基于AD2S1210的旋變解碼電路設計

劉蕓邑，鄭 婕，李 燕，田桂平，魏 偉，陳 潔

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基于AD2S1210的旋變解碼電路設計

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）

介紹了在步進凝視掃描成像平臺的位置檢測中，傳感器的解碼電路。利用旋轉變壓器-數字轉換（RDC）芯片AD2S1210，對旋轉變壓器J78XFS009進行解碼，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和旋變的連接電路等。整個電路的結構簡單，可靠性強，穩定性好，精度較高，具有抗干擾能力強的優點，能夠在惡劣的環境下工作，可以有很高的實用價值。經過實驗結果表明，應用該電路可以精確的檢測電機的位置信號，能夠實現電機的多閉環控制。

旋轉變壓器；AD2S1210；旋轉變壓器-數字變換器；電路設計

0 引言

非制冷凝視器件在旋轉掃描全景拼接時，如果速度過快，會造成圖像拖尾，圖像質量受損。一般采用步進凝視的掃描方案解決上述問題。即在圖像采集的瞬間掃描運動平臺低速運行，完成積分圖像采集后，運動平臺迅速加速，在到達下一個圖像采集位置前開始減速，速度降低后進行下一幅圖像的采集，如此周期步進即可得到全景圖像，成像質量可接近于凝視成像[1]。由此，需要完成對步進凝視掃描成像平臺的精確運動控制，即實現對該平臺的位置的精確檢測和控制。控制精度直接影響全景圖像質量，對項目成敗具有重要意義。

光學編碼器和旋轉變壓器是兩種經常作為角度位置檢測的傳感元件。光學編碼器的輸出信號是純數字量，能夠方便處理，最初有過良好應用。但是光學編碼器在應用過程中很大程度上依賴于電機參數，且抗干擾能力弱，在惡劣的條件下不宜使用，所以應用受到了限制。而旋轉變壓器在早期由于復雜的信號處理電路以及較貴的價格，應用受到了限制。但是其可靠性高，精度高，所以應用越來越廣泛[2]。

旋轉變壓器旋轉輸出的信號是一個兩相正交的模擬信號，所以在應用中，需要一個模數轉換電路，把模擬量變換成數字量[3]。目前采用的解碼方法大多都是使用專用集成電路，其中的代表有美國模擬器件公司的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。而且該芯片內部的正弦波振蕩器產生的激勵頻率范圍可達2～20kHz。其最大的跟蹤速率為3125r/s，檢測角度數據的最大精度為±2.5￠，能夠滿足控制要求[5]。

1 位置檢測系統原理

1.1 旋變工作原理

旋變是一種旋轉變壓器，通常配置是初級繞組位于轉子上，兩個次級繞組則位于定子上，其結構如圖1所示。

圖1 經典旋轉變壓器

旋變輸出電壓(3－1，2－4)的計算如公式(1)和(2)所示[6]：

3－1＝0sint×sin(1)

2－4＝0sint×cos(2)

式中：為軸角；sint為轉子激勵頻率；0為轉子激勵幅度。

1.2 AD2S1210芯片解算原理

AD2S1210芯片的工作原理是Type Ⅱ跟蹤閉環原理。當輸出更新1LSB時，旋變的位置旋轉過了最低有效位的角度。轉換器產生輸出角，反饋后與輸入角進行比較，藉此來跟蹤軸角；兩個角度之差即為誤差，如果轉換器能夠精準地跟蹤輸入角，則誤差趨于0。為了測量誤差，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)

利用內部產生的合成基準信號來解調該信號，得到如下表達式：

0(sincos－cossin) (6)

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

2 系統構成

圖2為整個解碼系統的結構圖。

2.1 硬件設計

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數字電壓，濾波電容也為10 nF和4.7mF。晶振選用8.192 MHz的無源晶體。

圖2 系統結構圖

圖3 AD2S1210外圍電路

此時10kHz為默認的勵磁頻率，振蕩器選用20pF的濾波電容，參考信號則選用10pF和10nF的濾波電容。

電路中，激磁信號EXC－和EXC＋經過放大后驅動旋轉變壓器，旋變將COS－、COS＋、SIN－、SIN＋信號反饋至AD2S1210，通過芯片內部解算以及控制器對AD2S1210的通信配置（配置過程詳見軟件設計）等，讀取位置信息。

2.1.2 緩沖電路

AD2S1210直接輸出的激磁部分，需要對電流進行增益和放大，才能將旋轉變壓器驅動起來。圖4是基于THS4062[8]的勵磁緩沖電路，將EXC－和EXC＋信號放大為AXEXC－和AXEXC＋（信號名僅作區分），以驅動旋變。AD2S1210的激磁信號輸出端提供3.6V正弦信號，能夠產生一個7.2V的差分信號。而理想狀態下AD2S1210芯片的正余弦輸入要求差分能夠達到3.15V的幅度，而本次所選用的旋變的勵磁電壓為26V，所以需要設計緩沖電路來滿足需要[9]。

圖4 緩沖電路

2.1.3 控制器接口電路

硬件系統的主控芯片為dsPIC30F6014A，外圍電路主要有時鐘電路、復位電路和下載配置電路等。時鐘電路能夠產生嚴格的時序信號供主控芯片使用。復位電路是當過電壓或者欠電壓的情況發生時可以對控制器進行自動復位保護。下載配置電路，可將程序下載到主控芯片中去，主要用于系統程序的在線仿真和調試。

2.2 軟件設計

在本次基于AD2S1210的旋變解碼電路的軟件設計方面，主要涉及到重點和難點是控制器dsPIC30F6014A對旋轉變壓器-數字轉換芯片（RDC）AD2S1210的控制。

dsPIC30F系列芯片具有豐富的伺服控制的外設以及強大的運算能力，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輸出數據的選擇都是通過AD2S1210上的A0和A1輸入引腳來配置。其設置見參考文獻[5]中表8配置模式設置。

結合控制器dsPIC30F6014A系統工作頻率的設置和AD2S1210的時序要求，經過計算，該電路設計可以得到均滿足要求的時序設計。同時，時序也能滿足AD2S1210的數據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計中也夠充足，于是確定選擇并行的數據通信方式是可行的。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，可以寫入AD2S1210的片內寄存器。寫入AD2S1210的每個8位字的MSB決定該8位字是寄存器地址還是數據。AD2S1210所定義的各寄存器地址的MSB(D7)為高。寫入AD2S1210的各數據字的MSB為低。然后，利用引腳DB7至DB0將8位地址寫入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上提供數據，并再次利用WR/FSYNC輸入將數據鎖存至器件。寫入配置寄存器時應遵循的時序要求參見參考文獻[5]中圖28“并行端口寫入時序-配置模式圖”。需注意，在寫入AD2S1210時，/RD輸入應保持高電平，且寫入寄存器的操作必須將AD2S1210置于配置模式。

如果需要利用AD2S1210對位置或速度信息進行回讀，應當使用SAMPLE信號的輸入來達到更新位置和速度寄存器里面的存儲信息的目的。而能夠決定是將位置數據還是速度數據傳輸至輸出寄存器的是A0和A1的輸入狀態。最后，利用RD的輸入讀取輸出寄存器中的數據，并使能輸出緩沖器[11]。只有在CS引腳保持低電平的狀態才能將所選數據傳輸至輸出寄存器，同時RD為低電平時，輸出緩沖器使能。而當RD為高電平時，數據引腳也為高阻態。要注意當RD為低電平時，WR/FSYNC輸入應為高電平。讀數據時應遵循的時序要求見參考文獻[5]中圖30“并行端口讀出時序圖”。讀取數據的流程圖如圖5所示。

而AD2S1210的輸出分辨率則由RES0和RES1引腳來配置，不同的分辨率對應不同的位置精度。該電路設計中由旋變及應用要求選擇了精度最高的16位分辨率配置。在進行兩種模式的變換時，RES0、RES1輸入引腳所設置的分辨率和控制寄存器中設置的分辨率需要保持一致，否則輸出的數據則會發生錯誤。

由AD2S1210說明材料及軟件設計和調試經歷得知：在開始控制器對AD2S1210的設置之前，需要加入對AD2S1210芯片的復位控制設置，以清除AD2S1210芯片的故障寄存器，為保證AD2S1210芯片正常工作。對AD2S1210故障寄存器的清除操作工作在配置模式下，時序參見參考文獻[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 結果分析

經過該解碼電路與系統連接調試后，對旋轉變壓器的解碼數據進行多次采樣，得到如圖6和圖7所示的信號采樣繪制圖。這兩幅圖是通過串口傳輸到上位機，用LabVIEW中的波形圖表觀察到的轉子位置信號。兩幅圖的橫坐標均為時間，縱坐標均為采樣的信號值，即位置數據。圖6為旋轉變壓器連續變化時的采樣信號，信號幅值隨著位置的連續變化而變化；圖7為旋轉變壓器的粗機完成一圈旋轉時在臨界點出現跳變時的采樣信號，在位置出現跳變時，信號也隨即發生變化。兩幅圖幅值連續，都沒有因為外界干擾出現信號丟失等現象。可以看到該解碼控制電路能夠很好地完成對電機位置的精確檢測，穩定性好。

3 結論

此方案已經在步進凝視掃描成像平臺的運動控制中得到了良好的應用。

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

該系統能夠精確地檢測機的位置信號，繼而可以實現電機的多閉環控制。而該硬件電路小巧可靠，與整個系統的通信方式靈活，也容易實現。

[1] 陳潔, 張若嵐. 應用于紅外搜索跟蹤和態勢感知系統的全景成像技術[J]. 紅外技術, 2016, 38(4): 269-279.

CHEN Jie, ZHANG Ruolan. Panoramic imaging technology Applied in IRST and Status Awareness System[J]., 2016, 38(4): 269-279.

[2] 張洪潤, 張亞凡. 傳感器原理及應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008.

ZHANG Hongrun, ZHANG Yafan.[M]. Beijing:Tsinghua University Press, 2008.

[3] 羅詩風, 夏明霞, 王軍, 等. 一種基于旋轉變壓器的通用數字式軸角傳感器及其誤差補償技術[J]. 機床與液壓, 2013, 40(23): 93-96.

LUO Shifeng, XIA Mingxia, WANG Jun, et al. A common digital angle sensor based on resolver and error compensation technology[J]., 2013, 40(23): 93-96.

[4] 李偉偉. 旋轉變壓器軸角數字變換技術(一)綜述[J]. 伺服控制, 2015, 7(5): 72-76.

LI Wei-wei. Summarize-Angle digital conversion technology of the resolvers[J]., 2015, 7(5): 72-76.

[5] Analog Devices Inc.AD2S1210 datasheet[Z].U.S.A: ADI, 2010.

[6] 李曉青, 陳華泰, 董海鷹. 旋轉變壓器/數字轉換器在直流電機控制系統中的應用研究[J]. 電氣傳動自動化, 2013, 35(5): 1-4.

LI Xiaoqiug, CHEN Huatai, DONG Haiying. Application and research on a novel resolver-digital converter in DC motor control system[J]., 2013, 35(5): 1-4.

[7] 李巖, 于爽, 夏加寬, 等. 一種新型磁阻式正余弦旋轉變壓器解碼方法[J].電氣工程學報, 2015, 10(9): 41-47.

LI Yan, YUShuang, XIAJia-kuan, et al. A new decoding method for reluctance Cosine Resolver[J]., 2015, 10(9): 41-47.

[8] Texas Instruments.THS4062 Datasheet[Z].U.S.A: TI, 2014.

[9] 鄒旭. 旋轉變壓器信號處理與設計[D]. 武漢: 華中科技大學, 2008: 15-20.

ZOU Xu. The Solution for Obtaining Resolver Angular Position and Speed[D]. Wuhan: HuazhongUniversity of Science & Technology, 2008: 15-20.

[10] Microchip Technology Inc. dsPIC30F6011A/6012A/6013A/ 6014AData-Sheet[Z]. U.S.A: Microchip, 2005.

[11] 王玉玨, 翁浩宇, 張海勇, 等. 基于AD2S1210的電機解碼系統設計[J]. 電子技術應用, 2013, 39(2): 48-51.

WANG Yujue, WENG Haoyu, ZHANG Haiyong, et al. Design of motor decode system based on AD2S1210[J]., 2013, 39(2): 48-51.

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。E-mail：liuyunyi627@163.com。