基于fpga的旋转变压器线性变换方法及变换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 旋转变压器工作时需要给定一个l_15kHz的高频正弦信号UmSin ( 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a Umsin( Θ ) 和aUmc〇S(0)。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。
[0004] 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
【主权项】
1. 一种基于FPGA的旋转变压器线性变换方法，其特征是，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aUmSin(0)和一路余弦信号aUmcos(0)，对其进行归一化处理，移除幅值得到： Si=sin(白） S2=cos(白） 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, 2JT]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(|Sj，IS2US3US4I)，由于正弦信号在零点附近有 sine>0，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0的初步估计化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[0,231 ]上16段区间的伪线 性信号，进行W下操作：第化-1段区间上的伪线性信号向上平移（n-1) 31/4,第化段区间 上的伪线性信号Wy=nJT/8为轴作轴对称的映射，其中n=1，2,…8,具体表述为： 在（n-1) 3i/4< 0《（2n-l) 3T/8 区间，取
在 曲-1) 31/8《0《nJi/4区间，取
该样由伪线性信 号得到角度0的初步估计值
2. 如权利要求1所述的基于FPGA的旋转变压器线性变换方法，其特征是，还包括对 為;进行补偿校正步骤；选取一个与误差变化规律类似的非线性信号对得到的伪线性信号 min(ISj，IS2US3US41)进行补偿，采用如下校正算法：用
代替步骤4中的min(|Sj，IS2US3US4I)进行同样的操作，其中，k是一个由选取的 系数能够使校正后的估计值^与真实值之间的误差最小。
3. 如权利要求1所述的基于FPGA的旋转变压器线性变换方法，其特征是，平均分成8 个部分具体为：将Si〉0,S2〉0,S3〉0,S4<0的区段划分为pO,将Si〉0,S2〉0,S3〉0,S4〉0的区段划 分为pl，将Si〉0,S2<0,S3〉0,S4〉0的区段划分为p2,将Si〉0,S2<0,S3<0,S4〉0的区段划分为 p3,将Si<0,S2<0,S3<0,S4〉0 的区段划分为p4,将Si<0,S2<0,S3<0,S4<0 的区段划分为p5,将Si<0,S2〉0,S3<0,S4<0的区段划分为p6,将Si<0,S2〉0,S3〉0,S4<0的区段划分为p7,并进行相 应的编码标记不同的区间。
4. 一种基于FPGA的旋转变压器线性变换器，其特征是，结构为：在FPGA上集成有如下 模块；解调器模块、数学运算模块、逻辑电路模块、角度值计算模块，解调器模块生成如下信 号： Si=sin(白） S2=cos(白） 两路信号相加并进行一定的幅值调整之后得到：
两路信号相减并进行相应的幅值调整之后得到：
逻辑电路模块用于将解调器模块生成的4路信号进行分区；根据四路信号的符号和幅 值大小把整个周期[0,231 ]平均分成8个部分，并进行相应的编码； 数学运算模块用于；将四路信号取绝对值，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；minOSiUSsI，ISsI，ISj)，由于正弦信号在零点附近有sine>0， 则每一个伪线性线段具有近似1或-1的斜率； 角度值计算模块用于得到角度0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，将得到的每个区间再平均分成两段，对于经过细分后[0,231 ]上16段区间的 伪线性信号，进行W下操作：第化-1段区间上的伪线性信号向上平移（n-1)n/4,第化段 区间上的伪线性信号Wy=n31 /8为轴作轴对称的映射，其中n=1，2,…8,具体表述为： 在（n-1)3i/4< 0《（2n-l)3T/8区间，取
，在 曲-1) 31/8《0《nJi/4区间，巧
，该样由伪线性信 号得到角度0的初步估计值谷。
5. 如权利要求4所述的基于FPGA的旋转变压器线性变换器，其特征是，还包括补 偿校正模块，用于：选取一个与误差变化规律类似的非线性信号对得到的伪线性信号 min(ISj，IS2US3US41)进行补偿，采用如下校正算法：用
代替min(|Sj，IS2US3US4I)进行如下操作：根据得到的伪线性信号处于上升段还 是下降段，将得到的每个区间再平均分成两段，对于经过细分后[0,231 ]上16段区间的伪 线性信号，进行W下操作：第化-1段区间上的伪线性信号向上平移（n-1) 31/4,第化段区 间上的伪线性信号Wy=n31 /8为轴作轴对称的映射，其中n= 1，2,…8,其中，k是一个由 选取的系数能够使校正后的估计值^与真实值之间的误差最小。
6. 如权利要求4所述的基于FPGA的旋转变压器线性变换器，其特征是，逻辑电路模块 具体结构为；Si、S2、S3和S4四路信号取符号后分别得到Sgi、Sg2、Sg3和S,4。Sgi取反后得到 bit2;S取反后和Sg进行与运算，S取反后和S进行与计算，该两路信号经过或口后得 到biti;S取反后和S进行与运算，S取反后和S进行与运算，S和S进行与运算，S,2 取反与Sg4取反进行与运算，该四路信号经过或口后得到bit。，即：
该样bitsbitibit。构成的二进制数就代表了pO到p7走个区间的分区信息编码。
7. 如权利要求4所述的基于FPGA的旋转变压器线性变换器，其特征是，逻辑电路还包 括判断伪线性信号处于上升段还是下降段的判别部分，判别部分结构为： 在pO和p4区间，IS2I和权|经过比较器，大于零则输出1，小于零则输出0; 在pi和p5区间，|Ssl和|Si|经过比较器，大于零则输出1，小于零则输出0; 在p2和p6区间，|Si|和|Sj经过比较器，大于零则输出1，小于零则输出0; 在p3和p7区间，|Sj和长|经过比较器，大于零则输出1，小于零则输出0。
【专利摘要】本发明涉及旋转变压器的解码算法，为克服噪声敏感、输出滞后、资源占用多等传统方法的一系列问题，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的旋转变压器线性变换方法及变换器，包括下列步骤：步骤1：获取四路不同相位正余弦信号步骤2：根据四路信号的符号和幅值大小把整个周期平均分成8个部分；步骤3：对步骤1中得到的四路信号取绝对值；步骤4：得到角度θ的初步估计值。本发明主要应用于旋转变压器的设计制造。
【IPC分类】H02P6-16
【公开号】CN104796051
【申请号】CN201510186177
【发明人】左志强, 李耀, 王一晶, 朱志岐
【申请人】天津大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月17日