(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201510236275.X
(22)申请日 2015.05.11
H02P 7/00(2006.01)
H02P 21/14(2006.01)
(71)申请人哈尔滨工业大学
地址150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大
直街92号
(72)发明人郭闯强 吴春亚 邹添 倪风雷
刘宏
(74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事
务所 23109
代理人
张利明
(54)发明名称
法
(57)摘要
基于旋转变压器的直流电机控制器及控制方
法，属于直流电机控制中旋转变压器技术领域。本
发明是为了解决现有旋转变压器输出的位置信息
转换过程复杂，造成应用范围受限的问题。控制
器包括控制器、DA 转换器、放大器、旋转变压器、
生成单元、峰值检测单元和电机控制单元；电机
控制方法中励磁信号生成单元产生正弦励磁信号
时，峰值检测单元获得正弦励磁信号的正峰值或
负峰值产生时刻，锁存峰值产生时刻旋转变压器
输出的正弦绕组电压信号和余弦绕组电压信号；
电机控制单元根据旋转变压器转动角度正弦值和
余弦值进行计算，生成驱动电路驱动控制信号，进
而实现对电机的控制。本发明用于直流电机的控
制。(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书6页 附图2页
(10)申请公布号CN 104796053 A (43)申请公布日2015.07.22
C N 104796053
A
1.一种基于旋转变压器的直流电机控制器，其特征在于，它包括控制器(1)、DA转换器
(2)、放大器(3)、旋转变压器(4)、旋变AD转换器(5)和驱动电路(7)，
控制器(1)包括励磁信号生成单元(1-1)、峰值检测单元(1-2)和电机控制单元(1-3)，
励磁信号生成单元(1-1)用于产生旋转变压器(4)的正弦励磁信号，励磁信号生成单元(1-1)的数字信号输出
端连接DA转换器(2)的数字信号输入端，DA转换器(2)的模拟信号输出端连接放大器(3)的模拟信号输入端，放大器(3)的放大信号输出端连接旋转变压器(4)励磁绕组的励磁信号输入端，旋转变压器(4)的正弦绕组信号输出端连接旋变AD 转换器(5)的第一模拟信号输入端，旋转变压器(4)的余弦绕组信号输出端连接旋变AD转换器(5)的第二模拟信号输入端，旋变AD转换器(5)的锁存控制信号输入端连接峰值检测单元(1-2)的锁存控制信号输出端，峰值检测单元(1-2)用于检测励磁信号生成单元(1-1)产生的正弦励磁信号的峰值时刻并根据该峰值时刻获得锁存控制信号；
旋变AD转换器(5)的第一数字信号输出端连接电机控制单元(1-3)的第一数字信号输入端，旋变AD转换器(5)的第二数字信号输出端连接电机控制单元(1-3)的第二数字信号输入端；电机控制单元(1-3)的驱动控制信号输出端连接驱动电路(7)的驱动控制信号输入端，驱动电路(7)用于驱动电机(6)运行，电机(6)的转轴连接旋转变压器(4)的转轴。
2.根据权利要求1所述的基于旋转变压器的直流电机控制器，其特征在于，它还包括电流AD转换器(8)和电流传感器(9)，
电流传感器(9)用于采集电机(6)的输入电流信号，电流传感器(9)的电流信号输出端连接电流AD转换器(8)的电流信号输入端，电流AD转换器(8)的锁存控制信号输入端连接峰值检测单元(1-2)的锁存控制信号输出端，电流AD转换器(8)的电流信号输出端连接电机控制单元(1-3)的电流信号输入端。
3.基于权利要求1所述基于旋转变压器的直流电机控制器的基于旋转变压器的直流电机控制方法，其特征在于，励磁信号生成单元(1-1)产生正弦励磁信号时，峰值检测单元(1-2)获得该正弦励磁信号的正峰值或负峰值产生时刻，并产生锁存控制信号给旋变AD转换器(5)，以锁存正峰值或负峰值产生时刻旋转变压器(4)输出的正弦绕组电压信号和余弦绕组电压信号；
电机控制单元(1-3)根据离线标定的正弦绕组电压信号幅值计算获得旋转变压器(4)的转子相对于其定子转动角度所对应的正弦值；电机控制单元(1-3)根据离线标定的余弦绕组电压信号幅值计算获得旋转变压器(4)的转子相对于其定子转动角度所对应的余弦值；
电机控制单元(1-3)根据所述旋转变压器(4)的转子相对于其定子转动角度所对应的正弦值和旋转变压器(4)的转子相对于其定子转动角度所对应的余弦值进行计算，生成驱动电路(7)驱动控制信号，进而实现对电机(6)的控制。
4.根据权利要求3所述的基于旋转变压器的直流电机控制方法，其特征在于，旋转变压器(4)的转子相对于其定子所转动角度所对应的正弦值和余弦值的获得方法为：根据作为正弦励磁信号的正弦波与余弦波的关系，确定余弦波由正值变为负值时对应正弦波的正的峰值时刻，余弦波由负值变为正值时对应正弦波的负的峰值时刻，确定旋变AD转换器(5)的锁存采样时刻；
首先正弦励磁信号的正弦波及其同时生成的余弦波计算公式的离散形式如下：
式中s1[n]为当前时刻正弦励磁信号值，c1[n]为与当前时刻正弦励磁信号值同时生成的余弦信号值：
s1[n+1]为当前时刻的下一时刻正弦励磁信号值，c1[n+1]为与当前时刻的下一时刻正弦励磁信号值同时生成的余弦信号值：ωc 为正弦励磁信号的频率；
设定正弦励磁信号V ref 为：
V ref ＝Vsin(ωc t)，
式中V 为正弦励磁信号的幅值，t 为时间；
则AD 转换器(5)在锁存采样时刻采集获得的旋转变压器(4)输出的正弦绕组电压信号V sin 和余弦绕组电压信号V cos 为：
V cos ＝KV ref cos(θ)＝Asin(ωc t)cos(θ)，
V sin ＝KV ref sin(θ)＝Asin(ωc t)sin(θ)，
式中K 为旋转变压器的变比，A 为旋转变压器输出信号的幅值，θ为电机转子相对于定子的转角；
在sin(ωc t)峰值时刻，sin(ωc t)＝1，则旋转变压器(4)输出的正弦绕组电压信号V sin 和余弦绕组电压信号V cos 变形为：
V cos ＝Acos(θ)，
V sin ＝Asin(θ)，
进而获得旋转变压器(4)的转子相对于其定子所转动角度所对应的正弦值sin(θ)和余弦值cos(θ)为：
cos(θ)＝V cos /A，
sin(θ)＝V sin /A。
基于旋转变压器的直流电机控制器及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及基于旋转变压器的直流电机控制器及控制方法，属于直流电机控制中旋转变压器技术领域。
背景技术
[0002] 旋转变压器是一种基于电磁感应原理的位置传感器，具有体积小、质量轻、功耗低、寿命长、抗干扰能力强等优点，在机器人、自动化设备、雷达、卫星等领域得到了非常广泛的应用。旋转变压器输出的是模拟信息，在使用中，为了获得精确的数字信息，通常采用专用的旋转变压器-数字转换芯片RDC来实现转换。由于RDC需要占用的面积较大，会增大控制器和整个系统的体积和质量，因此，探索其它技术方案来获取旋转变压器位置信息的技术非常重要。现有的基于软件的旋转变压器信息获取方法，均需要复杂的运算，应用范围受到了较大的限制。
发明内容
[0003] 本发明目的是为了解决现有旋转变压器输出的位置信息转换过程复杂，造成应用范围受限的问题，提供了一种基于旋转变压器的直流电机控制器及控制方法。
[0004] 本发明所述基于旋转变压器的直流电机控制器，它包括控制器、DA转换器、放大器、旋转变压器、旋变AD转换器和驱动电路，
[0005] 控制器包括励磁信号生成单元、峰值检测单元和电机控制单元，
[0006] 励磁信号生成单元用于产生旋转变压器的正弦励磁信号，励磁信号生成单元的数字信号输出端连接DA转换器的数字信号输入端，DA转换器的模拟信号输出端连接放大器的模拟信号输入端，放大器的放大信号输出端连接旋转变压器励磁绕组的励磁信号输入端，旋转变压器的正弦绕组信号输出端连接旋变AD转换器的第一模拟信号输入端，旋转变压器的余弦绕组信号输出端连接旋变AD转换器的第二模拟信号输入端，旋变AD转换器的锁存控制信号输入端连接峰值检测单元的锁存控制信号输出端，峰值检测单元用于检测励磁信号生成单元产生的正弦励磁信号的峰值时刻并根据该峰值时刻获得锁存控制信号；[0007] 旋变AD转换器的第一数字信号输出端连接电机控制单元的第一数字信号输入端，旋变AD转换器的第二数字信号输出端连接电机控制单元的第二数字信号输入端；电机控制单元的驱动控制信号输出端连接驱动电路的驱动控制信号输入端，驱动电路用于驱动电机运行，电机的转轴连接旋转变压器的转轴。
[0008] 它还包括电流AD转换器和电流传感器，
[0009] 电流传感器用于采集电机的输入电流信号，电流传感器的电流信号输出端连接电流AD转换器的电流信号输入端，电流AD转换器的锁存控制信号输入端连接峰值检测单元的锁存控制信号输出端，电流AD转换器的电流信号输出端连接电机控制单元的电流信号输入端。
[0010] 基于旋转变压器的直流电机控制器的基于旋转变压器的直流电机控制方法，励磁
信号生成单元产生正弦励磁信号时，峰值检测单元获得该正弦励磁信号的正峰值或负峰值产生时刻，并产生锁存控制信号给旋变AD转换器，以锁存正峰值或负峰值产生时刻旋转变压器输出的正弦绕组电压信号和余弦绕组电压信号；
[0011] 电机控制单元根据离线标定的正弦绕组电压信号幅值计算获得旋转变压器的转子相对于其定子转动角度所对应的正弦值；电机控制单元根据离线标定的余弦绕组电压信号幅值计算获得旋转变压器的转子相对于其定子转动角度所对应的余弦值；
[0012] 电机控制单元根据所述旋转变压器的转子相对于其定子转动角度所对应的正弦值和旋转变压器的转子相对于其定子转动角度所对应的余弦值进行计算，生成驱动电路驱动控制信号，进而实现对电机的控制。
[0013] 旋转变压器的转子相对于其定子所转动角度所对应的正弦值和余弦值的获得方法为：
[0014] 根据作为正弦励磁信号的正弦波与余弦波的关系，确定余弦波由正值变为负值时对应正弦波的正的峰值时刻，余弦波由负值变为正值时对应正弦波的负的峰值时刻，确定旋变AD转换器的锁存采样时刻；
[0015] 首先正弦励磁信号的正弦波及其同时生成的余弦波计算公式的离散形式如下：
[0016]
[0017] 式中s1[n]为当前时刻正弦励磁信号值，c1[n]为与当前时刻正弦励磁信号值同时生成的余弦信号值：
[0018] s1[n+1]为当前时刻的下一时刻正弦励磁信号值，c1[n+1]为与当前时刻的下一时刻正弦励磁信号值同时生成的余弦信号值：ω
c
为正弦励磁信号的频率；
[0019] 设定正弦励磁信号V ref为：
[0020] V ref＝Vsin(ωc t)，
[0021] 式中V为正弦励磁信号的幅值，t为时间；
[0022] 则AD转换器在锁存采样时刻采集获得的旋转变压器输出的正弦绕组电压信号
V sin 和余弦绕组电压信号V
cos
为：
[0023] V cos＝KV ref cos(θ)＝Asin(ωc t)cos(θ)，
[0024] V sin＝KV ref sin(θ)＝Asin(ωc t)sin(θ)，
[0025] 式中K为旋转变压器的变比，A为旋转变压器输出信号的幅值，θ为电机转子相对于定子的转角；
[0026] 在sin(ωc t)峰值时刻，sin(ωc t)＝1，则旋转变压器输出的正弦绕组电压信号
V sin 和余弦绕组电压信号V
cos
变形为：
[0027] V cos＝Acos(θ)，
[0028] V sin＝Asin(θ)，
[0029] 进而获得旋转变压器的转子相对于其定子所转动角度所对应的正弦值sin(θ)和余弦值cos(θ)为：
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