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旋转变压器信号的标定与解调

张健

【摘要】针对检波后信号存在直流偏置、幅值不等和相位偏移等问题,采用梯度估

计算法,对检波后的包络信号进行离线标定;并设计了基于状态观测器的旋转变压器-

数字转换(RDC)算法,对标定后的包络信号进行解调.试验结果表明,梯度估计算法收

敛速度快,估计精度高.与反正切法相比,所设计的RDC算法不需通过数值差分即可

获得角速度信息,干扰抑制能力强,角位置和角速度估计精度高.

【期刊名称】《自动化仪表》

【年(卷),期】2014(035)009

【总页数】5页(P5-8,13)

【关键词】旋转变压器;伺服传感器;梯度估计;角速度估计;最小二乘法

【作者】张健

【作者单位】青岛农业大学机械电子工程学院,山东青岛266109

【正文语种】中文

【中图分类】TM383

针对旋转变压器检波后信号通常存在直流偏置、幅值不等和相位偏移的问题,常采

用的标定方法有:峰-峰值检测法[1]、神经网络法[2]、Heydemann法[3-4]。其中,

峰-峰值检测法未考虑相移,神经网络法在实际应用中受限制。本文在Heydemann

法的基础上,利用梯度估计法替代最小二乘法,对检波后信号进行补偿。

旋转变压器常用解调方法有反正切法[5-7]和角度跟踪法[8-10]。反正切法由于差

分运算的引入,角速度误差较大。角度跟踪法具有一定滤波作用,抗干扰能力强,但在

信号频率快速变化时仍存在一定的估计误差。本文设计了基于状态观测器的解调算

法。该算法能同时估计出转子角位置和角速度信息,避免了差分运算对噪声的放大

作用,对模型不确定性及干扰有较强的适应性,且实现容易。

目前,常用的无刷旋转变压器由旋转变压器本体和附加变压器两部分组成。

施加在附加变压器源绕组上的励磁信号为:

通过电磁耦合,信号将传递至旋转变压器本体的转子绕组。若励磁频率ωex远高于

转子电角频率ωe,旋转变压器副绕组的输出信号可近似描述为励磁信号与转子电角

位置θe正余弦值的乘积,即:

式中:k为旋转变压器变压比;E为励磁信号幅度;θm为转子角位置;p为极对数。

实际应用中,由于受众多非理想因素(如旋转变压器的机械构造、电路不对称)的影响,

旋转变压器检波后的包络信号并非理想的完全正交信号,而是存在直流偏置、幅值

不等和相位偏移。检波后信号可描述为:

式中:as、ac为增益系数;β为相位偏移;bs、bc为直流偏置。

此时若直接对信号进行解调,必将造成较大的误差。可先通过离线方式求取式(3)中

的各未知量,进而对包络信号进行补偿。

式(3)可改写为:

设:

则

取目标函数为:

设为X的估计值,选取Lyapunov函数为:

对式(9)求导,整理可得:

式中:

设η为大于零的常数,取:

则有:

f()将沿梯度方向收敛到零。根据x1～x5的表达公式,可估计出as、ac、bs、bc、

β的值。利用式(4)便可得到标定后的旋转变压器包络信号。

设经补偿、整定后的旋转变压器包络信号为:

设转子角位置θm及角速度ωm可表示为:

式中:δ(t)为未建模动态,假定其为有界信号。

以式(13)为量测方程、式(14)为状态方程,可以设计状态观测器对转子角位置θm及

电角速度ωm进行观测。状态观测器的基本形式为:

式中:kθ、kw、ka为状态观测器增益系数。

设转子角位置、角速度及角加速度估计误差为:由式(14)、式(15)可得误差方程为:

将式(8)在坐标原点处线性化,可得状态方程为:

线性化后,系统的雅克比矩阵为:

取kθ、kω、ka均大于零,且kθkω＞ka,则A的特征值均具有负实部。根据李雅普

诺夫第一方法,误差方程式(17)在原点处是渐进稳定的。为便于计算机实现,以Ts为

采样周期,可将式(17)离散化为:

为验证本文方法的有效性,进行了试验验证。在试验装置中,伺服传感器及电动机部

分由A、B两伺服电机同轴连接,其中A电机装有有效位数可达20位的高精度光电

码盘,B电机装有极对数p=4的旋转变压器。驱动与控制板以TMS320F28335为

CPU,完成对光电码盘及旋转变压器输出信号的解调及伺服电机的驱动。

光电码盘解调方式为M/T法,旋转变压器检波方式为乘积检波,可近似认为利用光电

码盘所获取的角位置及角速度信息为真值信息。该信息可作为旋变解调信息准确性

的判断依据。

试验过