基于單片機的自整角機數字轉換器的研制

朱家俊，李康，翟從鴻，朱向冰

（安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽蕪湖241000）

基于單片機的自整角機數字轉換器的研制

朱家俊，李康，翟從鴻，朱向冰

（安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽蕪湖241000）

自整角機是一種用于角度測量的微型電機，其可輸出包含角度信息的四路模擬信號，為了便于信息處理，需要將這些模擬信號數字化。本文針對現有國內外數字化轉換技術存在的各種問題，介紹了一種以單片機為控制和處理核心的自整角機信號數字化方案。該方案主要包括硬件電路設計和系統程序設計，硬件電路包括：A/D轉換模塊、單片機模塊、系統接口模塊。系統程序包括：系統初始化、A/D轉換時序控制、數值計算和數據輸出。與現有技術相比，本方案電路簡單，加工方便，精度高。

自整角機；單片機；模數轉換器

0 引言

自整角機是一種利用自整步特性將轉角與交流電壓進行轉換的感應式微型電機[1-3]。在以自整角機為角度傳感器的系統中，角度信號大多以模擬方式傳輸，但是隨著數字化時代的到來，模擬信號形式的角度輸出已經不能滿足應用需求，因此，需要將自整角機輸出的模擬信號數字化[4]。自整角機數字轉換技術正是在此背景下產生的。

國內在自整角機信號數字化領域的研究起步較晚，相關技術較為薄弱，生產的轉換器成本高。相比之下，國外的技術較為成熟，所生產的芯片轉換精度高、實時性好并且能在惡劣環境下工作，但是國內從國外購買該類芯片時，價格昂貴，購貨期長并且沒有及時的技術支持。本文通過對自整角機輸出信號的分析，提出了一種能夠高效地將自整角機角度信號數字化的方案，并且設計出了相應的轉換電路。該自整角機轉換器具有轉換精度高、跟蹤速率快、電路簡單、體積小、成本低等特點。

1 自整角機信號的分析和處理

自整角機在結構上主要由轉子和定子組成，轉子引出端用Z1和Z2表示；定子的三相對稱繞組在空間位置上依次落后，引出端分別用S1、S2、S3表示。在轉子的Z1、Z2端施加一個頻率為幅度為Uref的交流電Uref=U·sinωt，在定子各相繞組上產生的感應電勢差信號為：

下面將通過數值計算提取角度θ。

首先對自整角機輸出的三路信號進行簡單運算，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值的大小，得到角度θ所在的范圍；再根據正余弦值的正負進一步細化角度θ所在區域；最后根據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，θ與tanθ不是一一對應關系，這里將0～2π等分為8個區域，劃分方法如下：

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

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

當|sinθ|≥|cosθ|時，

然后根據sinθ和cosθ的符號計算出不同區域內的θ值。

當sinθ≥0且cosθ≥0時，當sinθ≥0且cosθ≤0時，

當sinθ≤0且cosθ≤0時，

當sinθ≤0且cosθ≥0時，

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

2 硬件電路設計

2.1 A/D轉換模塊

對于自整角機輸出的三路模擬正弦電壓信號，需要先將它們經前端調理電路進行電壓調整，再通過A/D轉換模塊進行模數轉換，轉換為14位的數字信號輸出。A/D轉換模塊包括ADC前端調理電路和模數轉換器。

2.1.1 ADC前端調理電路

前端調理電路的主要功能是將輸入到電路中的三路正弦信號進行降壓和隔離。該調理電路由電阻網絡和運算放大器組成。自整角機的輸出信號S1_INPUT、S2_INPUT、S3_INPUT經由電阻降壓后，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是運算放大器，它們通過電阻網絡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。

圖1 ADC前端調理電路

2.1.2 模數轉換器配置

該系統的模數轉換器采用ADI公司的AD7657，可以將經過前端調理電路輸出的模擬信號轉換為14位的數字信號。

AD7657內置6個獨立的ADC單元，可實現6通道同步采樣，一個2.5 V片內基準電壓源，14位數字輸出，并且轉換器的吞吐率可高達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，此時由CONVST信號決定同步采樣通道的組合。AD7657的SEL/PARSEL和W/B引腳接低電平，轉換器工作在高速并行數據傳輸模式下，并且按字節傳輸數據。本方案中需要對三路模擬信號同時采樣，選用V1、V2、V3作為模擬輸入通道，將CONVST A和CONVST B短接再與單片機連接，CONVST C永久接邏輯高電平。為了簡化電路設計，將REFEN/DIS引腳接高電平，RANGE引腳接邏輯低電平[6]，選擇片內2.5 V基準電壓源并選擇±10 V作為模擬電壓輸入范圍。

2.2 單片機模塊

單片機模塊主要包括單片機最小系統和在線編程接口。

單片機最小系統包括單片機、時鐘電路、復位電路和電源。對于單片機，選用STC公司的STC12C5A60S2。該款單片機不僅能精確控制ADC的模數轉換，還能進行高速的數據處理和運算，保證了實時性的要求，自帶足夠多的I/O端口，可進行并行數據的傳輸，穩定性高，抗干擾能力強，并且該款單片機能夠在-45℃～+85℃環境下工作，體積小，功耗低[7]。

單片機的編程端口為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 系統接口電路模塊

在該系統中，輸入信號是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輸入電阻網絡，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。圖2中，U1、U2為八路高速緩沖器，它們分別對系統的低6位和高8位數據進行緩沖輸出，受使能信號SYS_ENABLE_L、SYS_ENABLE_M的控制。當整個系統更新輸出緩沖器中的數據時，單片機會將25號引腳P2.7置為高電平，即輸出SYS_BUSY信號。U1和U2輸出的14位數字角度送至排針H2-1～H2-14上。

2.4 系統電路原理圖

系統硬件電路主要包括A/D轉換模塊、單片機模塊、系統接口電路模塊。圖3所示為自整角機數字轉換器電路圖。自整角機輸出的三路模擬信號通過A/D轉換模塊的前端調理電路輸入至A/D轉換器中，A/D轉換器在單片機的控制下將模擬信號轉換為數字信號輸入至單片機中，單片機將各路信號進行計算和處理，最后通過緩沖器將14位的角度信號從接口模塊輸出。圖中未標注的電容容值為1μF。

圖3 系統電路原理圖

3 系統程序設計

系統的程序設計主要包括系統初始化、A/D轉換時序控制、數值計算和數據輸出。算法流程如圖4所示。

圖4 算法流程圖

3.1 A/D轉換時序控制

AD7656并行接口時序如圖5所示。在并行數據傳輸模式下，單片機發出一個CONVST高電平脈沖給CONVST A和CONVST B引腳，啟動V1、V2、V3、V4通道的同步轉換，同時AD7657向單片機輸出AD_BUSY高電平，標志AD7657正在進行數據轉換，AD7657轉換時間典型值為tCOVERT=3μs。轉換結束后，AD_BUSY變為低電平，此時，單片機用RD四個信號依次讀取V1、V2、V3、V4轉換后的值，RD低電平脈沖寬度最小值為36 ns，在讀取AD7657數據前，還需將片選信號CS置為低電平。

圖5 AD7657并行接口時序圖

3.2 數值計算

在本系統中，V3_IN是參考信號，計算過程中，其值需要保持為正值，所以先對單片機采集的信號校正符號。對V3_IN進行符號判斷，若為負，則對采樣來的三路信號分別乘-1，再對采集到的V1_IN、V2_IN數據的大小進行判斷，若不在A/D轉換范圍內，則跳出本次循環。如果采集的數據滿足條件，則把三路輸入信號按照前面所述的公式進行計算，查反正切表，根據查出的值和計算的值判斷待轉換角度所在區域，最后算出角度值θ。

3.3 數據輸出

當單片機控制14位數字角的輸出時，會讓SYS_BUSY輸出高電平，表示緩沖器正在刷新數據。

4 實驗結果

該自整角機數字轉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；系統內部以及外部控制信號都滿足設計要求。表1所示是實驗所得的數字角輸出結果，可以看出系統輸出結果的準確度不夠，穩定性有待提高。

表1 系統數字角輸出結果

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

[2]劉錦波.電機與拖動[M].北京：清華大學出版社，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：浙江工業大學，2009.

[5]Anolog Device.AD7657 DataSheet[Z].2012.

[6]CHEN R，GUO J.Application of ADC AD7657 in signal collection system[J].International Electronic Elements，2006（2）：67-71.

[7]宏晶STC.STC12C5A60S2 DataSheet[Z].2010.

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）

朱家俊（1988-），女，碩士，主要研究方向：硬件電路設計。