基于fpga的旋轉變壓器線性變換方法及變換器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及旋轉變壓器的解碼算法，并利用FPGA實現這一算法，屬于電子信息技 術領域。具體講，涉及基于FPGA的旋轉變壓器線性變換方法和變換器。
【背景技術】
[0002] 旋轉變壓器是一種電磁式的絕對位置傳感器，其結構和原理如圖1所示，其實質 是一種測量角度用的小型交流電機，用來測量旋轉物體的轉軸角位移，由與定子側相連的 原邊繞組和與轉子側相連的副邊繞組組成。它的工作原理與普通變壓器基本類似，區別在 于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數，而旋 轉變壓器的原邊、副邊繞組隨轉子的角位移發生相對位置的轉變，因而其輸出電壓的大小 隨轉子角位移變化而變化，輸出電壓的幅值隨轉子角位移而發生變化，與轉子角位移成正 弦、余弦函數關系。由于旋轉變壓器的成本低、穩定性好、抗干擾能力強，它被廣泛應用于多 種檢測系統和伺服系統中。
[0003] 旋轉變壓器工作時需要給定一個l_15kHz的高頻正弦信號UmSin ( Θ )作為激磁信 號。旋轉變壓器相當于一個調制器，它將角位置信息調制到輸入的高頻激磁信號中，然后通 過定子側輸出。所以由旋轉變壓器輸出獲取角位置信號的第一步就是將高頻的載波移除， 也就是解調，通過解調之后就可以得到與待測角度相關的信號。常用的通過峰值采樣實現 解調的方法如圖2所示。解調之后可以得到兩路和角位置相關的正余弦型信號a Umsin( Θ ) 和aUmc〇S(0)。為了得到準確的角位置信息，需要把以上兩路正余弦信號轉換為0-360° 的線性信號，這就是旋轉變壓器解碼算法設計的目的。
[0004] 由以上正余弦信號獲取絕對位置信息最簡單的方法是進行反正切運算，即
【主權項】
1. 一種基于FPGA的旋轉變壓器線性變換方法，其特征是，包括下列步驟： 步驟1;獲取四路不同相位正余弦信號：旋轉變壓器輸出信號解調之后會得到一路正 弦信號aUmSin(0)和一路余弦信號aUmcos(0)，對其進行歸一化處理，移除幅值得到： Si=sin(白） S2=cos(白） 根據正余弦信號的固有性質，兩路信號相加并進行一定的幅值調整之后得到：
同樣的方式，兩路信號相減并進行相應的幅值調整之后得到：
步驟2 ;根據四路信號的符號和幅值大小把整個周期[0, 2JT]平均分成8個部分，并進 行相應的編碼； 步驟3;對步驟1中得到的四路信號取絕對值，然后再對取絕對值后的信號進行取 小運算，得到一個偽線性信號；min(|Sj，IS2US3US4I)，由于正弦信號在零點附近有 sine>0，則每一個偽線性線段具有近似1或-1的斜率； 步驟4;得到角度0的初步估計化根據得到的偽線性信號處于上升段還是下降段， 將步驟2中得到的每個區間再平均分成兩段，對于經過細分后[0,231 ]上16段區間的偽線 性信號，進行W下操作：第化-1段區間上的偽線性信號向上平移（n-1) 31/4,第化段區間 上的偽線性信號Wy=nJT/8為軸作軸對稱的映射，其中n=1，2,…8,具體表述為： 在（n-1) 3i/4< 0《（2n-l) 3T/8 區間，取
在 曲-1) 31/8《0《nJi/4區間，取
該樣由偽線性信 號得到角度0的初步估計值
2. 如權利要求1所述的基于FPGA的旋轉變壓器線性變換方法，其特征是，還包括對 為;進行補償校正步驟；選取一個與誤差變化規律類似的非線性信號對得到的偽線性信號 min(ISj，IS2US3US41)進行補償，采用如下校正算法：用
代替步驟4中的min(|Sj，IS2US3US4I)進行同樣的操作，其中，k是一個由選取的 系數能夠使校正后的估計值^與真實值之間的誤差最小。
3. 如權利要求1所述的基于FPGA的旋轉變壓器線性變換方法，其特征是，平均分成8 個部分具體為：將Si〉0,S2〉0,S3〉0,S4<0的區段劃分為pO,將Si〉0,S2〉0,S3〉0,S4〉0的區段劃 分為pl，將Si〉0,S2<0,S3〉0,S4〉0的區段劃分為p2,將Si〉0,S2<0,S3<0,S4〉0的區段劃分為 p3,將Si<0,S2<0,S3<0,S4〉0 的區段劃分為p4,將Si<0,S2<0,S3<0,S4<0 的區段劃分為p5,將Si<0,S2〉0,S3<0,S4<0的區段劃分為p6,將Si<0,S2〉0,S3〉0,S4<0的區段劃分為p7,并進行相 應的編碼標記不同的區間。
4. 一種基于FPGA的旋轉變壓器線性變換器，其特征是，結構為：在FPGA上集成有如下 模塊；解調器模塊、數學運算模塊、邏輯電路模塊、角度值計算模塊，解調器模塊生成如下信 號： Si=sin(白） S2=cos(白） 兩路信號相加并進行一定的幅值調整之后得到：
兩路信號相減并進行相應的幅值調整之后得到：
邏輯電路模塊用于將解調器模塊生成的4路信號進行分區；根據四路信號的符號和幅 值大小把整個周期[0,231 ]平均分成8個部分，并進行相應的編碼； 數學運算模塊用于；將四路信號取絕對值，然后再對取絕對值后的信號進行取小運算， 得到一個偽線性信號；minOSiUSsI，ISsI，ISj)，由于正弦信號在零點附近有sine>0， 則每一個偽線性線段具有近似1或-1的斜率； 角度值計算模塊用于得到角度0的初步估計值=根據得到的偽線性信號處于上升段 還是下降段，將得到的每個區間再平均分成兩段，對于經過細分后[0,231 ]上16段區間的 偽線性信號，進行W下操作：第化-1段區間上的偽線性信號向上平移（n-1)n/4,第化段 區間上的偽線性信號Wy=n31 /8為軸作軸對稱的映射，其中n=1，2,…8,具體表述為： 在（n-1)3i/4< 0《（2n-l)3T/8區間，取
，在 曲-1) 31/8《0《nJi/4區間，巧
，該樣由偽線性信 號得到角度0的初步估計值谷。
5. 如權利要求4所述的基于FPGA的旋轉變壓器線性變換器，其特征是，還包括補 償校正模塊，用于：選取一個與誤差變化規律類似的非線性信號對得到的偽線性信號 min(ISj，IS2US3US41)進行補償，采用如下校正算法：用
代替min(|Sj，IS2US3US4I)進行如下操作：根據得到的偽線性信號處于上升段還 是下降段，將得到的每個區間再平均分成兩段，對于經過細分后[0,231 ]上16段區間的偽 線性信號，進行W下操作：第化-1段區間上的偽線性信號向上平移（n-1) 31/4,第化段區 間上的偽線性信號Wy=n31 /8為軸作軸對稱的映射，其中n= 1，2,…8,其中，k是一個由 選取的系數能夠使校正后的估計值^與真實值之間的誤差最小。
6. 如權利要求4所述的基于FPGA的旋轉變壓器線性變換器，其特征是，邏輯電路模塊 具體結構為；Si、S2、S3和S4四路信號取符號后分別得到Sgi、Sg2、Sg3和S,4。Sgi取反后得到 bit2;S取反后和Sg進行與運算，S取反后和S進行與計算，該兩路信號經過或口后得 到biti;S取反后和S進行與運算，S取反后和S進行與運算，S和S進行與運算，S,2 取反與Sg4取反進行與運算，該四路信號經過或口后得到bit。，即：
該樣bitsbitibit。構成的二進制數就代表了pO到p7走個區間的分區信息編碼。
7. 如權利要求4所述的基于FPGA的旋轉變壓器線性變換器，其特征是，邏輯電路還包 括判斷偽線性信號處于上升段還是下降段的判別部分，判別部分結構為： 在pO和p4區間，IS2I和權|經過比較器，大于零則輸出1，小于零則輸出0; 在pi和p5區間，|Ssl和|Si|經過比較器，大于零則輸出1，小于零則輸出0; 在p2和p6區間，|Si|和|Sj經過比較器，大于零則輸出1，小于零則輸出0; 在p3和p7區間，|Sj和長|經過比較器，大于零則輸出1，小于零則輸出0。
【專利摘要】本發明涉及旋轉變壓器的解碼算法，為克服噪聲敏感、輸出滯后、資源占用多等傳統方法的一系列問題，實現旋轉變壓器高精度的角位置輸出，且具有良好的性能。為此，本發明采取的技術方案是，基于FPGA的旋轉變壓器線性變換方法及變換器，包括下列步驟：步驟1：獲取四路不同相位正余弦信號步驟2：根據四路信號的符號和幅值大小把整個周期平均分成8個部分；步驟3：對步驟1中得到的四路信號取絕對值；步驟4：得到角度θ的初步估計值。本發明主要應用于旋轉變壓器的設計制造。
【IPC分類】H02P6-16
【公開號】CN104796051
【申請號】CN201510186177
【發明人】左志強, 李耀, 王一晶, 朱志岐
【申請人】天津大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月17日