随着高品质、高效率、高可靠性的永磁同步电机驱动系统得到越来越广泛的应用，对转子磁极位置检测的精度、成本有了更高的要求。浙江工业大学信息工程学院电机驱动系统团队针对旋转变压器高精度、低成本需求，提出一种旋转变压器双采样差分位置软件解码方法。
该方法采用微控制器对旋转变压器输出的正、余弦信号实施两次采样，并计算两次采样值的差分，从而消除信号中的共模干扰，得到与位置相关的正、余弦包络线信号，并设计三阶锁相环实现位置的快速、准确跟踪。实验结果表明，所提双采样差分位置解码方法，相比常规软件解码方法，位置跟踪精度更高，电机稳态和动态性能更好。
研究背景
旋转变压器因其抗振动能力强、检测精度高等优点被广泛应用于电动汽车、航空航天等高可靠性电机系统中。目前，常用旋转变压器解码方式是使用专用解码芯片，这些解码芯片性能优异，集激励生成、信号调理和信号解码于一体，集成度高，解码效果好，应用广泛。然而使用旋转变压器专用解码芯片带来了一些问题。首先，专用解码芯片价格一般较高，增加了系统成本；其次，应用专用解码芯片需设计解码芯片和主控芯片的通信接口、信号调理电路等，增加了硬件电路复杂性，降低了系统整体的可靠性。
论文所解决的问题及意义
常规软件解码通常都是在一个高频激励周期内进行单次采样，然后减去上电前测好的偏置，获得正、余弦包络线。虽然单次采样软解方案实现简单，但是若不对非理想旋转变压器信号做特殊处理，会降低位置解调精度。对于运行过程中由于正、余弦信号受共模干扰等原因导致的偏置漂移问题，使用常规软解方法无法解决。
浙江工业大学信息工程学院电机驱动团队提出的双采样差分位置解码方法可有效抑制旋转变压器正、余弦信号偏置漂移对位置解码精度的影响，位置检测精度更高，并且成本低，易于实现。
论文方法及创新点
图1 控制器、调理电路和旋转变压器关系
旋转变压器原始激励信号一般需经调理电路放大才能施加至旋转变压器初级绕组中。同样，输出正、余弦信号也需要调理电路进行滤波、放大和增加偏置电压等处理才能送入控制器ADC模块被采集。
图2 单采样与双采样方法示意图
对于图1中正、余弦波簇信号包络线的采样，常规旋转变压器软件解码方案只在激励信号波峰处对旋转变压器输出正、余弦信号进行单次采样。单采样方法在ADC采样获取正、余弦包络线信号后，还需减去正、余弦信号的偏置电压方可进行位置解码，无法抑制偏置电压波动对位置解码的影响。为了提高正、余弦信号采样信噪比和位置更新率，同时抑制旋转变压器输出正、余弦信号偏置波动对位置解码的影响，提出一种在正、余弦信号波峰和波谷均进行采样和解算的双采样差分解码方法。
图3 正、余弦信号差分处理过程
双采样方法相对于单采样方法，有效信号幅值提高一倍，且通过差分处理可自动消除正、余弦信号偏置电压。另外，双采样方法可以将每次采集信号与上一次信号进行差分，在半激励周期内实现一次位置信号更新，因此能提高位置更新率，减小解码延迟，提升位置估计精度。在获得上述正、余弦信号后，通过二阶锁相环对位置进行跟踪。
图4 实验用永磁同步电机驱动系统
为验证所提位置解码方法的有效性，搭建永磁同步电机驱动实验平台。对单采样与双采样方法进行动静态性能测试实验，结果表明双采样方法位置解码精度明显高于单采样方法，同时双采样方法加速过程中位置动态误差比单采样方式减小16.67%；减速过程中位置动态误差减小12.5%，具有更快的动态跟踪性能。在电机低速与高速条件下测试，双采样方法位置误差分别为单采样方式位置误差的18.5%与37.4%，在全速域拥有更好解码精度。
结论
本文提出了一种旋转变压器双采样差分位置软件解码方法。采用所提方法可有效抑制旋转变压器输出正、余弦信号偏置浮动，降低偏置浮动对位置解码的影响。同时提高解码信号信噪比和位置解码更新率，进而提升位置解码精度，减小解码延迟。实验结果表明，本文所提方法相比常规单采样位置解码方法，无需更改硬件，通用性强，位置解码精度高，精度提高80%以上，可在全速域提升电机控制性能，是一种很好的代替专用解码芯片的低成本、高性能位置软件解码方案。
团队介绍
浙江工业大学信息工程学院电机驱动系统团队长期致力于高性能电机驱动技术的研究与应用，主要研究方向有永磁同步电机无位置传感器控制、高动/静态性能伺服控制技术、高精度参数辨识方法、非线性脉冲宽度调制技术等。近6年来，该团队主持完成多项国家、浙江省自然科学基金，以及为企业、科研院开发了近三十余款电机控制器，所研发产品已应用于航空油泵、家用/工业/汽车EC风机、水泵、电动叉车等行业。
吴春，副教授，博士生导师，研究方向为交流电机无位置传感器电机驱动系统和高性能伺服控制技术等。
应王瑞，硕士研究生，研究方向为永磁同步电机伺服控制技术。
本工作成果发表在2024年第15期《电工技术学报》，论文标题为“一种旋转变压器双采样差分位置解码方法“。本课题得到国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的支持。
