电路通过DSP的TIME0定时器和电平转换电路产
生幅值5V，频率10kHZ，占空比为50%的方波信号，再通过积分电 路转换三角波信号，最后经过正弦波产生电路变为正弦波。正余弦 信号调理电路主要包括滤波电路、单端信号转换电路和绝对值加法 电路。经过信号调理后的正余弦信号经DSP的AD端口采集，再由 解码算法解算出转子位置信息。 2.2 数字系统设计
(1)
根据式(1)电机转子位置角度可以通过求取正弦信号和余弦信号 比值的反正切函数求得，如式(2)所示。
(2) 取N个相邻采样点的转子位置角，求出角度增量，则可由式(3) 得出旋变转速。
图1 旋转变压器原理图
其中，T为采样周期。
2 系统设计
2.1 外部电路设计 外部电路设计分为三个模块，分别是激励信号产生电路、调理
干扰比较大，为了提高实验设计装置检测火焰高度的精度。本次测 量方法会因为光面管物理尺寸而影响分辨力，会造成较大的实验误 差，精度测量不够理想，所以，需要进行仪器的完善。
自然光影给火焰光谱的影响。因为自然光和打火机光谱比较相 似，而且光电接收光谱带宽是固定的，很容易因为强烈的自然光给 正常的光敏管检测造成影响3[5-6]。所以，这里可以采取将检测装置 进行隔光处理，实验装置可以在暗室放置效果比较好。使用检测火 焰电路添加一个有16个直径为1.5mm小孔的检测火焰罩，每个孔的 中心先和三极光敏管光轴是重合的，这样可以将自然光影响消除。
0 引言
作为伺服系统的转轴位置和速度传感设备，旋转变压器(以下 简称旋变)具有坚固耐用、宽工作温度、抑制共模噪声等优点，能 够在严酷环境中稳定工作，广泛应用于轨道交通、新能源汽车以及 具有严格安全要求的航空等工业领域。目前针对旋变解码有两种解 码方法：一种是硬件的解码方法，主要是专用解码芯片--旋变数字 转换芯片(resolver to digital convertor,RDC)。这种芯片解码精度高， 且能够提供旋变所需的激励信号，但这种方法最大的缺点是成本 高，一片RDC甚至与旋变的价格相当。另一种是软件的解码方法， 可分为反正切法和角度跟踪法(angle tracking observer,ATO)。
打火机火焰源的不稳定。打火机属于低成本的产品，它是通过碰 撞的压电陶瓷引起电荷点火产生火焰，点火装置比较简单。关于检测 点着10s中的打火机火焰高度检测，在点着打火机火焰高度的瞬间是 比正常要高，而且也会出现闪烁情况。对于不稳定的火焰源来说，一 般选择20K样本频率数据系统采集光敏管信号，光敏管相应的时间存 在不稳定性。后期需要将粗大误差通过相关软件进行排除，来减少闪 烁现象造成的误差，从而保证检测火焰的高度数据准确性。 4.4 检测零位和打火机出口误差
气流给火焰稳定的影响。在实验测量中会因为环境气流的影 响，而扰动打火机火焰的稳定情况，造成三级光敏瞬间监测无法达 到火焰辐射探测广播，从而影响实验监测的火焰高度真实性，所以 为了减少气流扰动造成的数据误差。加 测量成本。比较经济性的解决对策就是使用相关仪器制造一个比较 封闭的空间，并考虑到自然光隔离问题，可以将仪器放在一个较为 封闭不透光的罩内。
图2 旋变输入、输出信号波形图
1 旋转变压器工作原理
图1所示说明了最常用旋变的工作原理，安装在旋变转子的激 励线圈输入高频激励信号Ve，产生交变磁场。正交安装在旋变定
图3 系统ATO模型图
（下转第167页）
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4.3 仪器精度完善 根据光敏管和火焰光源两者的特性和相对位置，受到外界环境
机械装置零位和打火机出火口瞄准是以相同水平安装为标准， 进行目测结果判断，这样会存在一定的误差，但是因为检测的打火 机火焰高度误差不是很大可以忽略不计。
4.5 光敏管接收光强度的影响因素 在使用光敏管时，不仅会受到接收光谱范围的影响，还会因为
物理尺寸产生影响。就是光通量接收理论的大小。光通量接收影响 因素包含：光源强度的分布，光敏管和光焰对应的为孩子，以及火 焰罩直径开孔的大小。经过实验，发现在直径火焰罩开孔是1.5mm 情况下，可以得到高于火焰正常10mm的结果。还有想要保证检测 结果的有效性，需要设置光敏管距离是2~3cm，这个距离检测可以 减少相邻光敏管信号接收的数据准确性。
基于DSP的旋转变压器角度解码方法
湖南工业大学电气与信息工程学院 周 曼 易吉良 吕道轩
【摘要】提出一种低成本、高精度的旋转变压器角度解码方法，弥补了传统解码系统的高成本、系统复杂的缺点。首先，分析了旋转变压器 的工作原理，然后设计了基于TMS320F28335的旋转变压器角度解算系统，并设计解码流程图，最后在MATLAB环境下对系统进行仿真，实 验结果表明该系统的解码误差在0.06%以内，满足了伺服系统的精确性和实时性要求。 【关键词】TMS320F28335；旋转变压器；解码系统
本文针对旋变的工作特性，设计外部信号调理电路和解码系统， 并通过TMS320F28335实现，然后再仿真软件上验证方法的准确性。
子的正弦线圈和余弦信号线圈感应激励线圈磁场产生交变电压Vesin和Ve-cos，其幅值与旋变转子位置有关。图2所示是旋变输入激 励信号和输出正弦、余弦信号波形图，相应的表达式如式(1)，k表 示旋变的变压比，ω表示励磁电压频率，为旋变输出的角度可以看 出，随着旋变转动，旋变的两路输出信号的包络被调制为正弦和余 弦信号。旋变解码的任务便是从两路输出信号解算出旋变的角位 移，进而解算出角速度，以获得电机转速。
解算角度信息方法采用二阶跟踪法，即角度跟踪法（ATO）的一 种，其数学模型如图3所示。其中，为旋变输入角度值，Φ为估算的 角度值，e是误差信号。该二阶系统能够无差地跟踪速度信号。观测 器对旋变输出信号和估计值进行比较，通过缩小实际值和估计值的误 差，使两个变量达到一致，最后取这个值就是旋变的角度值。
电路和输出信号调理电路。 输入信号调理电路通过DSP的TIME0定时器和电平转换电路产
生幅值5V，频率10kHZ，占空比为50%的方波信号，再通过积分电 路转换三角波信号，最后经过正弦波产生电路变为正弦波。正余弦 信号调理电路主要包括滤波电路、单端信号转换电路和绝对值加法 电路。经过信号调理后的正余弦信号经DSP的AD端口采集，再由 解码算法解算出转子位置信息。 2.2 数字系统设计
(1)
根据式(1)电机转子位置角度可以通过求取正弦信号和余弦信号 比值的反正切函数求得，如式(2)所示。
(2) 取N个相邻采样点的转子位置角，求出角度增量，则可由式(3) 得出旋变转速。
图1 旋转变压器原理图
其中，T为采样周期。
2 系统设计
2.1 外部电路设计 外部电路设计分为三个模块，分别是激励信号产生电路、调理
干扰比较大，为了提高实验设计装置检测火焰高度的精度。本次测 量方法会因为光面管物理尺寸而影响分辨力，会造成较大的实验误 差，精度测量不够理想，所以，需要进行仪器的完善。
自然光影给火焰光谱的影响。因为自然光和打火机光谱比较相 似，而且光电接收光谱带宽是固定的，很容易因为强烈的自然光给 正常的光敏管检测造成影响3[5-6]。所以，这里可以采取将检测装置 进行隔光处理，实验装置可以在暗室放置效果比较好。使用检测火 焰电路添加一个有16个直径为1.5mm小孔的检测火焰罩，每个孔的 中心先和三极光敏管光轴是重合的，这样可以将自然光影响消除。
0 引言
作为伺服系统的转轴位置和速度传感设备，旋转变压器(以下 简称旋变)具有坚固耐用、宽工作温度、抑制共模噪声等优点，能 够在严酷环境中稳定工作，广泛应用于轨道交通、新能源汽车以及 具有严格安全要求的航空等工业领域。目前针对旋变解码有两种解 码方法：一种是硬件的解码方法，主要是专用解码芯片--旋变数字 转换芯片(resolver to digital convertor,RDC)。这种芯片解码精度高， 且能够提供旋变所需的激励信号，但这种方法最大的缺点是成本 高，一片RDC甚至与旋变的价格相当。另一种是软件的解码方法， 可分为反正切法和角度跟踪法(angle tracking observer,ATO)。
打火机火焰源的不稳定。打火机属于低成本的产品，它是通过碰 撞的压电陶瓷引起电荷点火产生火焰，点火装置比较简单。关于检测 点着10s中的打火机火焰高度检测，在点着打火机火焰高度的瞬间是 比正常要高，而且也会出现闪烁情况。对于不稳定的火焰源来说，一 般选择20K样本频率数据系统采集光敏管信号，光敏管相应的时间存 在不稳定性。后期需要将粗大误差通过相关软件进行排除，来减少闪 烁现象造成的误差，从而保证检测火焰的高度数据准确性。 4.4 检测零位和打火机出口误差
气流给火焰稳定的影响。在实验测量中会因为环境气流的影 响，而扰动打火机火焰的稳定情况，造成三级光敏瞬间监测无法达 到火焰辐射探测广播，从而影响实验监测的火焰高度真实性，所以 为了减少气流扰动造成的数据误差。加 测量成本。比较经济性的解决对策就是使用相关仪器制造一个比较 封闭的空间，并考虑到自然光隔离问题，可以将仪器放在一个较为 封闭不透光的罩内。
图2 旋变输入、输出信号波形图
1 旋转变压器工作原理
图1所示说明了最常用旋变的工作原理，安装在旋变转子的激 励线圈输入高频激励信号Ve，产生交变磁场。正交安装在旋变定
图3 系统ATO模型图
（下转第167页）
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4.3 仪器精度完善 根据光敏管和火焰光源两者的特性和相对位置，受到外界环境
机械装置零位和打火机出火口瞄准是以相同水平安装为标准， 进行目测结果判断，这样会存在一定的误差，但是因为检测的打火 机火焰高度误差不是很大可以忽略不计。
4.5 光敏管接收光强度的影响因素 在使用光敏管时，不仅会受到接收光谱范围的影响，还会因为
物理尺寸产生影响。就是光通量接收理论的大小。光通量接收影响 因素包含：光源强度的分布，光敏管和光焰对应的为孩子，以及火 焰罩直径开孔的大小。经过实验，发现在直径火焰罩开孔是1.5mm 情况下，可以得到高于火焰正常10mm的结果。还有想要保证检测 结果的有效性，需要设置光敏管距离是2~3cm，这个距离检测可以 减少相邻光敏管信号接收的数据准确性。