基于AD2S1210的旋變解碼電路設(shè)計(jì)

劉蕓邑，鄭 婕，李 燕，田桂平，魏 偉，陳 潔

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基于AD2S1210的旋變解碼電路設(shè)計(jì)

劉蕓邑1,2，鄭 婕1,2，李 燕1,2，田桂平1,2，魏 偉1,2，陳 潔1,2

（1.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2.于起峰院士工作站，云南 昆明 650223）

介紹了在步進(jìn)凝視掃描成像平臺(tái)的位置檢測(cè)中，傳感器的解碼電路。利用旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換（RDC）芯片AD2S1210，對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器J78XFS009進(jìn)行解碼，組成解碼電路。解碼電路包括了AD2S1210的工作原理電路、外圍電路，以及該芯片與單片機(jī)和旋變的連接電路等。整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，精度較高，具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠在惡劣的環(huán)境下工作，可以有很高的實(shí)用價(jià)值。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用該電路可以精確的檢測(cè)電機(jī)的位置信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的多閉環(huán)控制。

旋轉(zhuǎn)變壓器；AD2S1210；旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字變換器；電路設(shè)計(jì)

0 引言

非制冷凝視器件在旋轉(zhuǎn)掃描全景拼接時(shí)，如果速度過(guò)快，會(huì)造成圖像拖尾，圖像質(zhì)量受損。一般采用步進(jìn)凝視的掃描方案解決上述問(wèn)題。即在圖像采集的瞬間掃描運(yùn)動(dòng)平臺(tái)低速運(yùn)行，完成積分圖像采集后，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)迅速加速，在到達(dá)下一個(gè)圖像采集位置前開(kāi)始減速，速度降低后進(jìn)行下一幅圖像的采集，如此周期步進(jìn)即可得到全景圖像，成像質(zhì)量可接近于凝視成像[1]。由此，需要完成對(duì)步進(jìn)凝視掃描成像平臺(tái)的精確運(yùn)動(dòng)控制，即實(shí)現(xiàn)對(duì)該平臺(tái)的位置的精確檢測(cè)和控制?？刂凭戎苯佑绊懭皥D像質(zhì)量，對(duì)項(xiàng)目成敗具有重要意義。

光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器是兩種經(jīng)常作為角度位置檢測(cè)的傳感元件。光學(xué)編碼器的輸出信號(hào)是純數(shù)字量，能夠方便處理，最初有過(guò)良好應(yīng)用。但是光學(xué)編碼器在應(yīng)用過(guò)程中很大程度上依賴于電機(jī)參數(shù)，且抗干擾能力弱，在惡劣的條件下不宜使用，所以應(yīng)用受到了限制。而旋轉(zhuǎn)變壓器在早期由于復(fù)雜的信號(hào)處理電路以及較貴的價(jià)格，應(yīng)用受到了限制。但是其可靠性高，精度高，所以應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2]。

旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)輸出的信號(hào)是一個(gè)兩相正交的模擬信號(hào)，所以在應(yīng)用中，需要一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，把模擬量變換成數(shù)字量[3]。目前采用的解碼方法大多都是使用專(zhuān)用集成電路，其中的代表有美國(guó)模擬器件公司的AD2S系列和日本多摩川公司的AU68系列等[4]。本文所用的解碼芯片AD2S1210是分辨率為10到16位的完整的RDC芯片。而且該芯片內(nèi)部的正弦波振蕩器產(chǎn)生的激勵(lì)頻率范圍可達(dá)2～20kHz。其最大的跟蹤速率為3125r/s，檢測(cè)角度數(shù)據(jù)的最大精度為±2.5￠，能夠滿足控制要求[5]。

1 位置檢測(cè)系統(tǒng)原理

1.1 旋變工作原理

旋變是一種旋轉(zhuǎn)變壓器，通常配置是初級(jí)繞組位于轉(zhuǎn)子上，兩個(gè)次級(jí)繞組則位于定子上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 經(jīng)典旋轉(zhuǎn)變壓器

旋變輸出電壓(3－1，2－4)的計(jì)算如公式(1)和(2)所示[6]：

3－1＝0sint×sin(1)

2－4＝0sint×cos(2)

式中：為軸角；sint為轉(zhuǎn)子激勵(lì)頻率；0為轉(zhuǎn)子激勵(lì)幅度。

1.2 AD2S1210芯片解算原理

AD2S1210芯片的工作原理是Type Ⅱ跟蹤閉環(huán)原理。當(dāng)輸出更新1LSB時(shí)，旋變的位置旋轉(zhuǎn)過(guò)了最低有效位的角度。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出角，反饋后與輸入角進(jìn)行比較，藉此來(lái)跟蹤軸角；兩個(gè)角度之差即為誤差，如果轉(zhuǎn)換器能夠精準(zhǔn)地跟蹤輸入角，則誤差趨于0。為了測(cè)量誤差，需使3－1與cos相乘，并將2－4與sin相乘：

0sint×sincos(3－1) (3)

0sint×cossin(S2－4) (4)

二者的差值為：

0sint×(sincos－cossin) (5)

利用內(nèi)部產(chǎn)生的合成基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)解調(diào)該信號(hào)，得到如下表達(dá)式：

0(sincos－cossin) (6)

表達(dá)式(6)等效于0sin(－)；當(dāng)－的值（角誤差）較小時(shí)，0sin(－)約等于0(－)[7]。0(－)即為轉(zhuǎn)子的角誤差與轉(zhuǎn)換器的數(shù)字角輸出之間的差值。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

圖2為整個(gè)解碼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路包括解碼芯片的外部接口電路，激磁放大緩沖電路和主控芯片的接口電路等。

2.1.1 芯片外圍電路

AD2S1210的外圍電路，如圖3所示，用來(lái)保證芯片的正常工作以及與其他芯片的通信。在芯片工作的外圍電路中，數(shù)字部分與模擬部分均采用＋5V電壓供電，濾波電容都采用10nF和4.7mF。VDRIVE供電為＋5V數(shù)字電壓，濾波電容也為10 nF和4.7mF。晶振選用8.192 MHz的無(wú)源晶體。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 AD2S1210外圍電路

此時(shí)10kHz為默認(rèn)的勵(lì)磁頻率，振蕩器選用20pF的濾波電容，參考信號(hào)則選用10pF和10nF的濾波電容。

電路中，激磁信號(hào)EXC－和EXC＋經(jīng)過(guò)放大后驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓器，旋變將COS－、COS＋、SIN－、SIN＋信號(hào)反饋至AD2S1210，通過(guò)芯片內(nèi)部解算以及控制器對(duì)AD2S1210的通信配置（配置過(guò)程詳見(jiàn)軟件設(shè)計(jì)）等，讀取位置信息。

2.1.2 緩沖電路

AD2S1210直接輸出的激磁部分，需要對(duì)電流進(jìn)行增益和放大，才能將旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動(dòng)起來(lái)。圖4是基于THS4062[8]的勵(lì)磁緩沖電路，將EXC－和EXC＋信號(hào)放大為AXEXC－和AXEXC＋（信號(hào)名僅作區(qū)分），以驅(qū)動(dòng)旋變。AD2S1210的激磁信號(hào)輸出端提供3.6V正弦信號(hào)，能夠產(chǎn)生一個(gè)7.2V的差分信號(hào)。而理想狀態(tài)下AD2S1210芯片的正余弦輸入要求差分能夠達(dá)到3.15V的幅度，而本次所選用的旋變的勵(lì)磁電壓為26V，所以需要設(shè)計(jì)緩沖電路來(lái)滿足需要[9]。

圖4 緩沖電路

2.1.3 控制器接口電路

硬件系統(tǒng)的主控芯片為dsPIC30F6014A，外圍電路主要有時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和下載配置電路等。時(shí)鐘電路能夠產(chǎn)生嚴(yán)格的時(shí)序信號(hào)供主控芯片使用。復(fù)位電路是當(dāng)過(guò)電壓或者欠電壓的情況發(fā)生時(shí)可以對(duì)控制器進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位保護(hù)。下載配置電路，可將程序下載到主控芯片中去，主要用于系統(tǒng)程序的在線仿真和調(diào)試。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在本次基于AD2S1210的旋變解碼電路的軟件設(shè)計(jì)方面，主要涉及到重點(diǎn)和難點(diǎn)是控制器dsPIC30F6014A對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片（RDC）AD2S1210的控制。

dsPIC30F系列芯片具有豐富的伺服控制的外設(shè)以及強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能夠成為低成本高性能的伺服控制器[10]。

AD2S1210在軟件編程控制時(shí)有普通模式和配置模式這兩種工作模式。工作模式的選擇及在普通模式下對(duì)輸出數(shù)據(jù)的選擇都是通過(guò)AD2S1210上的A0和A1輸入引腳來(lái)配置。其設(shè)置見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]中表8配置模式設(shè)置。

結(jié)合控制器dsPIC30F6014A系統(tǒng)工作頻率的設(shè)置和AD2S1210的時(shí)序要求，經(jīng)過(guò)計(jì)算，該電路設(shè)計(jì)可以得到均滿足要求的時(shí)序設(shè)計(jì)。同時(shí)，時(shí)序也能滿足AD2S1210的數(shù)據(jù)輸入輸出通信方式選擇為并行的要求，再考慮到控制器的IO引腳資源在本電路設(shè)計(jì)中也夠充足，于是確定選擇并行的數(shù)據(jù)通信方式是可行的。則將/SOE引腳保持于高電平，將/CS引腳保持于低電平，使能該接口。

在并行模式下，利用8位并行接口D7至D0和WR/FSYNC引腳，可以寫(xiě)入AD2S1210的片內(nèi)寄存器。寫(xiě)入AD2S1210的每個(gè)8位字的MSB決定該8位字是寄存器地址還是數(shù)據(jù)。AD2S1210所定義的各寄存器地址的MSB(D7)為高。寫(xiě)入AD2S1210的各數(shù)據(jù)字的MSB為低。然后，利用引腳DB7至DB0將8位地址寫(xiě)入AD2S1210，并利用WR/FSYNC輸入的上升沿予以鎖存。隨后可以在引腳DB7至DB0上提供數(shù)據(jù)，并再次利用WR/FSYNC輸入將數(shù)據(jù)鎖存至器件。寫(xiě)入配置寄存器時(shí)應(yīng)遵循的時(shí)序要求參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]中圖28“并行端口寫(xiě)入時(shí)序-配置模式圖”。需注意，在寫(xiě)入AD2S1210時(shí)，/RD輸入應(yīng)保持高電平，且寫(xiě)入寄存器的操作必須將AD2S1210置于配置模式。

如果需要利用AD2S1210對(duì)位置或速度信息進(jìn)行回讀，應(yīng)當(dāng)使用SAMPLE信號(hào)的輸入來(lái)達(dá)到更新位置和速度寄存器里面的存儲(chǔ)信息的目的。而能夠決定是將位置數(shù)據(jù)還是速度數(shù)據(jù)傳輸至輸出寄存器的是A0和A1的輸入狀態(tài)。最后，利用RD的輸入讀取輸出寄存器中的數(shù)據(jù)，并使能輸出緩沖器[11]。只有在CS引腳保持低電平的狀態(tài)才能將所選數(shù)據(jù)傳輸至輸出寄存器，同時(shí)RD為低電平時(shí)，輸出緩沖器使能。而當(dāng)RD為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)引腳也為高阻態(tài)。要注意當(dāng)RD為低電平時(shí)，WR/FSYNC輸入應(yīng)為高電平。讀數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)遵循的時(shí)序要求見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]中圖30“并行端口讀出時(shí)序圖”。讀取數(shù)據(jù)的流程圖如圖5所示。

而AD2S1210的輸出分辨率則由RES0和RES1引腳來(lái)配置，不同的分辨率對(duì)應(yīng)不同的位置精度。該電路設(shè)計(jì)中由旋變及應(yīng)用要求選擇了精度最高的16位分辨率配置。在進(jìn)行兩種模式的變換時(shí)，RES0、RES1輸入引腳所設(shè)置的分辨率和控制寄存器中設(shè)置的分辨率需要保持一致，否則輸出的數(shù)據(jù)則會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。

由AD2S1210說(shuō)明材料及軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試經(jīng)歷得知：在開(kāi)始控制器對(duì)AD2S1210的設(shè)置之前，需要加入對(duì)AD2S1210芯片的復(fù)位控制設(shè)置，以清除AD2S1210芯片的故障寄存器，為保證AD2S1210芯片正常工作。對(duì)AD2S1210故障寄存器的清除操作工作在配置模式下，時(shí)序參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]中圖31“并行端口-清除故障寄存器圖”。

圖5 信息讀取流程圖

2.3 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)該解碼電路與系統(tǒng)連接調(diào)試后，對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采樣，得到如圖6和圖7所示的信號(hào)采樣繪制圖。這兩幅圖是通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，用LabVIEW中的波形圖表觀察到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。兩幅圖的橫坐標(biāo)均為時(shí)間，縱坐標(biāo)均為采樣的信號(hào)值，即位置數(shù)據(jù)。圖6為旋轉(zhuǎn)變壓器連續(xù)變化時(shí)的采樣信號(hào)，信號(hào)幅值隨著位置的連續(xù)變化而變化；圖7為旋轉(zhuǎn)變壓器的粗機(jī)完成一圈旋轉(zhuǎn)時(shí)在臨界點(diǎn)出現(xiàn)跳變時(shí)的采樣信號(hào)，在位置出現(xiàn)跳變時(shí)，信號(hào)也隨即發(fā)生變化。兩幅圖幅值連續(xù)，都沒(méi)有因?yàn)橥饨绺蓴_出現(xiàn)信號(hào)丟失等現(xiàn)象?？梢钥吹皆摻獯a控制電路能夠很好地完成對(duì)電機(jī)位置的精確檢測(cè)，穩(wěn)定性好。

3 結(jié)論

此方案已經(jīng)在步進(jìn)凝視掃描成像平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制中得到了良好的應(yīng)用。

圖6 旋變采樣圖1

Fig.6 A sampling map of resolver No.1

圖7 旋變采樣圖2

該系統(tǒng)能夠精確地檢測(cè)機(jī)的位置信號(hào)，繼而可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的多閉環(huán)控制。而該硬件電路小巧可靠，與整個(gè)系統(tǒng)的通信方式靈活，也容易實(shí)現(xiàn)。

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Design of Resolver Decoding Circuit Based on AD2S1210

LIU Yunyi1,2，ZHENG Jie1,2，LI Yan1,2，TIAN Guiping1,2，WEI Wei1,2，CHEN Jie1,2

(1,650223,；2.,650223,)

This paper introduces a resolver decoding circuit based on the position detection of a step-stare panoramic imaging platform. Through the use of AD2S1210(revolving transformer/digital converting IC produced by ADI), to decode the resolver J78XFS009, a decoding circuit is designed. The design includes the basic working of ADS2S1210, the interface circuit and the connecting circuit between the micro-controller and resolver and so on. The whole circuit has the advantages of simple structure, high reliability, working stability, high precision and better noise immunity, etc. It can be used under harsh environments, so it has high value of practical use. The experimental results show that the circuit can detect the position signals of the DC motor accurately, so it can contribute to achieve a more precise closed loop control of DC motors.

resolver transformer，AD2S1210，resolver-digital converter，circuit design

TM31

A

1001-8891(2016)12-1042-05

2016-03-06；

2016-05-06.

劉蕓邑（1991-），女，江蘇人，碩士研究生，主要研究方向：伺服控制技術(shù)。E-mail：liuyunyi627@163.com。