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旋转变压器工作及解调原理

news 来源：原创 2025/5/10 11:41:37

旋转变压器

旋转变压器是一种精密的位置、速度检测装置，广泛应用在伺服控制、机器人、机械工具、汽车、电力等领域。但是，旋转变压器在使用时并不能直接提供角度或位置信息，需要特殊的激励信号和解调、计算措施，才能将旋转变压器信号处理得到位置信息。

旋转变压器按照极数、工作方式可分为多种，目前应用最为广泛的是单输入、双输出的无刷旋转变压器。它包含三个绕组，即一个转子绕组和两个定子绕组，两个定子绕组互为90°分布。

其工作原理是，将高频的正弦载波Vin通过耦合施加在转子绕组上，并耦合至次级定子绕组。

通过对两个耦合信号解调便可得到转子位置θ相关的信息，输入信号及对幅值进行调制的定子绕组输出信号表达如下：

Vin=V∙sinωt

Vout sin=K∙Vin∙sinθ=K∙V∙sin⁡(ωt+τ)∙sinθ

Vout cos=K∙Vin∙cosθ=K∙V∙sin⁡(ωt+τ)∙cosθ

两个定子绕组的调制输出信号的相位相差90度。通过解调将高频的载波成分去除后，可以获得Vsin和Vcos信号，据此可计算出电机的转子位置信息。

Vsin=K∙V∙sinθ

Vcos=K∙V∙cosθ

θ=arctan⁡(VsinVcos)

由此可看出，在获取旋转变压器位置信息的过程中需要三个要素：

1. 载波生成：产生高频的激励载波；

2. 高频采样：对返回的带有高频载波的信号进行采样；

3. 解耦计算：通过解耦去除高频载波信号，进而计算得到位置。

解调原理

在旋转变压器的位置信息获取过程中，关键一步是将带有高频载波的两相输出信号，解调成为只包含位置信息的正、余弦信号。如下示意图所示，解调过程分为6个步骤，实际应用中为1、4、6三个环节：

1.滤波。经过主滤波器后，将比特数据流转化为高分辨率的数据信号。具体的数据位数根据滤波器的阶数以及抽取率的不同而有所不同，这里假设每个得到的滤波结果为一个12位的数据结果。图中示例为360°周期内，共包含20个载波周期。

2.展开。为了去除载波分量，将任意一个载波周期展开如图步骤2所示。在图中可以看出，每个载波周期中，可以得到14个点，即14个12位的滤波结果（最后一个零点考虑为下一个载波周期中的点）。

3.符号。在载波信号产生的同时，会产生一个载波的符号信号，如图步骤3所示。当载波信号在正半周期时，符号信号为“+1”，当载波信号在负半周期时，符号信号为“-1”。

4.整形。整形器会根据符号信号的正负，将载波信号的负半周期进行翻转。当符号信号为“+1”时，若载波信号为正，则翻转为全正状态，类似于“电压整流”的过程。反之，则翻转为全负的状态。

5.聚拢。对每个载波周期进行整形后，得到的波形如图步骤5所示。此时，在位置的正半周期，所有的载波信号全部为正；同样在位置的负半周期，所有的载波信号全部为负。

6.积分。对步骤4所示的载波周期内的14个结果进行积分运算，便可得到一个累加和的结果。这个结果在图中表示为一个点。那么将整个位置周期中的20 个载波周期全部积分完成，便可得到20个点，如图步骤6所示，这样便得到了我们需要的正、余弦包络线信号。可用如下公式表示：

其中，φ=(ωt+τ) ，因此，经过整形和积分环节后，便可将高频的载波信号去除，并保留表征位置信息的正、余弦信号。

实现过程

在英飞凌XMC4500平台上，以TI公司的ADS1205作为前端调制器芯片进行模数转换，配合DSD模块为例，获取旋转变压器的位置信息的实现过程如下图所示，整个过程可分为8个部分：

1. 载波生成

载波生成部分主要确定载波的形状、频率和PWM 模式，生成的载波信号再经过滤波处理吼，产生更加平滑的载波信号。

2. 励磁电路

两个差分的载波信号从PWMP 和PWMN 引脚输出后，需经过励磁缓冲电路调整后，送入旋转变压器的励磁绕组中。励磁缓冲电路的主要作用是，调整偏置、调节比例、增强驱动能力等。

3. 返回电路

经过旋转变压器后，两个绕组的输出信号经过返回的缓冲电路送入前置调制器中。这里的缓冲电路主要起到调整偏置电压、隔离缓冲、调整比例、滤波整形的作用。经过缓冲电路送入前置调制器的电压应与调制器芯片的输入要求相匹配。如下图所示，所选的ADS1205 调制器输入范围为：单端电压为0-5V，差分电压为-2.5V~+2.5V。

因此，经过缓冲电路后，Sin 和/Sin 的信号应控制在0~2.5V范围内，从而使两端的差分电压保持在-2.5V~2.5V 间，，Cos 和/Cos 信号同上。其中，2.5V的偏置电压可由调制器芯片的参考电压经运放缓冲后接入。

4. 前端调制器

经过缓冲电路的正、余弦信号送入调制器的A、B通道中，输出一路时钟（Clock）和两路的比特数据流（Data）信号。本应用中，为了方便时钟同步，将ADS1205的时钟和COS 通道数据，引入DSD模块的通道2，将时钟和SIN通道数据，引入DSD模块的通道3中。

5. 滤波环节

经过调制的时钟和数据信号，直接送入DSD模块的主滤波器中。主滤波器的作用是将高频的、低分辨率（1位）的数据比特流信号转变为低频的、高分辨率的数字结果。这部分的内容包括：滤波器结构的选择、抽取系数的选取，以及结果的移位处理等。下图给出了一阶CIC（SINC）滤波器的结构示意图，它由一个积分器、一个抽取计数器和一个差分器构成。最大的优势在于只需要简单地加、减、抽取动作即可完成滤波，而无须乘法器。将这样的一阶SINC滤波器串联起来便可组成高阶的CIC（SINC）滤波器，即K阶CIC或SINCk可由K个1阶滤波器串联而成。DSD模块的主滤波器提供了1阶、2阶、3阶和全阶CIC的四种选择。

6. 整形环节

滤波得到的数字结果需要进行整形处理，将载波信号的负半周翻转，以便进行后续的积分运算。这部分需要注意的地方有两个：符号信号的产生和延迟时间的计算。

片上的载波生成单元在生成载波信号的同时，会自动产生出与载波信号相对应的符号信号，用以表征载波信号的正负半周。 “0”表示正半周期，“1”表示负半周期。由于产生的载波信号在传输过程中会由于缓冲电路、感性旋转变压器绕组以及滤波器的群延迟等因素造成返回信号中的载波分量和符号信号之间存在一定延迟，只有正确配置延迟时间后，可得到延迟后的符号信号由RECTCFGx.SGND位表示。至此，便得到了所需的符号信号SGND，整形器会根据SGND的状态自动将后半周的载波信号翻转成与前半周期符号相同的信号达到整形作用，整形后的波形如下图所示。

7. 积分环节

接下来的工作是设置合适的积分窗口，并对其中的滤波结果进行积分计算，将每个周期内周期变化的滤波结果累积成为一个数值结果。

8. 角度计算

经过积分环节之后，便可在所选的两个DSD通道的结果寄存器REMS中同时得到解调后的Sin和Cos结果。

在本应用示例中，结果每个SGND周期，即每个载波周期刷新一次。

得到Sin和Cos结果后，可通过软件进行位置信息的计算，目前常用的方法有两种：

反正切法，将Sin和Cos的结果代入反正切函数，从而求得位置角度。

- 抗噪声性能不好；

- 静态角度波动较大；

- 无额外延迟；

- 计算反正切时间长；

观测器法，通过角度观测器观测位置角度。

- 抗噪声性能较好；

- 静态角度稳定；

- 加减速时存在理论静差；

- 可同时产生速度观测值；

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