莊文許，馬大為，翟小晶，孫 德

(南京理工大學(xué)，江蘇南京210094)

0引 言

防空火箭炮、雷達(dá)、天線和機(jī)床等伺服系統(tǒng)中，角度檢測(cè)精度對(duì)伺服系統(tǒng)的控制性能起到?jīng)Q定性作用，常用的角度傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)、光電碼盤和光柵等。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器以其線性度好、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)以及能提供絕對(duì)角度位置信息等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。本文以TMS320F2812和EMP7128為主控電路，設(shè)計(jì)了基于AD2S83的旋轉(zhuǎn)變壓器角度變換模塊(以下簡(jiǎn)稱RDC)的硬件電路與軟件程序。在交流伺服試驗(yàn)平臺(tái)上，首先通過單步運(yùn)行伺服電動(dòng)機(jī)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)變換電路具有良好的變換精度和線性度;其次以一階前饋PID算法，使得伺服試驗(yàn)平臺(tái)跟蹤給定的參考信號(hào)，試驗(yàn)結(jié)果間接表明了變換電路具有較高的變換精度和線性度。本文的實(shí)現(xiàn)方案可以應(yīng)用到各類伺服系統(tǒng)、伺服電動(dòng)機(jī)等控制系統(tǒng)中。

1系統(tǒng)描述

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密控制微電機(jī)，原理是當(dāng)輸入端施加給定頻率的正弦激勵(lì)電壓信號(hào)時(shí)，兩路輸出端將分別輸出正弦和余弦電壓信號(hào)，且輸出信號(hào)的幅值與轉(zhuǎn)子的角度位置是一一映射關(guān)系。圖1為RDC電路組成框圖，它主要由勵(lì)磁電路和AD2S83組成，TMS320F2812為主控芯片，通過EMP7128產(chǎn)生組合邏輯電路，以提供芯片的片選和數(shù)據(jù)鎖存等信號(hào)。

圖1 RDC變換電路組成框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2為RDC電路的原理框圖，各芯片的功能介紹如下:

圖2 RDC變換電路原理框圖

AD9833:數(shù)字可編程的DDS發(fā)生器，用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦勵(lì)磁信號(hào)［1］。

AD2S83:單片集成旋轉(zhuǎn)變壓器角度/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，通過配置芯片外圍電路的電阻和電容，直接將輸入的正弦、余弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為角度值，并通過芯片的數(shù)據(jù)總線(可選的10位、12位、14位和16位)傳輸至主控單元［2］。

EPM7128:可編程邏輯組合單元，用于產(chǎn)生AD2S83芯片的片選信號(hào)、數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)和數(shù)據(jù)使能信號(hào)等［3］。

TMS320F2812:RDC電路主控芯片，通過SPI模塊初始化AD9833;使用數(shù)據(jù)總線、地址總線、讀寫信號(hào)和存儲(chǔ)區(qū)域使能信號(hào)，通過EPM7128產(chǎn)生片選、數(shù)據(jù)所存等邏輯電平信號(hào);讀取旋轉(zhuǎn)變壓器粗、精通道AD2S83角度轉(zhuǎn)換二進(jìn)制碼，并將粗、精通道的數(shù)據(jù)合成為高精度的角度值。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器變換模塊轉(zhuǎn)換精度為16位，軟件設(shè)計(jì)主要包括EMP7128邏輯電路和粗、精通道數(shù)據(jù)合成兩部分。

3．1 EMP7128邏輯電路設(shè)計(jì)

TMS320F2812通過16位的數(shù)據(jù)總線讀取AD2S83的轉(zhuǎn)換數(shù)值，因此 AD2S83的 BYTE SELECT引腳直接接5 V高電平，這樣DB1～DB16直接對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換數(shù)值的二進(jìn)制碼。EMP7128的軟件利用TMS320F2812的地址總線、存儲(chǔ)區(qū)域片選信號(hào)和讀信號(hào)，直接產(chǎn)生AD2S83的數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)和數(shù)據(jù)使能信號(hào)，組合邏輯原理圖如圖3所示。

圖3 EMP7128組合邏輯原理圖

3．2 TMS320F2812 軟件設(shè)計(jì)

讀取AD2S83數(shù)據(jù)分三個(gè)步驟:(1)將INHIBIT引腳電平置低，禁止AD2S83數(shù)據(jù)鎖存器更新;(2)保持INHIBIT引腳為低電平，將ENABLE引腳電平置低，使數(shù)據(jù)從AD2S83的鎖存器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)線上，同時(shí)讀取該數(shù)據(jù);(3)將INHIBIT引腳電平置高，使能AD2S83數(shù)據(jù)鎖存器更新。

旋轉(zhuǎn)變壓器粗、精通道數(shù)據(jù)合成的方法較多，文中旋轉(zhuǎn)變壓器的極對(duì)數(shù)為1∶32，主控芯片讀取的角度變換值為16位二進(jìn)制碼，則下文數(shù)據(jù)合成方法可使得計(jì)算量最小，合成算法簡(jiǎn)潔。已知粗通道角度二進(jìn)制碼為RDC-＞Dc，精通道角度二進(jìn)制碼為RDC-＞Dj，設(shè)合成數(shù)據(jù)為RDC-＞Data，則有:

上述計(jì)算式還需根據(jù)粗、精通道角度值判斷是否需要補(bǔ)償0x800，限于篇幅，這里不再贅述。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4和圖5分別為旋轉(zhuǎn)變壓器和使用該旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器的隨動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為高性能交流伺服電動(dòng)機(jī)，電機(jī)自身可以進(jìn)行閉環(huán)調(diào)試。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容包括旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換精度和線性度，以及使用一階前饋PID算法跟蹤給定曲線的控制性能。

圖4 旋轉(zhuǎn)變壓器

圖5 隨動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4．1 轉(zhuǎn)換精度

保持旋轉(zhuǎn)變壓器在多個(gè)位置處于靜止?fàn)顟B(tài)，從CCS3．1中觀察粗、精通道轉(zhuǎn)換數(shù)值的波動(dòng)情況，兩個(gè)通道轉(zhuǎn)換數(shù)值(16位二進(jìn)制碼)的波動(dòng)情況均不超過低3位，則合成的數(shù)據(jù)精度高于16位。

4．2 線性度

隨動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的減速器減速比為1∶128，設(shè)置交流伺服電動(dòng)機(jī)為閉環(huán)系統(tǒng)，單步運(yùn)行，使得電機(jī)每一步運(yùn)轉(zhuǎn)2圈，位置控制器記錄旋轉(zhuǎn)變壓器360°范圍內(nèi)各位置處的變換數(shù)值，得到如圖6所示的直線圖，圖中橫坐標(biāo) n是采樣點(diǎn)，縱坐標(biāo)RCD→Data是位置量合成的16位數(shù)據(jù)值，經(jīng)分析得到線性度小于0．006%。

圖6 旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)變換線性度曲線

4．3隨動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一階前饋PID算法跟蹤實(shí)驗(yàn)

如圖5所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服電動(dòng)機(jī)工作在電流環(huán)和速度換模式，位置控制器完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的位置閉環(huán)控制。

參考輸入為振幅98°，最大跟蹤角速度70°/s，最大跟蹤角加速度50°/s2的正弦曲線。圖7為跟蹤誤差曲線放大圖，其中跟蹤誤差最大值不超過0．12°，即 2 mil。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果間接表明了RDC變換電路具有較高的變換精度和良好的線性度。

圖7 跟蹤誤差曲線放大圖

5結(jié) 語

本文介紹了雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)過程，給出了設(shè)計(jì)的步驟和關(guān)鍵技術(shù)解決方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了RDC變換電路具有高于16位的變換精度和小于0．006%的線性度。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此硬件電路原理簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定;軟件程序思路簡(jiǎn)潔，執(zhí)行穩(wěn)定、效率高，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值，在此基礎(chǔ)上可根據(jù)設(shè)計(jì)需求，添加檢測(cè)、存儲(chǔ)和聯(lián)鎖保護(hù)等電路完善系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)。

［1］ Analog Devices公司．Low power CMOS complete DDS AD9833［M］．Analog Devices，inc．，2002．

［2］ Analog Devices公司．Variable resolution，resolver-to-ditital converter AD2S83 ［M］．Analog Devices，inc．，1998．

［3］ Analog Devices公司．MAX7000A programmable logic device［M］．Analog Devices，inc．，2002．

［4］ TEXAS INSTRUMENTS．TMS320F28x DSP CPU and instruction set reference guide［M］．Texas Instruments，2004．

［5］ TEXAS INSTRUMENTS．TMS320F281x Data Sheet［M］．Texas Instruments，2004．

［6］ 黃科元，董恒，黃守道．旋轉(zhuǎn)變壓器在高速永磁同步電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用［J］．微特電機(jī)，2008(2):10-11．