一种提高旋转变压器数字解码系统解码精度的方法

摘要

本发明涉及一种提高旋转变压器数字解码系统解码精度的方法，使用由旋转变压器、模数转换器/数据采集卡、单片机或可编程逻辑器件构成的系统；其特点是利用模数转换器或数据采集卡对旋转变压器输出的两路信号进行采样和转换，并选择至少12位的模数转换器或数据采集卡来对两路信号进行采集；对采集到的两路信号进行限幅数字滤波，并利用信号幅值补偿的算法对采集得到的信号进行了处理，再输入坐标旋转数字计算CORDIC算法处理器进行数据处理，以得到较高精度的旋转变压器数字解码。本发明使旋转变压器数字解码精度的得到显著提高。

说明书

技术领域

本发明属于数据采集系统的数据处理技术，主要是为提高旋转变压器数字 解码系统解码精度，涉及旋转变压器数字解码算法，特别是改善旋转变压器数 字解码算法精度的方法。

背景技术

旋转变压器具有高精度、高可靠性等特点，因而得到了广泛的应用。旋转 变压器的输出信号为两路模拟信号，通常利用专用解码芯片对其输出信号进行 解码并以此得到角度值。但这种方法有一些缺陷：专用芯片集成度低，需要配 置复杂的外围电路；专用芯片价格较高，限制了其应用范围。

一种低成本的替代方法是利用模数转换器或数据采集卡对旋转变压器的两 路输出信号进行同步采样并转换，然后利用单片机或可编程逻辑器件对这两路 采集的信号进行数字解码从而得到角度信息，一般利用CORDIC(坐标旋转数字 计算)算法进行解码运算。对这种方法解码精度有较大影响的因素主要有两点：

1、在单片机或可编程逻辑器件中实现CORDIC算法时，要进行多次移位运 算。移位运算过程中会丢弃低l位，l为每次迭代运算的移位位数。如果低l位都 为0，则不会对解码精度造成影响；如果低l位不全为0，则会由于输入幅值的 大小不同以及低l位中值1的权重不同对解码精度产生不同的影响，补偿前的移 位运算，如图1所示。

2、旋转变压器的输出信号为高频载波与低频调制波结合的形式，模数转换 器或数据采集卡如果在载波的过零点时刻采样，得到的信号幅值很小，这样会 大幅度地放大CORDIC算法移位运算低位丢失所造成的影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有一般通用的单片机或可编程逻辑器件进行数字解 码系统的解码精度不高，提供一种可以提高旋转变压器数字解码系统解码精度 的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种提高旋转变压器数字解码系统解码精度的方法，使用由旋转变压器、 模数转换器/数据采集卡、单片机或可编程逻辑器件构成的系统；其特征在于： 是利用模数转换器或数据采集卡对旋转变压器输出的两路信号进行采样和转 换，并选择至少12位的模数转换器或数据采集卡来对两路信号进行采集；对采 集到的两路信号进行限幅数字滤波，并利用信号幅值补偿的算法对采集得到的 信号进行了处理，再输入坐标旋转数字计算CORDIC算法处理器进行数据处理， 以得到较高精度的旋转变压器数字解码；其中，所述信号幅值补偿的算法为：

(1)、对采集到的两路信号(X_i,Y_i)的幅值大小进行比较，选出幅值较大的一 路，记为G:

G＝max{X_i,Y_i}

利用下式：

$K=\frac{2^{n-1}}{G}$

计算出增益K；

其中：n-表示模数转换器/数据采集卡最大有效位数。

(2)、将两路输入信号原来的值(X_i,Y_i)与前一步计算的增益K相乘，得到 信号幅值补偿后的信号为(X′_i,Y′_i)，并将这两路信号幅值补偿后的信号送入 CORDIC算法进行角度解码。

所述模数转换器的参考电压或数据采集卡的量程要比旋转变压器的输出信 号幅值大，以确保能对旋转变压器的最大输出信号幅值进行采集。

本发明与现有技术比较,使旋转变压器数字解码精度的得到显著提高。

说明书附图

图1是本发明中的旋转变压器数字解码采集数据处理系统组成图。

图2是本发明中旋转变压器数字解码采集数据处理系统的数据处理流程图。

图3是本发明中数据处理的补偿算法补偿流程图。

图4是本发明中数据处理的补偿前的移位运算图。

图5是本发明中数据处理的补偿补偿后的移位运算图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明采用的旋转变压器数字解码采集数据处理系统，由旋 转变压器、模数转换器/数据采集卡、单片机或可编程逻辑器件构成，如图2所 示，该系统框图信号处理流程图。本发明是利用信号幅值补偿的算法对采集得 到的信号进行了处理，再输入CORDIC(坐标旋转数字计算)算法处理器，从而 得到较高的旋转变压器数字解码精度的方法，如图3所示，为本发明中信号幅 值补偿的算法补偿流程图。其中：

1、首先，利用模数转换器或数据采集卡对旋转变压器输出的两路信号进行 采样和转换。注意采样时需要使用两路同时采样的模数转换器或者数据采集卡， 这样才能确保得到的两路信号不会有较大的相位误差，从而得到最准确的信号。 其次，为保证系统能达到较高的精度，通常选择12位以上的模数转换器或数据 采集卡来对两路信号进行采集。然后，要求模数转换器的参考电压要比旋转变 压器的输出信号幅值大，以确保能对旋转变压器的最大输出信号幅值进行采集。

2、对采集到的两路信号进行数字滤波，滤波算法使用限幅滤波法。即：当 前采集的信号(X_i,Y_i)与前一次采集的信号(X_i-1,Y_i-1)之差的绝对值必定小于波 峰与波谷幅值之差的量化绝对值|(X_max,Y_max)|，也就是下式：

$\left(\begin{array}{c}|X_i-X_{i-1}|<\left|X_{\max }\right|\\ |Y_i-Y_{i-1}|<\left|Y_{\max }\right|\end{array}\right)$

上式中，|(X_max,Y_max)|的值可以根据所选择的数据类型或者寄存器位数计算出 来。如果判断出两路信号不满足这个条件，则丢弃这对数据，转而进行下一次 采集。通过这个滤波算法可以有效滤除因由外部电路引起的脉冲尖峰干扰信号。

3、信号幅值补偿的算法：对采集到的两路信号(X_i,Y_i)的幅值大小进行比较， 选出幅值较大的一路，记为G:

G＝max{X_i,Y_i}

利用下式：

$K=\frac{2^{n-1}}{G}$

计算出增益K。

其中：n-表示模数转换器/数据采集卡最大有效位数。

将两路输入信号原来的值(X_i,Y_i)与前一步计算的增益K相乘，得到信号幅 值补偿后的信号为(X′_i,Y′_i)，并将这两路信号幅值补偿的算法后的信号送入 CORDIC算法进行角度解码。信号幅值补偿后的信号幅值大小接近但不会超过 CORDIC算法允许的最大输入信号，因此可以极大程度地降低因CORDIC算法的移 位运算而产生的误差，且不会因迭代累加而产生溢出。

实验结果表明，精确地计算出增益K与只计算出增益K的整数部分，二者解 码的结果之差小于CORDIC算法处理最大位数的1LSB。所以增益K的计算并不需 要太精确，利用取模运算就能实现，这在目前现有的任何微控制器或可编程逻 辑器件上都是非常容易实现的。

如图4所示，为CORDIC算法在信号幅值补偿前的移位运算。

如图5所示，为信号幅值补偿后的移位运算。

本发明的方法由于考虑到在采集旋转变压器输出信号时有可能出现过零点 采样的情况，并分析了CORDIC算法在进行移位运算时会造成低位丢失的问题， 得出二者的叠加会对解码的精度造成极大的影响的结论。

针对这种情况，本发明对采集到的信号根据其幅值大小进行了不同的补偿， 从而将CORDIC算法中每一次迭代的最大移位误差由降低到了 其中，l为移位位数，m为补偿前的采样值最大有效位数，n为模 数转换器或数据采集卡的位数，m＞l且n>m。

表1是现有技术与使用本发明的方法后的补偿前后的旋转变压器数字解码 精度的对比数据。

表1补偿前后的解码精度对比

通过以上数据的比较，旋转变压器数字解码精度的得到显著提高。