一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法

摘要

本发明公开了一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法，包括数据采集与缓冲模块(1)、单频率点S变换模块(2)、信号解码模块(3)等3个功能模块；数据采集与缓冲模块(1)将采集的旋转变压器的激励、正弦和余弦3路信号数据采用循环寻址方式存储于各自缓冲区，每个缓冲区的长度设为100K；单频率点S变换模块(2)自适应从各缓冲区截取5K~50K的数据长度，依次对3个数据序列做单频率点S变换并求其模向量；信号解码模块(3)根据单频率点S变换模块(2)计算的3个模向量，计算得出旋转变压器的角度向量，实现旋转变压器的解码；本发明提供了一种精确的旋转变压器解码方法。

说明书

技术领域

本发明涉及旋转变压器信号处理领域，特别涉及一种旋转变压器信号解码方法。

背景技术

目前，高性能的永磁同步电机控制一般采用空间矢量控制技术，该技术的成功运用需要获取准确的电机转子位置。旋转变压器具有位置检测精度高、可靠耐用和抗干扰性能好等特点，在永磁同步伺服系统等领域得到广泛应用。旋转变压器输出的两路信号并不直接反映位置信息，而是幅值变化的模拟信号，对其进行角度解码进而实现速度等参数的计算是一个难题。

现有的旋转变压器解码方法一般采用专用解码芯片实现，但这些芯片相对比较昂贵，并且针对这些芯片需要设计复杂的接口电路，增加了系统的设计难度。随着通用DSP技术的发展，旋转变压器的软件解码方法越来越受到关注。针对旋转变压器的软件解码方法主要包括反三角函数法、查表法、基于锁相环的角度跟踪法和基于励磁信号的角度解码方法等。上述方法在一定程度上存在精度不高和容易受噪声影响等缺点，有必要开发一种更高性能的软件解码方法。

不完全S变换具有直观的时频特性，对噪声不敏感，在非同步采样条件下，能够精确分析信号特定频率成分的幅值。旋转变压器的激励信号可看作载波，两路输出信号可看成用正、余弦信号对其进行调制后的结果，所以激励信号、正弦信号、余弦信号的主要频率成分是相同。旋转变压器精确解码的关键就是从正弦信号和余弦信号精确解析出调制幅值。因本发明在不完全S变换中只针对信号频谱的单个主要频率点进行运算，故称该不完全S变换为单频率点S变换。利用单频率点S变换解析出相关信号主要频率成分的动态幅值，进而解码旋转变压器的角度值，并进一步完成速度等参数的计算。

发明内容

本发明提供一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法，通过单频率点S变换解析出旋转变压器输出信号的动态幅值，进而解码出旋转变压器的角度值和速度值，本发明能提高旋转变压器软件解码的准确性和抗干扰性。

一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法，包括数据采集与缓冲模块(1)、单频率点S变换模块(2)、信号解码模块(3)，所述3个功能模块依次联系实现旋转变压器信号的实时精确解码；数据采集与缓冲模块(1)将采集的旋转变压器的激励信号、正弦信号和余弦信号3路信号数据采用循环寻址方式存储于各自缓冲区，每个缓冲区的长度设为100K，单频率点S变换模块(2)自适应从各缓冲区截取5K~50K的数据长度，依次对3个数据序列做单频率点S变换并求其模向量；信号解码模块(3)根据单频率点S变换模块(2)求解的3个模向量，计算得出旋转变压器的角度向量。

所述一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法，其单频率点S变换模块(2)只针对信号主频率点进行S变换的后续计算步骤，主频率点由旋转变压器激励信号FFT频谱的峰值确定。

所述一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法，其单频率点S变换模块(2)采用自适应方式截取数据长度进行单频率点S变换，即：

其中f_s表示采样频率，P_n-1表示上一次截取的数据中包含由信号解码模块(3)得到的角度向量的完整2π>

所述一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法，其信号解码模块(3)求取角度向量的具体步骤如下：

S1：提取由单频率点S变换模块(2)计算得到的激励信号、正弦信号和余弦信号的模向量，分别记为V₁、V₂和V₃，进入步骤S2；

S2：判断模向量V₂和V₃差值向量的极性是否存在变化，若有变化，表示旋转变压器处于转动状态，进入步骤S3，若无变化，表示旋转变压器处于静止状态，则进入步骤S6，旋转变压器的运动状态S_r由下式表示：

S3：通过下式求得旋转变压器的不带象限标识的角度向量θ₀：

式中atan( )为求反正切函数，进入步骤S4；

S4：由位于向量θ₀的峰谷中点附近的激励信号的峰值判断向量θ₀各峰谷区间段所处的象限，并形成象限标识向量Q_f，具体判断公式如下：

式中m₁、m₂和m₃分别表示激励信号、正弦信号、余弦信号在对应区间段的峰值，sign(>

S5：根据象限标记系数P_q和角度修正系数P_c求得旋转变压器的角度向量θ>

不同象限P_q和P_c的采用下式取值：

进入步骤S6；

S6：旋转变压器的转向通过运动状态S_r和象限标识向量Q_f的差分累加值极性进行判断，具体如下式：

式中sum(>diff(>

S7：旋转变压器的转速V>

式中P_n表示总数据长度包含的完整2π周期数，f_s表示采样频率，N_p表示P_n个完整2π周期包含的数据点数；

S8：退出模块，等待新一轮的计算。

所述一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法，其数据采集与缓冲模块(1)采集的数据采用循环寻址方式存储于缓冲区，采集的最新数据覆盖最老的数据；为获取缓冲区中未处理数据的长度，设置未处理数据计数器，每采集一个新数据，未处理数据计数器加1，在单频率点S变换模块(2)截取一段数据后将未处理数据计数器的值减去截取的数据长度，当未处理数据计数器大于单频率点S变换模块(2)需要截取数据的长度时，再依次启动单频率点S变换模块(2)和信号解码模块(3)运算。

附图说明

图1为本发明的功能模块及流程图。

图2为本发明的实施举例说明。

具体实施方式

为解决旋转变压器软件精确解码问题，本发明提供一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法，以下结合附图对本发明的优选实施实例进行阐述，需要说明的是，优选实施实例是为了进一步说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1为本发明所述一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法的功能模块及流程图。

如图1所示，一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法，包括数据采集与缓冲模块(1)、单频率点S变换模块(2)、信号解码模块(3)，所述3个功能模块依次联系实现旋转变压器信号的实时精确解码；数据采集与缓冲模块(1)将采集的旋转变压器的激励信号、正弦信号和余弦信号3路信号数据采用循环寻址方式存储于各自缓冲区，每个缓冲区的长度设为100K，单频率点S变换模块(2)自适应从各缓冲区截取5K~50K的数据长度，依次对3个数据序列做单频率点S变换并求其模向量；信号解码模块(3)根据单频率点S变换模块(2)求解的3个模向量，计算得出旋转变压器的角度向量。

在图1中，粗线表示需要对3路数据依次进行处理，而细线只需处理1次。

图1所示单频率点S变换模块(2)只针对信号主频率点进行S变换的后续计算步骤，主频率点由旋转变压器激励信号FFT频谱的峰值确定；因FFT频谱的共轭对称性，检测FFT频谱峰值时只对前半频段进行搜索。

图1中单频率点S变换模块(2)采用自适应方式截取数据长度进行单频率点S变换，即：

其中f_s表示采样频率，P_n-1表示上一次截取的数据中包含由信号解码模块(3)得到的角度向量的完整2π>

在旋转变压器为静止状态时，P_n=>

图1所示的一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法，其信号解码模块(3)求取角度向量的具体步骤如下：

S1：提取由单频率点S变换模块(2)计算得到的激励信号、正弦信号和余弦信号的模向量，分别记为V₁、V₂和V₃，进入步骤S2；

S2：判断模向量V₂和V₃差值向量的极性是否存在变化，若有变化，表示旋转变压器处于转动状态，进入步骤S3，若无变化，表示旋转变压器处于静止状态，则进入步骤S6，旋转变压器的运动状态S_r由下式表示：

S3：通过下式求得旋转变压器的不带象限标识的角度向量θ₀：

式中atan( )为求反正切函数，进入步骤S4；

S4：由位于向量θ₀的峰谷中点附近的激励信号的峰值判断向量θ₀各峰谷区间段所处的象限，并形成象限标识向量Q_f，具体判断公式如下：

式中m₁、m₂和m₃分别表示激励信号、正弦信号、余弦信号在对应区间段的峰值，sign(>

S5：根据象限标记系数P_q和角度修正系数P_c求得旋转变压器的角度向量θ>

不同象限P_q和P_c的采用下式取值：

进入步骤S6；

S6：旋转变压器的转向通过运动状态S_r和象限标识向量Q_f的差分累加值极性进行判断，具体如下式：

式中sum(>diff(>

S7：旋转变压器的转速V>

式中P_n表示总数据长度包含的完整2π周期数，f_s表示采样频率，N_p表示P_n个完整2π周期包含的数据点数；

S8：退出模块，等待新一轮的计算。

所述一种采用单频率点S变换的旋转变压器信号解码方法，其数据采集与缓冲模块(1)采集的数据采用循环寻址方式存储于缓冲区，采集的最新数据覆盖最老的数据；为获取缓冲区中未处理数据的长度，设置未处理数据计数器，每采集一个新数据，未处理数据计数器加1，在单频率点S变换模块(2)截取一段数据后将未处理数据计数器的值减去截取的数据长度，当未处理数据计数器大于单频率点S变换模块(2)需要截取数据的长度时，再依次启动单频率点S变换模块(2)和信号解码模块(3)运算。

如图2为本发明的实施举例说明，在实施例中，图2(a)为旋转变压器的原始信号，包括激励信号、正弦信号和余弦信号，信号采样频率f_s=100KHz，因上次计算周期内有5个完整2π周期，故截取的数据长度为10K。

图2(b)为3路原始数据经单频率点S变换模块(2)运算后得到模向量，其中激励信号模向量幅值保持不变，正弦信号和余弦信号模向量随旋转变压器转动其幅值动态变化。

图2(c)为由象限判断计算公式计算得到的象限标识向量Q_f，其值随旋转变压器转动而在四个象限内转换。

图2(d)为根据象限标记系数P_q和角度修正系数P_c求得旋转变压器的角度向量θ，此即为旋转变压器信号解码的角度值。

以上所述的本发明的实施方式，并非成为本发明保护范围的限定，倘若对本发明实施方式进行各种变形或修改，但尚在本发明的精神和原则之内，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。