测量同轴双转子电机两个转子相对转角和转速的方法及实 现该方法的传感器 技术领域 本发明涉及一种测量同轴双转子电机两个转子相对转角和转速的方法及实现该 方法的传感器， 属于电机位置检测领域。
背景技术
当前， 双转子电机被应用于电动汽车上。对双转子电机实现矢量控制必须知道其 两个转子的转角差和转速差， 目前测量双转子电机转角差和转速差采用的方法流程如图 4 所示， 它将两个旋转变压器分别安装在双转子电机的两转轴上， 当两旋转变压器的转子分 别随双转子电机的两转轴旋转时， 两旋转变压器信号绕组输出交流电压的幅值将随各自的 转子角位移呈正弦和余弦规律变化， 通过各自的轴角变换 RDC 芯片解码后得到相应转子相 对电机定子的转角位置数字信号， 再通过后续求差电路对结果求差， 这种方法需要两套解 码器， 因此也引入了两套解码器的误差， 求差电路求差时， 在输入信号存在误差的情况下， 还会产生新的误差和信号的滞后， 因此很难满足矢量控制对精度和实时性的要求。发明内容 本发明的目的是为了解决现有对双转子电机转角位置的测量方式存在测量结果 误差大， 并且信号滞后的问题， 提供一种测量同轴双转子电机两个转子相对转角和转速的 方法及实现该方法的传感器。
本发明所述测量同轴双转子电机两个转子相对转角和转速的方法为 ： 将第一旋转 变压器和第二旋转变压器分别同心安装在所述双转子电机的两个转子的转轴上， 第一旋转 变压器获得的转子转角信号为 θ 1， 第二旋转变压器获得的转子转角信号为 θ2 ；
两个旋转变压器的激磁绕组输入同频同相的激磁信号 ： 第一旋转变压器输入的激 磁信号 UEXC1 ＝ E1cos(ωet)， 式中 E1 为第一旋转变压器激磁信号的幅值， ωe 为激磁信号的 角频率， t 为时间，
第二旋转变压器输入的激磁信号 UEXC2 ＝ E2cos(ωet)， 式中 E2 为第二旋转变压器 激磁信号的幅值，
则第一旋转变压器的信号绕组输出端输出转子转角的调制信号为 ：
式中 US1 为第一旋转变压器的正弦绕组输出信号， UC1 为第一旋转变压器的余弦绕 组输出信号， V1 为第一旋转变压器输出信号的幅值， θ1 为第一旋转变压器转子的电角度， 为第一旋转变压器输出信号的载波与激磁信号的相位差 ；
第二旋转变压器的信号绕组输出端输出转子转角的调制信号为 ：
式中 US2 为第二旋转变压器的正弦绕组输出信号， UC2 为第二旋转变压器的余弦绕 组输出信号， V2 为第二旋转变压器输出信号的幅值， θ2 为第二旋转变压器转子的电角度， 为第二旋转变压器输出信号的载波与激磁信号的相位差 ；
将 US1 和 UC1 分别经过调理电路滤波、 偏置及放大后， 由 A/D 采样获得第一旋转变压 器输出信号的数字离散形式 ：
式中 VS1 为经过 A/D 转换获得的第一旋转变压器的正弦绕组输出信号、 VC1 为经过 A/D 转换获得的第一旋转变压器的余弦绕组输出信号、 V′ 1 为经过 A/D 转换获得的第一旋转变压器输出信号的幅值、 经过 A/D 转换获得的第一旋转变压器输出信号的载波与激磁 信号的相位差，
将 US2 和 UC2 分别经过调理电路滤波、 偏置及放大后， 由 A/D 采样获得第二旋转变压 器输出信号的数字离散形式 ：
式中 VS2 为经过 A/D 转换获得的第二旋转变压器的正弦绕组输出信号、 VC2 为经过 A/D 转换获得的第二旋转变压器的余弦绕组输出信号、 V′ 2 为经过 A/D 转换获得的第二旋转变压器输出信号的幅值、 为经过 A/D 转换获得的第二旋转变压器输出信号的载波与激 磁信号的相位差，
将 VS1、 VC1、 VS2 和 VC2 共同进行坐标变换， 使该四路以静止坐标系为参考系的信号， 转换成两路与第二旋转变压器的转子同步旋转的旋转坐标系为参考系的两路输出信号， 其 坐标变换的表达式为 ：
式中 ΔUS 为两个转子转角差的正弦调制信号、 ΔUC 为两个转子转角差的余弦调制信号， 将 ΔUS 和 ΔUC 进行锁相环电路解算， 得到双转子电机两个转子相对转角差 Δθ 和转速差 Δω。
本发明所述实现上述方法的传感器为 ： 它包括第一旋转变压器、 第二旋转变压器、 激磁信号单元、 第一低通滤波及功率放大单元、 第二低通滤波及功率放大单元、 第一调理电
路、 第二调理电路、 第三调理电路、 第四调理电路、 第一 A/D 采样单元、 第二 A/D 采样单元、 第 三 A/D 采样单元、 第四 A/D 采样单元、 坐标变换单元和锁相环解码单元，
第一旋转变压器激磁绕组的激磁信号输入端连接第一低通滤波及功率放大单元 的激磁信号输出端， 第一低通滤波及功率放大单元的激磁信号输入端连接激磁信号单元的 激磁信号输出端 ；
第二旋转变压器激磁绕组的激磁信号输入端连接第二低通滤波及功率放大单元 的激磁信号输出端， 第二低通滤波及功率放大单元的激磁信号输入端连接激磁信号单元的 所述激磁信号输出端 ；
第一旋转变压器输出绕组的第一信号输出端连接第一调理电路的信号输入端， 第 一调理电路的信号输出端连接第一 A/D 采样单元的信号输入端， 第一 A/D 采样单元的信号 输出端连接坐标变换单元的第一信号输入端 ；
第一旋转变压器输出绕组的第二信号输出端连接第二调理电路的信号输入端， 第 二调理电路的信号输出端连接第二 A/D 采样单元的信号输入端， 第二 A/D 采样单元的信号 输出端连接坐标变换单元的第二信号输入端 ；
第二旋转变压器输出绕组的第一信号输出端连接第三调理电路的信号输入端， 第 三调理电路的信号输出端连接第三 A/D 采样单元的信号输入端， 第三 A/D 采样单元的信号 输出端连接坐标变换单元的第三信号输入端 ；
第二旋转变压器输出绕组的第二信号输出端连接第四调理电路的信号输入端， 第 四调理电路的信号输出端连接第四 A/D 采样单元的信号输入端， 第四 A/D 采样单元的信号 输出端连接坐标变换单元的第四信号输入端 ；
坐标变换单元的第一信号输出端连接锁相环解码单元的第一信号输入端， 坐标变 换单元的第二信号输出端连接锁相环解码单元的第二信号输入端， 锁相环解码单元的第一 信号输出端用来输出所述双转子电机两个转子相对转角差 Δθ， 锁相环解码单元的第二信 号输出端用来输出所述双转子电机两个转子相对转速差 Δω。
本发明的优点是 ： 本发明可直接解算两个旋转变压器的信号， 输出所述双转子电 机两个转子的相对转角和相对转速， 它避免了现有技术中两套解码电路分别引入误差的问 题； 本发明不再使用现有技术中的后续的求差电路， 因此不会再引入求差电路的误差和滞 后问题 ； 本发明直接利用基于坐标变换的锁相环解码单元实现了解调功能， 可实时跟踪所 述双转子电机两个转子的相对转角差和相对转速差， 并能抑制旋转变压器信号中的高频噪 声。 附图说明
图 1 为本发明实施方式一的信号流程图 ； 图 2 为本发明实施方式二的信号流程图 ； 图 3 为本发明实施方式三的信号流程图 ； 图 4 为现有测量双转子电机转角差和转速差采用的方法的流程图。具体实施方式
具体实施方式一 ： 下面结合图 1 说明本实施方式， 本实施方式所述测量同轴双转子电机两个转子相对转角和转速的方法，
将第一旋转变压器 1-1 和第二旋转变压器 1-2 分别同心安装在所述双转子电机的 两个转子的转轴上， 第一旋转变压器 1-1 获得的转子转角信号为 θ1， 第二旋转变压器 1-2 获得的转子转角信号为 θ2 ；
两个旋转变压器的激磁绕组输入同频同相的激磁信号 ： 第一旋转变压器 1-1 输入 的激磁信号 UEXC1 ＝ E1cos(ωet)， 式中 E1 为第一旋转变压器 1-1 激磁信号的幅值， ωe 为激 磁信号的角频率， t 为时间，
第二旋转变压器 1-2 输入的激磁信号 UEXC2 ＝ E2cos(ωet)， 式中 E2 为第二旋转变 压器 1-2 激磁信号的幅值，
则第一旋转变压器 1-1 的信号绕组输出端输出转子转角的调制信号为 ：
式中 US1 为第一旋转变压器 1-1 的正弦绕组输出信号， UC1 为第一旋转变压器 1-1 的 余弦绕组输出信号， V1 为第一旋转变压器 1-1 输出信号的幅值， θ1 为第一旋转变压器 1-1 转子的电角度， 为第一旋转变压器 1-1 输出信号的载波与激磁信号的相位差 ；
第二旋转变压器 1-2 的信号绕组输出端输出转子转角的调制信号为 ：式中 US2 为第二旋转变压器 1-2 的正弦绕组输出信号， UC2 为第二旋转变压器 1-2 的 余弦绕组输出信号， V2 为第二旋转变压器 1-2 输出信号的幅值， θ2 为第二旋转变压器 1-2 转子的电角度， 为第二旋转变压器 1-2 输出信号的载波与激磁信号的相位差 ；
将 US1 和 UC1 分别经过调理电路滤波、 偏置及放大后， 由 A/D 采样获得第一旋转变压 器 1-1 输出信号的数字离散形式 ：
式中 VS1 为经过 A/D 转换获得的第一旋转变压器 1-1 的正弦绕组输出信号、 VC1 为 经过 A/D 转换获得的第一旋转变压器 1-1 的余弦绕组输出信号、 V′ 1 为经过 A/D 转换获得 的第一旋转变压器 1-1 输出信号的幅值、 经过 A/D 转换获得的第一旋转变压器 1-1 输出信号的载波与激磁信号的相位差，
将 US2 和 UC2 分别经过调理电路滤波、 偏置及放大后， 由 A/D 采样获得第二旋转变压 器 1-2 输出信号的数字离散形式 ：
式中 VS2 为经过 A/D 转换获得的第二旋转变压器 1-2 的正弦绕组输出信号、 VC2 为经过 A/D 转换获得的第二旋转变压器 1-2 的余弦绕组输出信号、 V′ 2 为经过 A/D 转换获得 的第二旋转变压器 1-2 输出信号的幅值、 为经过 A/D 转换获得的第二旋转变压器 1-2 输 出信号的载波与激磁信号的相位差，
将 VS1、 VC1、 VS2 和 VC2 共同进行坐标变换， 使该四路以静止坐标系为参考系的信号， 转换成两路与第二旋转变压器 1-2 的转子同步旋转的旋转坐标系为参考系的两路输出信 号， 其坐标变换的表达式为 ：
式中 ΔUS 为两个转子转角差的正弦调制信号、 ΔUC 为两个转子转角差的余弦调制信号， 将 ΔUS 和 ΔUC 进行锁相环电路解算， 得到双转子电机两个转子相对转角差 Δθ 和转速差 Δω。
本实施方式中所述的方法基于以下原理 ：
将旋转变压器的输出信号表达为 ：
将其与激磁信号相乘， 对其进行频谱搬移后， 变换为 ：
再对其进行低通滤波， 忽略低频信号的衰减和相移， 可以获得转子转角的无载波 的调制信号， 其表达式为 ：
上述过程称为旋转变压器输出信号的同步解调。 或 都可以通过 PLL 解算器求解旋转变压器转子转角和转速。当有两个旋转变压器时， 其输出信号可分别表示为 ：
解调后两个旋转变压器的输出信号分别为 ：
将其中一个旋转变压器输出的信号通过坐标变换到另一个旋转变压器转子的旋 转坐标系下为 ：
该信号可直接由锁相环解码单元进行解算。 很小， 可以直接利由于两个传感器激磁信号同频同相， 输出信号载波相移 用两相信号同时实现频谱搬移和坐标变换。
该信号通过锁相环解码单元可直接解算出两转子相对转角。
本实施方式中， 信号的频谱搬移与坐标变换同时完成。
具体实施方式二 ： 下面结合图 2 说明本实施方式， 本实施方式为对实施方式一的 进一步说明， 所述 VS1、 VC1、 VS2 和 VC2 进行坐标变换后， 获得的 ΔUS 和 ΔUC 分别经过低通滤波 后， 忽略低频信号的相移和衰减， 输出信号的表达式变换为 ：
ΔU ′ S 和 ΔU ′ C 是两个转子相对转角的无载波的调制信号， 再将 ΔU ′ S 和 ΔU′ C 进行锁相环电路解算。
本实施方式中， 信号的频谱搬移与坐标变换同时完成， 将 ΔUS 和 ΔUC 分别经过低 通滤波后， 使得锁相环解码电路输入信号中不含恒定频率的高频分量， 可以提高系统鲁棒 性。
具体实施方式三 ： 下面结合图 3 说明本实施方式， 本实施方式为对实施方式一的 进一步说明， 本实施方式利用激磁信号对输出信号进行频谱搬移， 实现两个旋转变压器四
路输出信号的解调， 根据两个旋转变压器的激磁信号同频同相， 信号调理后引入的相移相 等， 则
选择补偿相位 β， 使将 VS1、 VC1、 VS2 和 VC2 与移相 β 角的激磁信号分别相乘后， 获得 ：
式中 V′ S1 为第一旋转变压器 1-1 的正弦绕组输出信号频谱搬移后的信号， V′ C1 为第一旋转变压器 1-1 的余弦绕组输出信号频谱搬移后的信号， V′ S2 为第二旋转变压器 1-2 正弦绕组输出信号频谱搬移后的信号， V′ C2 为第二旋转变压器 1-2 余弦绕组输出信号 频谱搬移后的信号 ；
经低通滤波， 忽略低频信号的相移和衰减， 获得 ：
式中 V″ S1 为第一旋转变压器 1-1 的正弦绕组输出信号解调后的信号， V″ C1 为第 一旋转变压器 1-1 的余弦绕组输出信号解调后的信号 ； V″ S2 为第二旋转变压器 1-2 的正弦 绕组输出信号解调后的信号， V″ C2 为第二旋转变压器 1-2 的余弦绕组输出信号解调后的信 号； V″ 1 为第一旋转变压器 1-1 输出信号解调后的幅值， V″ 2 为第二旋转变压器 1-2 输出 信号解调后的幅值，
将 V″ S1、 V″ C1、 V″ S2 和 V″ C2 进行坐标变换， 使该四路以静止坐标系为参考系的 信号， 转换成两路与第二旋转变压器 1-2 的转子同步旋转的旋转坐标系为参考系的两路输 出信号， 其表达式为 ：
本实施方式中先将旋转变压器输出的信号分别进行解调， 再对其进行坐标变换和 相对转角转速的解算。
具体实施方式四 ： 下面结合图 1 说明本实施方式， 本实施方式所述实现测量同轴 双转子电机两个转子相对转角和转速的方法的传感器， 是实现实施方式一所述方法的传感 器， 它包括第一旋转变压器 1-1、 第二旋转变压器 1-2、 激磁信号单元 2、 第一低通滤波及功 率放大单元 3-1、 第二低通滤波及功率放大单元 3-2、 第一调理电路 4-1、 第二调理电路 4-2、 第三调理电路 4-3、 第四调理电路 4-4、 第一 A/D 采样单元 5-1、 第二 A/D 采样单元 5-2、 第三 A/D 采样单元 5-3、 第四 A/D 采样单元 5-4、 坐标变换单元 6 和锁相环解码单元 7，
第一旋转变压器 1-1 激磁绕组的激磁信号输入端连接第一低通滤波及功率放大 单元 3-1 的激磁信号输出端， 第一低通滤波及功率放大单元 3-1 的激磁信号输入端连接激 磁信号单元 2 的激磁信号输出端 ；
第二旋转变压器 1-2 激磁绕组的激磁信号输入端连接第二低通滤波及功率放大 单元 3-2 的激磁信号输出端， 第二低通滤波及功率放大单元 3-2 的激磁信号输入端连接激 磁信号单元 2 的所述激磁信号输出端 ；
第一旋转变压器 1-1 输出绕组的第一信号输出端连接第一调理电路 4-1 的信号输 入端， 第一调理电路 4-1 的信号输出端连接第一 A/D 采样单元 5-1 的信号输入端， 第一 A/D 采样单元 5-1 的信号输出端连接坐标变换单元 6 的第一信号输入端 ；
第一旋转变压器 1-1 输出绕组的第二信号输出端连接第二调理电路 4-2 的信号输 入端， 第二调理电路 4-2 的信号输出端连接第二 A/D 采样单元 5-2 的信号输入端， 第二 A/D 采样单元 5-2 的信号输出端连接坐标变换单元 6 的第二信号输入端 ；
第二旋转变压器 1-2 输出绕组的第一信号输出端连接第三调理电路 4-3 的信号输 入端， 第三调理电路 4-3 的信号输出端连接第三 A/D 采样单元 5-3 的信号输入端， 第三 A/D 采样单元 5-3 的信号输出端连接坐标变换单元 6 的第三信号输入端 ；
第二旋转变压器 1-2 输出绕组的第二信号输出端连接第四调理电路 4-4 的信号输 入端， 第四调理电路 4-4 的信号输出端连接第四 A/D 采样单元 5-4 的信号输入端， 第四 A/D 采样单元 5-4 的信号输出端连接坐标变换单元 6 的第四信号输入端 ；
坐标变换单元 6 的第一信号输出端连接锁相环解码单元 7 的第一信号输入端， 坐 标变换单元 6 的第二信号输出端连接锁相环解码单元 7 的第二信号输入端， 锁相环解码单 元 7 的第一信号输出端用来输出所述双转子电机两个转子相对转角差 Δθ， 锁相环解码单 元 7 的第二信号输出端用来输出所述双转子电机两个转子相对转速差 Δω。
具体实施方式五 ： 下面结合图 2 说明本实施方式， 本实施方式是对实施方式四的 进一步限定， 它还包括第一低通滤波单元 8-1 和第二低通滤波单元 8-2，
所述坐标变换单元 6 的第一信号输出端连接第一低通滤波单元 8-1 的信号输入 端， 第一低通滤波单元 8-1 的信号输出端连接锁相环解码单元 7 的第一信号输入端 ；
所述坐标变换单元 6 的第二信号输出端连接第二低通滤波单元 8-2 的信号输入 端， 第二低通滤波单元 8-2 的信号输出端连接锁相环解码单元 7 的第二信号输入端。其它 组成及连接关系与实施方式四相同。
具体实施方式六 ： 下面结合图 3 说明本实施方式， 本实施方式是对实施方式四的 进一步限定， 它还包括相位补偿单元 9、 第一乘法器 10-1、 第二乘法器 10-2、 第三乘法器 10-3、 第四乘法器 10-4、 第三低通滤波单元 8-3、 第四低通滤波单元 8-4、 第五低通滤波单元 8-5、 第六低通滤波单元 8-6，相位补偿单元 9 的信号输入端与激磁信号单元 2 的信号输入端相连接，
所述第一 A/D 采样单元 5-1 的信号输出端连接第一乘法器 10-1 的第一信号输入 端， 相位补偿单元 9 的信号输出端连接第一乘法器 10-1 的第二信号输入端， 第一乘法器 10-1 的信号输出端连接第三低通滤波单元 8-3 的信号输入端， 第三低通滤波单元 8-3 的信 号输出端连接坐标变换单元 6 的第一信号输入端，
所述第二 A/D 采样单元 5-2 的信号输出端连接第二乘法器 10-2 的第一信号输入 端， 相位补偿单元 9 的信号输出端连接第二乘法器 10-2 的第二信号输入端， 第二乘法器 10-2 的信号输出端连接第四低通滤波单元 8-4 的信号输入端， 第四低通滤波单元 8-4 的信 号输出端连接坐标变换单元 6 的第二信号输入端，
所述第三 A/D 采样单元 5-3 的信号输出端连接第三乘法器 10-3 的第一信号输入 端， 相位补偿单元 9 的信号输出端连接第三乘法器 10-3 的第二信号输入端， 第三乘法器 10-3 的信号输出端连接第五低通滤波单元 8-5 的信号输入端， 第五低通滤波单元 8-5 的信 号输出端连接坐标变换单元 6 的第三信号输入端，
所述第四 A/D 采样单元 5-4 的信号输出端连接第四乘法器 10-4 的第一信号输入 端， 相位补偿单元 9 的信号输出端连接第四乘法器 10-4 的第二信号输入端， 第四乘法器 10-4 的信号输出端连接第六低通滤波单元 8-6 的信号输入端， 第六低通滤波单元 8-6 的信 号输出端连接坐标变换单元 6 的第四信号输入端。其它组成及连接关系与实施方式四相 同。 具体实施方式七 ： 下面结合图 1 至图 3 说明本实施方式， 本实施方式是对实施方式 四、 五或六的进一步限定所述坐标变换单元 6 将四路以静止坐标系为参考系的信号， 转换 成两路与第二旋转变压器 1-2 的转子同步旋转的旋转坐标系为参考系的两路输出信号 ：
其中式 VS1、 VC1、 VS2、 VC2 为坐标变换单元的四路输入信号， ΔUS、 ΔUC 为坐标变换单 元的两路输出信号。其它组成及连接关系与实施方式四、 五或六相同。