旋变信号补偿方法、装置及旋转变压器与流程

本发明属于电机驱动与控制技术领域，尤其涉及旋变信号补偿方法及装置。

背景技术：

旋转变压器(简称旋变)是一种电磁式传感器，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子绕组和转子绕组组成。其中定子绕组作为旋转变压器的原边，转子绕组作为旋转变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。

旋变的信号解调和角度解码比较复杂，通常使用专用集成ic芯片或软件方式实现旋变角度的解码。如果旋变的设计或安装不理想，或者旋变正余弦信号处理电路一致性不够理想，就会导致解码得到的旋变角度出现谐波分量。而传统的电机控制系统通常直接以ic芯片解码或软件解码得到的旋变角度作为电机的原始转子角度，这样旋变角度中的谐波分量会直接引入到电机控制系统中，对电机控制系统的性能造成影响，严重时甚至会引起电机输出转矩振荡或出现过流故障。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的在于提供旋变信号补偿方法、装置及旋转变压器，以解决转子角度信号中的谐波分量对电机控制系统造成的影响，具体的技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种电机旋变信号补偿方法，包括：

对旋转变压器测得的原始转子角度信号进行傅里叶变换，得到所述原始转子角度信号中待补偿谐波的谐波信息，所述谐波信息包括谐波幅值、阶次和相位偏移量；

利用所述旋转变压器测得的角速度，上一采样周期补偿后的转子角度，以及待补偿谐波的谐波信息，计算得到所述待补偿谐波的实际相位；

依据所述待补偿谐波的实际相位以及该待补偿谐波的幅值得到该待补偿谐波对应的待补偿角度；

利用所述原始转子角度信号，以及各个待补偿谐波的待补偿角度之和，得到补偿后的转子角度信号。

可选地，利用所述旋转变压器测得的角速度，上一采样周期补偿后的转子角度，以及待补偿谐波的谐波信息，计算得到所述待补偿谐波的实际相位，包括：

利用所述旋转变压器测得的角速度及上一采样周期补偿后的转子角度及待补偿谐波的阶次，计算得到所述待补偿谐波的基准相位；

利用所述待补偿谐波的基准相位，以及所述待补偿谐波的相位偏移量，计算得到所述待补偿谐波的实际相位。

可选地，利用所述旋转变压器测得的角速度及上一采样周期补偿后的转子角度及待补偿谐波的阶次，计算得到所述待补偿谐波的基准相位，包括：

利用所述旋转变压器测得的角速度及采样周期计算得到转子在一个采样周期内转过的角度；

将所述转子在一个采样周期内转过的角度与上一采样周期补偿后的转子角度叠加，得到当前采样周期测得的原始转子角度信号的基波相位；

计算所述基波相位与所述待补偿谐波的阶次的乘积得到所述待补偿谐波的基准相位。

可选地，依据所述待补偿谐波的实际相位以及该待补偿谐波的幅值得到该待补偿谐波对应的待补偿角度，包括：

计算所述待补偿谐波的实际相位的正弦函数值，以及计算该正弦函数值与所述待补偿谐波的幅值的乘积，得到所述待补偿谐波对应的待补偿角度。

可选地，利用所述原始转子角度信号，以及各个待补偿谐波的补偿角度信号之和，得到补偿后的转子角度信号，包括：

计算所述原始转子角度信号与各个待补偿谐波的待补偿角度总和之间的差值，得到当前采样周期对应的补偿后的转子角度。

第二方面，本申请还提供了一种旋变信号补偿装置，包括：

变换模块，用于对旋转变压器测得的原始转子角度信号进行傅里叶变换，得到所述原始转子角度信号中待补偿谐波的谐波信息，所述谐波信息包括谐波幅值、阶次和相位偏移量；

谐波相位获取模块，用于利用所述旋转变压器测得的角速度，上一采样周期补偿后的转子角度，以及待补偿谐波的谐波信息，计算得到所述待补偿谐波的实际相位；

补偿角度获取模块，用于依据所述待补偿谐波的实际相位以及该待补偿谐波的幅值得到该待补偿谐波对应的待补偿角度；

角度补偿模块，用于利用所述原始转子角度信号，以及各个待补偿谐波的待补偿角度之和，得到补偿后的转子角度信号。

可选地，谐波相位获取模块包括：

谐波基准相位获取子模块，用于利用所述旋转变压器测得的角速度及上一采样周期补偿后的转子角度及待补偿谐波的阶次，计算得到所述待补偿谐波的基准相位；

谐波实际相位获取子模块，用于利用所述待补偿谐波的基准相位，以及所述待补偿谐波的相位偏移量，计算得到所述待补偿谐波的实际相位。

可选地，谐波基准相位获取子模块，具体用于：

利用所述旋转变压器测得的角速度及采样周期计算得到转子在一个采样周期内转过的角度；

将所述转子在一个采样周期内转过的角度与上一采样周期补偿后的转子角度叠加，得到当前采样周期测得的原始转子角度信号的基波相位；

计算所述基波相位与所述待补偿谐波的阶次的乘积得到所述待补偿谐波的基准相位。

可选地，所述补偿角度获取模块，具体用于：

计算所述待补偿谐波的实际相位的正弦函数值，以及计算该正弦函数值与所述待补偿谐波的幅值的乘积，得到所述待补偿谐波对应的待补偿角度。

第三方面，本申请还提供了一种旋转变压器，包括：转子、定子、解码器和角度谐波抑制模块；

所述转子和定子用于测量与所述转子同步旋转的被测对象的转子的旋转角度和速度；

所述解码器用于对所述转子角度和角速度进行解码得到所述被测对象的原始转子角度和角速度；

所述角度谐波抑制模块用于执行第一方面任一项所述的电机旋变信号补偿方法。

本申请提供的旋变信号补偿方法，将原始转子角度信号进行傅里叶变换，得到原始转子角度信号中待补偿谐波的谐波信息。根据当前测得的角速度、上一采样周期补偿后的转子角度，以及待补偿谐波的谐波信息得到待补偿谐波的实际相位。进而根据待补偿谐波的实际相位和幅值得到待补偿谐波对应的待补偿角度。最后，依据各个待补偿谐波的待补偿角度对原始转子角度信号进行角度补偿，得到补偿后的转子角度信息，并作为电机的转子角度输入至下一级控制中。由此可见，该方案针对测得的转子角度信号中包含的谐波分量进行补偿，得到补偿后的转子角度，从而抑制了转子角度信号中的谐波分量，进而避免谐波分量对电机控制系统造成影响，以便改善电机控制系统的性能，提高电机的输出转矩稳定性，以及提高电机的三相输出电流的平衡性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种旋变信号补偿方法的流程图；

图2是本申请实施例提供的一种获取待补偿谐波对应的实际相位过程的流程图；

图3是本申请实施例提供的补偿前的转子角度信号对应的波形示意图；

图4是本申请实施例提供的补偿后的转子角度信号对应的波形示意图；

图5是本申请实施例提供的转子角度信号补偿前，电机的输出转矩对应的波形示意图；

图6是本申请实施例提供的转子角度信号补偿后，电机的输出转矩对应的波形示意图；

图7是本申请实施例提供的转子角度信号补偿前，电机的三相输出电流对应的波形示意图；

图8是本申请实施例提供的转子角度信号补偿后，电机的三相输出电流对应的波形示意图；

图9是本申请实施例提供的一种旋变信号补偿装置的结构示意图。

具体实施方式

旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组相对固定，所以输出电压输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边绕组跟随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移的变化而变化，输出绕组的电压幅值与转子角度成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。

如果旋转变压器解码得到的转子角度中包含谐波分量，谐波分量会直接引入到电机控制系统中，从而对电机控制系统的性能造成影响。为了解决该技术问题，本申请提供了旋变信号补偿方法，将旋转变压器的转子安装在电动机的转子上，与之同步旋转，得到的旋变经过特定的解码方式(集成ic解码或者软件解码)得到原始转子角度信号和速度信号，然后获得转子角度信号中包含的待补偿谐波所对应的待补偿角度，利用各个待补偿谐波对应的待补偿角度对原始转子角度信号进行角度补偿，得到补偿后的转子角度，作为后级的电机控制的输入量。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，示出了本申请实施例提供的一种旋变信号补偿方法的流程图，该方法可以应用于旋转变压器中，或者也可以应用于与旋转变压器相互独立的功能模块中。

如图1所示，该方法可以包括以下步骤：

s110，对旋转变压器测得的原始转子角度信号进行傅里叶变换，得到原始转子角度信号中待补偿谐波的谐波信息。

旋转变压器测得的信号经过解码后得到转子角度和角速度，其中得到的转子角度即电机的原始转子角度信号。对该原始转子角度信号进行傅里叶变换后得到原始转子角度信号中需要补偿的谐波信息。其中，谐波信息包括谐波幅值、阶次和相位偏移量。

需要说明的是，旋转变压器测得的转子角度是电角度信号，并非机械角度信号。

在本申请的一个实施例中，获取待补偿谐波的谐波信息的过程如下：

首先，将电机的转速拖动至一定的转速spdref，旋变采样得到原始转子角度angleraw，然后根据当前的转速和采样的周期ts人为地构造一个理想的电机角度锯齿波angleideal，由于spdref和ts可看成定值，因此angleideal即为理想的不含谐波的锯齿波波形。然后定义angleerr＝angleraw–angleideal，利用fft工具对angleerr进行傅里叶分析，即可得到待补偿谐波的幅值、阶次和相位偏移量等信息。一般地，利用傅里叶分析后，谐波分布比较分散，即在一个比较广的频带范围内都会有分布，谐波分量的幅值越大对基波影响越大，谐波分量的幅值越小对基波影响也越小。因此，只需针对原始转子角度转换得到的谐波分量的幅值较大的谐波进行补偿，例如，3次谐波和5次谐波。

s120，利用旋转变压器测得的角速度，上一采样周期补偿后的转子角度，以及待补偿谐波的谐波信息，计算得到待补偿谐波的实际相位。

在本申请的一个实施例中，首先确定待补偿谐波的基准相位，然后，根据待补偿谐波的基准相位和待补偿谐波的相位偏移量得到该待补偿谐波的实际相位。

由于原始角度中含有各次谐波分量，如果直接将其作为待补偿谐波的基准相位会导致无法准确获得待补偿各次谐波的相位信息。因此，可以利用旋转变压器测得的电机转子的角速度，以及上一采样周期补偿后的转子角度计算得到基波相位，再根据转子角度的基波相位计算得到待补偿谐波对应的基准相位。

在本申请的一个实施例中，如图2所示，获得待补偿谐波对应的实际相位的过程如下：

s121，利用旋转变压器测得的角速度及采样周期计算得到转子在一个采样周期内转过的角度；

其中，假设旋转变压器测得的电机的角速度为motspd，单位为rad/s；旋转变压器的采样周期为ts，单位为s；ts·motspd即电机转子在一个采样周期内转过的角度。

s122，将转子在一个采样周期内转过的角度与上一采样周期补偿后的转子角度叠加，得到当前采样周期测得的原始转子角度信号的基波相位；

假设上一采样周期测得的转子角度信号进行补偿后得到补偿后的转子角度信号anglecomp(k-1)，则当前采样周期的原始转子角度信号的基波相位是(anglecomp(k-1)+ts·motspd)。

s123，计算基波相位与待补偿谐波的阶次的乘积得到待补偿谐波的基准相位。

原始转子角度信号的基波相位乘以该信号所包含谐波的阶次即该谐波对应的基准相位。

假设待补偿谐波的阶次为hrmcorder(i)，其中，i为整整且0≤i＜n，n表示需要补偿的谐波个数，例如，当n＝3时，表示需要补偿的谐波有三个，例如，分别是3、5、7次谐波，则i＝0时，hrmcorder(i)＝3；i＝1时，hrmcorder(i)＝5；i＝2时，hrmcorder(i)＝7。

待补偿谐波对应的基准相位是hrmcorder(i)·(anglecomp(k-1)+ts·motspd)。

s124，利用待补偿谐波的基准相位，以及待补偿谐波的相位偏移量，计算得到所述待补偿谐波的实际相位。

待补偿谐波的相位偏移量是指通过fft工具对原始转子角度信号进行傅里叶变换分析得到的谐波信号的相位，记为hrmcphase(i)，此处的谐波相位是指谐波信号偏离其对应的基准相位的偏移相位，即相位偏移量。因此，将同一谐波信号对应的基准相位与相位偏移量叠加即可得到该谐波信号的实际相位，即(hrmcorder(i)·(anglecomp(k-1)+ts·motspd))+hrmcphase(i)。

s130，依据待补偿谐波的实际相位以及该待补偿谐波的幅值得到该待补偿谐波对应的待补偿角度。

得到待补偿谐波的实际相位后，利用谐波的实际相位和幅值能够计算得到该待补偿谐波对应的待补偿角度。

利用以下公式即可计算得到某一待补偿谐波对应的待补偿角度：

hrmcamp(i)·sin(hrmcorder(i)·(anglecomp(k-1)+ts·motspd)+hrmcphase(i))；

其中，hrmcamp(i)表示第i个待补偿谐波对应的幅值。

利用该公式能够计算得到各个待补偿谐波对应的待补偿角度。

s140，利用原始转子角度信号，以及各个待补偿谐波的待补偿角度之和，得到补偿后的转子角度信号。

首先，利用以下公式计算得到各个待补偿谐波对应的待补偿角度总和：

然后，利用以下公式计算原始转子角度信号与各个待补偿谐波对应的待补偿角度总和与之间的差值，得到当前周期对应的补偿后的转子角度信号anglecomp(k)：

最后，将该补偿后的转子角度信号作为下一级控制的输入。

请参见图3～图8，示出了电机在400hz频率运行时，本申请提供的旋变信号补偿方法前后，转子角度信号、电机输出转矩和电机三相输出电流的波形对比图。

对比图3和图4可知，对电机的转子角度信号补偿之前，由于旋变器输出的转子角度信号包含谐波信号，如图3所示角度波形不是完美的锯齿波。而采用本申请的旋变信号补偿方法对转子角度信号的谐波分量进行抑制之后，电机的转子角度信号的波形为如图4所示的完美锯齿波。

对比图5和图6可知，对电机的转子角度信号补偿之前，由于转子角度信号中包含谐波信号引入电机的控制系统中，导致电机的输出转矩不稳定，如图5所示，电机的输出转矩波动较大；而采用本申请的旋变信号补偿方法对转子角度信号的谐波分量进行抑制之后，最终使电机的输出转矩平稳，如图6所示，电机的输出转矩波动较小。

对比图7和图8可知，对电机的转子角度信号补偿之前，由于转子角度信号中包含谐波信号引入电机的控制系统中，导致电机的三相输出电流不平衡，如图7所示，三相输出电流的幅值相差较大；而采用本申请的旋变信号补偿方法对转子角度信号的谐波分量进行抑制之后，最终电机的三相输出电流平衡，如图8所示，三相输出电流的幅值基本相等。

由图3～图8可见，采用本申请提供的旋变信号补偿方法，能够抑制转子角度信号中的谐波含量，从而改善电机的输出转矩稳定性以及改善电机的三相输出电流的平衡性。

本实施例提供的旋变信号补偿方法，将原始转子角度信号进行傅里叶变换，得到原始转子角度信号中待补偿谐波的谐波信息。根据当前测得的角速度、上一采样周期补偿后的转子角度，以及待补偿谐波的谐波信息得到待补偿谐波的实际相位。进而根据待补偿谐波的实际相位和幅值得到待补偿谐波对应的待补偿角度。最后，依据各个待补偿谐波的待补偿角度对原始转子角度信号进行角度补偿，得到补偿后的转子角度信息，并作为电机的转子角度输入至下一级控制中。由此可见，该方案针对测得的转子角度信号中包含的谐波分量进行补偿，得到补偿后的转子角度，从而抑制了转子角度信号中的谐波分量，进而避免谐波分量对电机控制系统造成影响，以便改善电机控制系统的性能，提高电机的输出转矩稳定性，以及提高电机的三相输出电流的平衡性。

相应于上述的电机旋变信号补偿方法实施例，本申请还提供了电机旋变信号补偿装置实施例。

请参见图9，示出了本申请实施例提供的一种旋变信号补偿装置的结构示意图，该装置应用于旋转变压器内。如图9所示，该装置包括：变换模块110、谐波相位获取模块120、补偿角度获取模块130和角度补偿模块140。

变换模块110，用于对旋转变压器测得的原始转子角度信号进行傅里叶变换，得到所述原始转子角度信号中待补偿谐波的谐波信息，所述谐波信息包括谐波幅值、阶次和相位偏移量；

谐波相位获取模块120，用于利用所述旋转变压器测得的角速度，上一采样周期补偿后的转子角度，以及待补偿谐波的谐波信息，计算得到所述待补偿谐波的实际相位；

在本申请的一个实施例中，谐波相位获取模块120包括：谐波基准相位获取子模块和谐波实际相位获取子模块。

谐波基准相位获取子模块，用于利用所述旋转变压器测得的角速度及上一采样周期补偿后的转子角度及待补偿谐波的阶次，计算得到所述待补偿谐波的基准相位。

其中，谐波基准相位获取子模块，具体用于：

利用所述旋转变压器测得的角速度及采样周期计算得到转子在一个采样周期内转过的角度；将所述转子在一个采样周期内转过的角度与上一采样周期补偿后的转子角度叠加，得到当前采样周期测得的原始转子角度信号的基波相位；计算所述基波相位与所述待补偿谐波的阶次的乘积得到所述待补偿谐波的基准相位。

谐波实际相位获取子模块，用于利用所述待补偿谐波的基准相位，以及所述待补偿谐波的相位偏移量，计算得到所述待补偿谐波的实际相位。

补偿角度获取模块130，用于依据所述待补偿谐波的实际相位以及该待补偿谐波的幅值得到该待补偿谐波对应的待补偿角度；

在本申请的一个实施例中，补偿角度获取模块130，具体用于：

计算待补偿谐波的实际相位的正弦函数值，以及计算该正弦函数值与待补偿谐波的幅值的乘积，得到待补偿谐波对应的待补偿角度。

角度补偿模块140，用于利用所述原始转子角度信号，以及各个待补偿谐波的待补偿角度之和，得到补偿后的转子角度信号。

其中，角度补偿模块140具体用于：计算原始转子角度信号与各个待补偿谐波的待补偿角度总和之间的差值，得到当前采样周期对应的补偿后的转子角度。

本实施例提供的旋变信号补偿装置，将原始转子角度信号进行傅里叶变换，得到原始转子角度信号中待补偿谐波的谐波信息。根据当前测得的角速度、上一采样周期补偿后的转子角度，以及待补偿谐波的谐波信息得到待补偿谐波的实际相位。进而根据待补偿谐波的实际相位和幅值得到待补偿谐波对应的待补偿角度。最后，依据各个待补偿谐波的待补偿角度对原始转子角度信号进行角度补偿，得到补偿后的转子角度信息，并作为电机的转子角度输入至下一级控制中。由此可见，该方案针对测得的转子角度信号中包含的谐波分量进行补偿，得到补偿后的转子角度，从而抑制了转子角度信号中的谐波分量，进而避免谐波分量对电机控制系统造成影响，以便改善电机控制系统的性能，提高电机的输出转矩稳定性，以及提高电机的三相输出电流的平衡性。

又一方面，本申请实施例还提供了旋转变压器，该旋转变压器包括：转子、定子、解码器和角度谐波抑制模块；

通过转子和定子用于测量与该转子同步旋转的被测对象的转子的旋转角度和速度；所述解码器用于对所述转子角度和角速度进行解码得到所述被测对象的原始转子角度和角速度。

其中，被测对象可以是电动机等。

角度谐波抑制模块用于执行上述任一种所述的电机旋变信号补偿方法实施例。

本方案提供的旋转变压器，对测得的转子角度信号中包含的谐波分量进行补偿，得到补偿后的转子角度，从而抑制了转子角度信号中的谐波分量，进而避免谐波分量对电机控制系统造成影响，以便改善电机控制系统的性能，提高电机的输出转矩稳定性，以及提高电机的三相输出电流的平衡性。

对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本申请各实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本申请各实施例中的装置及终端中的模块和子模块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的终端，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的终端实施例仅仅是示意性的，例如，模块或子模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个子模块或模块可以结合或者可以集成到另一个模块，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的模块或子模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块或子模块的部件可以是或者也可以不是物理模块或子模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块或子模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块或子模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块或子模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块或子模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块或子模块集成在一个模块中。上述集成的模块或子模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块或子模块的形式实现。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。