CN111726047B - 一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法,该方法包括以下步骤:步骤1:于芯片的CPU进行初始化并配置ADC模块以对旋转变压器进行信号采样;步骤2:对芯片的DMA的通道进行配置以将通过所述ADC模块采样得到的旋转变压器信号数据存储至所述eTPU模块中的数据RAM区域;步骤3:于所述eTPU模块中针对旋转变压器信号数据进行数据处理以对旋转变压器转子进行估计位置从而实现解码。与现有技术相比,本发明具有降低了系统成本和电路板的空间,提高了电路板的可靠性,独立于CPU计算单元从而降低了芯片的负荷率,并减小电机控制应用的时延,数据同步性更高,提高了高转速时解码的精确度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及旋转变压器技术领域,尤其是涉及一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法。
背景技术
旋转变压器是一种测量电机旋转角度的传感器。一般旋转变压器由定子和转子组成,对于可变磁阻旋变器,定子部分包含三个绕组:一个励磁绕组和两个两相绕组。固定在定子上的变压器的初级绕组受到正弦电流的激励,通过电磁感应在转子中感应电流。两相绕组以正确的角度(90°)固定在定子上,产生正弦和余弦反馈电流。两相电压的相对大小可以确定转子相对于定子的角度。
旋转变压器的激励信号是高频正弦信号,反馈的正、余弦信号则是高频调制信号。电机控制应用中需要对调制信号进行解码,得到角度信息。
在许多应用中,硬件数字转换器(RDC)被用于从解析器输出信号中提取转子位置。数字转换器的主要缺点是它的成本。目前有一些解码方式方法可以避免使用数字转换器,其中分为软件解码和硬件解码。目前硬件方式,如通过数字硬件现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)的解决方案许多已经成功应用于控制电机。使用单独生成信号发生器,和输出解调电路,然后通过线性化技术,可以瞬时确定转子角度。并需要FPGA的控制算法器。还有一些软件解决方法,如通过使用数字信号处理器DSP(DigitalSignal Processor)芯片。这种方法需要使用的独立信号源激励,并且要保证信号采样频率和输出激励信号均为10千赫兹。为了估计角转子位置,查找表方法与反正切函数一起使用。这种方法会增加控制处理器的软件负载,并且需要DSP芯片。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法,该方法包括以下步骤:
步骤1:于芯片的CPU进行初始化并配置ADC模块以对旋转变压器进行信号采样;
步骤2:对芯片的DMA的通道进行配置以将通过所述ADC模块采样得到的旋转变压器信号数据存储至所述eTPU模块中的数据RAM区域;
步骤3:于所述eTPU模块中针对旋转变压器信号数据进行数据处理以对旋转变压器转子进行估计位置从而实现解码。
进一步地,所述的芯片采用MPC57xx系列芯片。
进一步地,所述的步骤1包括以下分步骤:
步骤101:初始化所述芯片的CPU和ADC模块;
步骤102:针对所述ADC模块根据激励频率设置采样时钟、抽样速率以确保信号周期及对应数据更新次数;
步骤103:利用设置完毕后所述ADC模块针对旋转变压器进行信号采样。
进一步地,所述的步骤102中的信号周期为10.926KHz,对应数据更新次数为16次。
进一步地,所述的步骤2包括以下分步骤:
步骤201:配置多路所述芯片的DMA的通道于所述ADC模块与所述eTPU模块之间以分别传输所述旋转变压器的激励信号数据、正弦信号数据和余弦信号数据;
步骤202:配置另一路所述芯片的DMA的通道于所述ADC模块与所述eTPU模块中的数据RAM区域之间以触发所述eTPU模块的HSR寄存器;
步骤203:配置另一路所述芯片的DMA的通道于所述eTPU模块与所述CPU之间以触发所述eTPU模块的中断服务。
进一步地,所述的步骤3包括以下分步骤:
步骤301:于所述eTPU模块中针对旋转变压器信号数据进行相位同步以确定采样峰值的位置;
步骤302:根据所述旋转变压器信号数据中激励采样数据在采样峰值的位置的对应符号来判断是否对数据做符号调整,得到正弦及余弦峰值数据;
步骤303:利用正弦及余弦峰值数据于所述eTPU模块中最终得到所述旋转变压器转子的角度和速度数据解码信息。
进一步地,所述的步骤301具体包括:于所述eTPU模块中针对旋转变压器信号数据通过过零点算法进行相位同步以确定采样峰值的位置。
进一步地,所述的步骤302具体包括:根据所述旋转变压器信号数据中激励采样数据在采样峰值的位置的对应符号来判断是否对数据做符号调整,当符号为负时,对采样数据取相反数,当符号为正时,则不对采样数据作处理,并得到正弦及余弦峰值数据。
进一步地,所述的步骤303包括以下分步骤:
步骤3031:于所述eTPU模块中利用正弦及余弦峰值数据进行反正切查表;
步骤3032:利用相关算法针对反正切查表结果进行处理得到最终的所述旋转变压器转子的角度和速度数据解码信息。
进一步地,所述的步骤3032具体包括:利用角度跟踪观测器算法针对反正切查表结果进行处理得到最终的所述旋转变压器转子的角度和速度数据解码信息。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明方法采样eTPU功能模块实现解码处理,独立于CPU计算单元从而降低了芯片的负荷率,并减小电机控制应用的时延;
(2)本发明方法通过过零点校准算法,保证了峰值时刻的精确采样来实现的正弦波载波的正峰值,并采用角度跟踪观测器对转子进行估计位置,使得数据同步性更高,提高了高转速时解码的精确度;
(3))本发明方法通过采用MPC57xx系列芯片处理数据实现软件解码,不需要硬件旋变解码器,实现将功能集成在一个单片机中,降低了系统成本和电路板的空间,提高了电路板的可靠性。
附图说明
图1为本发明的同步控制软件解码流程图;
图2为本发明的芯片装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都应属于本发明保护的范围。
图1所示为本发明旋转变压器软件解码的具体流程。下面以一个采样周期内解码过程,结合图1对以下同步控制步骤进行详细描述:
第一步,先初始化完成对EDSADC的配置,采样频率174825Hz,一个信号周期16个采样数据,对应的信号周期为10.926KHz。激励的信号频率为10KHz,因为配置的采样周期为10.926KHz,和实际的激励信号有9.26%的相移。这个偏差会在同步处理时做调整。
第二步,对DMA的通道进行配置,选择三个DMA通道,信号源地址为ADC的结果寄存器的地址。同时链接一路DMA通道用来触发eTPU的HSR。配置此路eDMA的目的地址为eTPU的HSR(Host Service Request)寄存器。
第三步:等待数据更新:半个周期内,会有8个数据更新,利用更新的数据,采用过零点算法调整,确定采样峰值的位置。具体算法:选三个相邻数据为一组,当相邻采样数据的符号发生变化时,比如为负,正,正,或者负负,正,此时认为正负数之间为过零点,然后根据第一个符号变化位递增4个位置处位峰值。取峰值两旁三个数据的均值作为解码的信号数据。
第四步:根据激励采样数据在峰值点的符号来判断是否对数据做符号调整,当符号位负时,对采样数据取相反数。符号位正时,不处理。
第五步:在eTPU中利用SIN和COS两相的数据进行反正切得到初始,然后在算法处理得到最终的角度和速度。
如图2所示,本发明仅用一个带有eTPU模块的MPC57xx系列芯片的单片机实现旋转变压器的软件解码,并通过eTPU处理单元通过角度跟随器完成计算,应用于CPU中电机控制算法。本发明可由lauterbach TRACE32仿真旋变信号,进行软件解码,验证其可行性与准确性。
本发明利用MPC57xx系列芯片,通过利用三路ADC通道和五路DMA通道传输数据和触发eTPU中断服务,应用eTPU通道,做相位同步算法,即调整峰值采样点使得计算角度和速度值更精确。
具体实施例
(1)一种旋转变压器软件解码方法,该方法采用恩智浦NXP的MPC57xx系列芯片的eTPU模块实现旋变解码。eTPU(Enhanced Time Processor Uint)模块是一个可编程的I/O控制器,拥有自己的核心和内存系统,可以独立于CPU执行复杂的计时和I/O管理。首先通过配置使用单片机的模数转换器ADC(analog to digital converter)模块对激励信号和调制信号进行采样;然后配置直接存储器存取模块DMA()的通道传输采样数据存储到eTPU的数据RAM区域;最后在eTPU模块处理数据,通过使用采样数据峰值,然后角度跟踪观测器对转子进行估计位置,从而实现解码功能,所述的控制包括一下步骤:
a.在CPU初始化时配置ADC模块和DMA模块,根据激励频率为10k,设置采样时钟为15.38MHz,抽样速率44,从而实现10.9266KHz数据更新16次;FIF0到达8个字触发DMA请求中断。因此DMA在10.9266KHz产生两次中断请求;
b.在ADC触发DMA请求后,DMA将数据传到指定的eTPU数据RAM区域;在一个周期内分两次更新缓存区数据的一半。需要3路DMA用于传输激励信号数据,正弦信号数据和余弦信号采样数据。
c.配置链接一路DMA通道到旋变的SIN信号的DMA通道,并将该DMA的寄存器中的CITER(Current Major Iteration Count)写入eTPU数据RAM区域。该路eDMA通过写常量到eTPU的HSR(Host Service Request)寄存器中实现触发eTPU通道。
d.当eDMA数据的更新后并通过链接的eDMA通道触发eTPU处理单元,并传输DMA的CITER到eTPU,通过CITER来判断最新的数据的位置。采用过零点校准算法对峰值点的数据位置进行更新。如果不进行同步,因为激励信号为10kHz,数据采样频率为10.9266Hz,峰值点位置是变化的;
e.在采样完成的同时,通过DMA通过传递一个时间戳参数,该参数是通过在采样时刻的计时器时间和数据完成采样的时刻的计时器之间的差值计算得到,用于对角度信号做调整,保证在应用时角度的实时性。
f.最后根据正弦和余弦采样数峰值点处的数据做反正切查表,然后再用角度跟踪观测器算法对转子进行估计位置和速度。
(2)上述同步控制包括旋变装置和对应的旋变采样电路,确保信号的可靠性和稳定性。控制板采用MPC57xx系列芯片的单片机,使用单片机中DSADC和eDMA模块采样和传输数据,速度信息在eTPU中更新计算,然后在CPU里应使用数据进行电机控制算法。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1:于芯片的CPU进行初始化并配置ADC模块以对旋转变压器进行信号采样;
步骤2:对芯片的DMA的通道进行配置以将通过所述ADC模块采样得到的旋转变压器信号数据存储至eTPU模块中的数据RAM区域;
步骤3:于所述eTPU模块中针对旋转变压器信号数据进行数据处理以对旋转变压器转子进行估计位置从而实现解码;
所述的步骤2包括以下分步骤:
步骤201:配置多路所述芯片的DMA的通道于所述ADC模块与所述eTPU模块之间以分别传输所述旋转变压器的激励信号数据、正弦信号数据和余弦信号数据;
步骤202:配置另一路所述芯片的DMA的通道于所述ADC模块与所述eTPU模块中的数据RAM区域之间以触发所述eTPU模块的HSR寄存器;
步骤203:配置另一路所述芯片的DMA的通道于所述eTPU模块与所述CPU之间以触发所述eTPU模块的中断服务;
所述的步骤3包括以下分步骤:
步骤301:于所述eTPU模块中针对旋转变压器信号数据进行相位同步以确定采样峰值的位置;
步骤302:根据所述旋转变压器信号数据中激励采样数据在采样峰值的位置的对应符号来判断是否对数据做符号调整,得到正弦及余弦峰值数据;
步骤303:利用正弦及余弦峰值数据于所述eTPU模块中最终得到所述旋转变压器转子的角度和速度数据解码信息。
2.根据权利要求1所述的一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法,其特征在于,所述的芯片采用MPC57xx系列芯片。
3.根据权利要求1所述的一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法,其特征在于,所述的步骤1包括以下分步骤:
步骤101:初始化所述芯片的CPU和ADC模块;
步骤102:针对所述ADC模块根据激励频率设置采样时钟、抽样速率以确保信号周期及对应数据更新次数;
步骤103:利用设置完毕后所述ADC模块针对旋转变压器进行信号采样。
4.根据权利要求3所述的一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法,其特征在于,所述的步骤102中的信号周期为10.926KHz,对应数据更新次数为16次。
5.根据权利要求1所述的一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法,其特征在于,所述的步骤301具体包括:于所述eTPU模块中针对旋转变压器信号数据通过过零点算法进行相位同步以确定采样峰值的位置。
6.根据权利要求1所述的一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法,其特征在于,所述的步骤302具体包括:根据所述旋转变压器信号数据中激励采样数据在采样峰值的位置的对应符号来判断是否对数据做符号调整,当符号为负时,对采样数据取相反数,当符号为正时,则不对采样数据作处理,并得到正弦及余弦峰值数据。
7.根据权利要求1所述的一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法,其特征在于,所述的步骤303包括以下分步骤:
步骤3031:于所述eTPU模块中利用正弦及余弦峰值数据进行反正切查表;
步骤3032:利用相关算法针对反正切查表结果进行处理得到最终的所述旋转变压器转子的角度和速度数据解码信息。
8.根据权利要求7所述的一种适用于电机控制的旋转变压器软件解码方法,其特征在于,所述的步骤3032具体包括:利用角度跟踪观测器算法针对反正切查表结果进行处理得到最终的所述旋转变压器转子的角度和速度数据解码信息。
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