基于單片機(jī)的自整角機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研制

朱家俊，李康，翟從鴻，朱向冰

（安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖241000）

基于單片機(jī)的自整角機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研制

朱家俊，李康，翟從鴻，朱向冰

（安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖241000）

自整角機(jī)是一種用于角度測(cè)量的微型電機(jī)，其可輸出包含角度信息的四路模擬信號(hào)，為了便于信息處理，需要將這些模擬信號(hào)數(shù)字化。本文針對(duì)現(xiàn)有國內(nèi)外數(shù)字化轉(zhuǎn)換技術(shù)存在的各種問題，介紹了一種以單片機(jī)為控制和處理核心的自整角機(jī)信號(hào)數(shù)字化方案。該方案主要包括硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，硬件電路包括：A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、系統(tǒng)接口模塊。系統(tǒng)程序包括：系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制、數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案電路簡(jiǎn)單，加工方便，精度高。

自整角機(jī)；單片機(jī)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器

0 引言

自整角機(jī)是一種利用自整步特性將轉(zhuǎn)角與交流電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換的感應(yīng)式微型電機(jī)[1-3]。在以自整角機(jī)為角度傳感器的系統(tǒng)中，角度信號(hào)大多以模擬方式傳輸，但是隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，模擬信號(hào)形式的角度輸出已經(jīng)不能滿足應(yīng)用需求，因此，需要將自整角機(jī)輸出的模擬信號(hào)數(shù)字化[4]。自整角機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)正是在此背景下產(chǎn)生的。

國內(nèi)在自整角機(jī)信號(hào)數(shù)字化領(lǐng)域的研究起步較晚，相關(guān)技術(shù)較為薄弱，生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換器成本高。相比之下，國外的技術(shù)較為成熟，所生產(chǎn)的芯片轉(zhuǎn)換精度高、實(shí)時(shí)性好并且能在惡劣環(huán)境下工作，但是國內(nèi)從國外購買該類芯片時(shí)，價(jià)格昂貴，購貨期長(zhǎng)并且沒有及時(shí)的技術(shù)支持。本文通過對(duì)自整角機(jī)輸出信號(hào)的分析，提出了一種能夠高效地將自整角機(jī)角度信號(hào)數(shù)字化的方案，并且設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路。該自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換精度高、跟蹤速率快、電路簡(jiǎn)單、體積小、成本低等特點(diǎn)。

1 自整角機(jī)信號(hào)的分析和處理

自整角機(jī)在結(jié)構(gòu)上主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子引出端用Z1和Z2表示；定子的三相對(duì)稱繞組在空間位置上依次落后，引出端分別用S1、S2、S3表示。在轉(zhuǎn)子的Z1、Z2端施加一個(gè)頻率為幅度為Uref的交流電Uref=U·sinωt，在定子各相繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)差信號(hào)為：

下面將通過數(shù)值計(jì)算提取角度θ。

首先對(duì)自整角機(jī)輸出的三路信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算，得到僅含角度θ的正余弦值和正切值；然后比較正余弦絕對(duì)值的大小，得到角度θ所在的范圍；再根據(jù)正余弦值的正負(fù)進(jìn)一步細(xì)化角度θ所在區(qū)域；最后根據(jù)確定的范圍和反正切值得到較為精確的θ值。

整理式（1）～式（3），可得：

在0～2π范圍內(nèi)，θ與tanθ不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這里將0～2π等分為8個(gè)區(qū)域，劃分方法如下：

首先比較|sinθ|與|cosθ|的大小，當(dāng)|cosθ|-|sinθ|≥0時(shí)，范圍內(nèi)；當(dāng)|cosθ|-|sinθ|≤0時(shí)，θ在范圍內(nèi)。

當(dāng)sinθ≥0時(shí)，θ在一、二象限內(nèi)；當(dāng)sinθ≤0時(shí)，θ在三、四象限內(nèi)；當(dāng)cosθ≥0時(shí)，θ在一、四象限內(nèi)；當(dāng)cosθ≤0時(shí)，θ在二、三象限內(nèi)。當(dāng)|sinθ|≤|cosθ|時(shí)，

當(dāng)|sinθ|≥|cosθ|時(shí)，

然后根據(jù)sinθ和cosθ的符號(hào)計(jì)算出不同區(qū)域內(nèi)的θ值。

當(dāng)sinθ≥0且cosθ≥0時(shí)，當(dāng)sinθ≥0且cosθ≤0時(shí)，

當(dāng)sinθ≤0且cosθ≤0時(shí)，

當(dāng)sinθ≤0且cosθ≥0時(shí)，

利用該種自整角機(jī)信號(hào)處理方法不僅可以提高角度值的運(yùn)算精度，還能避免討論sinθ=0或者cosθ=0的臨界情況，提高了算法的執(zhí)行效率。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

對(duì)于自整角機(jī)輸出的三路模擬正弦電壓信號(hào)，需要先將它們經(jīng)前端調(diào)理電路進(jìn)行電壓調(diào)整，再通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為14位的數(shù)字信號(hào)輸出。A/D轉(zhuǎn)換模塊包括ADC前端調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

2.1.1 ADC前端調(diào)理電路

前端調(diào)理電路的主要功能是將輸入到電路中的三路正弦信號(hào)進(jìn)行降壓和隔離。該調(diào)理電路由電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成。自整角機(jī)的輸出信號(hào)S1_INPUT、S2_INPUT、S3_INPUT經(jīng)由電阻降壓后，送至差分放大電路中。電路原理圖如圖1所示。電路中U3、U4、U12是運(yùn)算放大器，它們通過電阻網(wǎng)絡(luò)的配置形成具有高共模抑制比的差分放大電路，能夠有效地抑制干擾信號(hào)。

圖1 ADC前端調(diào)理電路

2.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器配置

該系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADI公司的AD7657，可以將經(jīng)過前端調(diào)理電路輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為14位的數(shù)字信號(hào)。

AD7657內(nèi)置6個(gè)獨(dú)立的ADC單元，可實(shí)現(xiàn)6通道同步采樣，一個(gè)2.5 V片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源，14位數(shù)字輸出，并且轉(zhuǎn)換器的吞吐率可高達(dá)250 kS/s[5]。

AD7657需要在一定的配置下工作。AD7657的H/S SEL引腳接低電平，AD7657工作在硬件選擇模式下，此時(shí)由CONVST信號(hào)決定同步采樣通道的組合。AD7657的SEL/PARSEL和W/B引腳接低電平，轉(zhuǎn)換器工作在高速并行數(shù)據(jù)傳輸模式下，并且按字節(jié)傳輸數(shù)據(jù)。本方案中需要對(duì)三路模擬信號(hào)同時(shí)采樣，選用V1、V2、V3作為模擬輸入通道，將CONVST A和CONVST B短接再與單片機(jī)連接，CONVST C永久接邏輯高電平。為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，將REFEN/DIS引腳接高電平，RANGE引腳接邏輯低電平[6]，選擇片內(nèi)2.5 V基準(zhǔn)電壓源并選擇±10 V作為模擬電壓輸入范圍。

2.2 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)和在線編程接口。

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源。對(duì)于單片機(jī)，選用STC公司的STC12C5A60S2。該款單片機(jī)不僅能精確控制ADC的模數(shù)轉(zhuǎn)換，還能進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，保證了實(shí)時(shí)性的要求，自帶足夠多的I/O端口，可進(jìn)行并行數(shù)據(jù)的傳輸，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，并且該款單片機(jī)能夠在-45℃～+85℃環(huán)境下工作，體積小，功耗低[7]。

單片機(jī)的編程端口為D+5V、DGND、RXD和TXD，它們通過排針引出，通過外部電路與電腦端連接。

2.3 系統(tǒng)接口電路模塊

在該系統(tǒng)中，輸入信號(hào)是REF_LO_INPUT、REF_HI_INPUT、S3_INPUT、S2_INPUT、S1_INPUT，它們通過排針H2-15、H2-16、H3-2、H3-3、H3-4輸入電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。外部電源包括GND、+5 V、+15 V、-15 V，它們通過排針H3-14、H3-16、H3-13、H3-15送入系統(tǒng)。圖2中，U1、U2為八路高速緩沖器，它們分別對(duì)系統(tǒng)的低6位和高8位數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖輸出，受使能信號(hào)SYS_ENABLE_L、SYS_ENABLE_M的控制。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)更新輸出緩沖器中的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)會(huì)將25號(hào)引腳P2.7置為高電平，即輸出SYS_BUSY信號(hào)。U1和U2輸出的14位數(shù)字角度送至排針H2-1～H2-14上。

2.4 系統(tǒng)電路原理圖

系統(tǒng)硬件電路主要包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、系統(tǒng)接口電路模塊。圖3所示為自整角機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路圖。自整角機(jī)輸出的三路模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換模塊的前端調(diào)理電路輸入至A/D轉(zhuǎn)換器中，A/D轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)的控制下將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入至單片機(jī)中，單片機(jī)將各路信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和處理，最后通過緩沖器將14位的角度信號(hào)從接口模塊輸出。圖中未標(biāo)注的電容容值為1μF。

圖3 系統(tǒng)電路原理圖

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制、數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出。算法流程如圖4所示。

圖4 算法流程圖

3.1 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制

AD7656并行接口時(shí)序如圖5所示。在并行數(shù)據(jù)傳輸模式下，單片機(jī)發(fā)出一個(gè)CONVST高電平脈沖給CONVST A和CONVST B引腳，啟動(dòng)V1、V2、V3、V4通道的同步轉(zhuǎn)換，同時(shí)AD7657向單片機(jī)輸出AD_BUSY高電平，標(biāo)志AD7657正在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，AD7657轉(zhuǎn)換時(shí)間典型值為tCOVERT=3μs。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，AD_BUSY變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)，單片機(jī)用RD四個(gè)信號(hào)依次讀取V1、V2、V3、V4轉(zhuǎn)換后的值，RD低電平脈沖寬度最小值為36 ns，在讀取AD7657數(shù)據(jù)前，還需將片選信號(hào)CS置為低電平。

圖5 AD7657并行接口時(shí)序圖

3.2 數(shù)值計(jì)算

在本系統(tǒng)中，V3_IN是參考信號(hào)，計(jì)算過程中，其值需要保持為正值，所以先對(duì)單片機(jī)采集的信號(hào)校正符號(hào)。對(duì)V3_IN進(jìn)行符號(hào)判斷，若為負(fù)，則對(duì)采樣來的三路信號(hào)分別乘-1，再對(duì)采集到的V1_IN、V2_IN數(shù)據(jù)的大小進(jìn)行判斷，若不在A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，則跳出本次循環(huán)。如果采集的數(shù)據(jù)滿足條件，則把三路輸入信號(hào)按照前面所述的公式進(jìn)行計(jì)算，查反正切表，根據(jù)查出的值和計(jì)算的值判斷待轉(zhuǎn)換角度所在區(qū)域，最后算出角度值θ。

3.3 數(shù)據(jù)輸出

當(dāng)單片機(jī)控制14位數(shù)字角的輸出時(shí)，會(huì)讓SYS_BUSY輸出高電平，表示緩沖器正在刷新數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該自整角機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路的電源管理模塊可以正確地控制上電和斷電的先后順序；輸出電壓的壓降在允許范圍之內(nèi)；系統(tǒng)內(nèi)部以及外部控制信號(hào)都滿足設(shè)計(jì)要求。表1所示是實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)字角輸出結(jié)果，可以看出系統(tǒng)輸出結(jié)果的準(zhǔn)確度不夠，穩(wěn)定性有待提高。

表1 系統(tǒng)數(shù)字角輸出結(jié)果

[1]楊桂華.高精度自整角機(jī)精度的分析[J].微電機(jī)，1990（1）：13-17.

[2]劉錦波.電機(jī)與拖動(dòng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3]DHAOUADI R，MOHAN N，NORUM L.Design and implementation of an extended Kalman filter for the state estimation of a permanent magnet synchronous motor[J].Power Electronics，IEEE Transactions on，1991，6（3）：491-497.

[4]汪卓飛.一種高精度角度傳感器的研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

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Design and manufacture of selsyn-to-digital converter based on single-chip m icrocom puter

Zhu Jiajun，Li Kang，Zhai Conghong，Zhu Xiangbing
（College of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China）

Selsyn is a kind of micro-motors for angle measurement and it can output four analog signals contained angle information.In order to facilitate information processing，we need to digitalize the analog signal.In this paper，aiming at various problems existing in digital conversion technology at home and abroad，a selsyn signal digitization design is presented.This design takes single-chip microcontroller as the controlling and processing core.The main contents of it include the hardware circuit design and system program design.The hardware circuit includes A/D conversion module，single-chip microcontroller module，and system interface module.The system program includes system initialization，A/D conversion timing control，calculation of values and data output.This design has simple circuit，high accuracy and is convenient to processing compared with the traditional technology.

selsyn；MCU；ADC

TN79+2

A

1674-7720（2015）09-0092-04

2014-12-08）

朱家?。?988-），女，碩士，主要研究方向：硬件電路設(shè)計(jì)。