一種基于ARM 單片機(jī)與CPLD的數(shù)字軸角轉(zhuǎn)換方法

引言 同步機(jī).正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器等廣泛應(yīng)用于火力控制.航空航天.自動(dòng)控制等領(lǐng)域以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間軸角信息的傳輸.由于計(jì)算機(jī)技術(shù)在上述領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換已(Digitalto Shaft-angle Converting,DSC)成為一個(gè)重要的問(wèn)題.市場(chǎng)上DSC集成模塊產(chǎn)品價(jià)格較高且接口不夠靈活，在某些領(lǐng)域應(yīng)用受到限制，特別在多路DSC使用時(shí)效費(fèi)問(wèn)題更為突出.基于上述問(wèn)題，提出一種采用ARM 單片機(jī)+CPLD實(shí)現(xiàn)數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換的方法.

1 數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換原理數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換(DSC)是將數(shù)字形式表示的軸角度θ通過(guò)運(yùn)算電路轉(zhuǎn)換為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器形式的電壓(如式(1))，經(jīng)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和經(jīng)過(guò)Scott變壓器后驅(qū)動(dòng)同步機(jī)指向?qū)?yīng)軸角位置，從而完成數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換.

當(dāng)同步機(jī).正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁繞組電壓為U0 =Umsinωt時(shí)，則正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器兩相繞組輸出電壓為：

URS =KRUmsinωtsinθ

URC =KRUmsinωtcosθ

驅(qū)動(dòng)同步機(jī)三相繞組電壓為：

US1 =KSUmsinωtsinθ

US2 =KSUmsinωtsin(θ+120°)

US3 =KSUmsinωtsin(θ-120°)

其中，KR ?KS分別為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和同步機(jī)的變壓比，θ為軸角位置.

為了將兩相正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)變?yōu)槿嗤綑C(jī)信號(hào)，需使用Scott變壓器.其基本構(gòu)造及原理分析如圖1所示.

在圖1 (a)中，URS ?URC是空間兩相正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)，將兩變壓器按圖中抽頭連接，如圖1 (b)的相量圖分析：

Us1 =URS

US2 =-0.5URS -0.866URC

US3 =-0.5URS +0.866URC

這樣就將空間兩相正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g的三相同步機(jī)信號(hào).2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

以一路DSC為例，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.工作原理為：STM32F407微控制器為主控芯片，通過(guò)通信接口接收外部輸入的軸角信號(hào)θ，并對(duì)其進(jìn)行粗精分離及利用查表法計(jì)算對(duì)應(yīng)占空比大小，通過(guò)總線方式將通道對(duì)應(yīng)地址及占空比對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信息送入CPLD;CPLD根據(jù)數(shù)據(jù)及地址信息產(chǎn)生對(duì)應(yīng)通道和占空比的PWM 信號(hào);由4個(gè)互補(bǔ)MOS管構(gòu)成的全橋驅(qū)動(dòng)電路由全橋驅(qū)動(dòng)器UBA2032根據(jù)PWM 信號(hào)控制全橋電路開斷，并經(jīng)選頻電路后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)軸角的調(diào)制波，經(jīng)Scott變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘈盘?hào)后驅(qū)動(dòng)同步機(jī)指向?qū)?yīng)軸角位置即完成系統(tǒng)的數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換.

2.2 STM32F4微控制器

STM32F4微控制器是由意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的基于ARMCortex-M4內(nèi)核的新型微控制器，性能優(yōu)越.下面主要說(shuō)明選用此型號(hào)MCU的原因：

(1)內(nèi)核架構(gòu)先進(jìn)，性能優(yōu)越.由于MCU需要完成諸如軸角粗精分離.取整以及調(diào)制波對(duì)應(yīng)PWM 信號(hào)占空比等運(yùn)算，涉及到較多乘除法運(yùn)算，要求所選MCU需具備較強(qiáng)浮點(diǎn)及乘除運(yùn)算能力，而所選STM32F4微控制器具有專門的硬件乘法器和具有較高的主頻(168MHz)，且可適當(dāng)超頻，適合完成較為復(fù)雜的實(shí)時(shí)運(yùn)算;(2)接口豐富，可方便完成功能擴(kuò)展.RS232串口用于接收外部信息，同時(shí)，此型號(hào)MCU具有網(wǎng)絡(luò)接口，可在系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);(3)可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器(FSMC)，是STM32系列采用的一種新型的存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)，可根據(jù)不同的外部存儲(chǔ)器類型通過(guò)設(shè)置進(jìn)而匹配信號(hào)的速度，達(dá)到方便擴(kuò)展.使用靈活的目的.系統(tǒng)中通過(guò)數(shù)據(jù)/地址/控制三總線方式與CPLD通信.

在多路DSC中，通過(guò)地址總線傳遞所選通道號(hào)，數(shù)據(jù)總線傳遞對(duì)應(yīng)此通道相應(yīng)軸角調(diào)制波的PWM 信號(hào)的占空比，控制總線傳遞相應(yīng)控制信號(hào).

2.3 CPLD電路如果利用MCU產(chǎn)生PWM信號(hào)，由于其需擔(dān)負(fù)大量運(yùn)算工作，會(huì)增加MCU的負(fù)擔(dān)從而系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性均可能得不到保證，因此需要專門產(chǎn)生PWM信號(hào)的單元.CPLD是可編程邏輯器件，器件的時(shí)延特點(diǎn)較為固定，信號(hào)輸出穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性均可得到保證，因此使用CPLD完成PWM信號(hào)的生成.

2.4 全橋電路及選頻電路

全橋電路由兩對(duì)互補(bǔ)連接的MOS管組成，具有丙類功率放大的特征，發(fā)熱低.效率高.工作時(shí)由PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)全橋驅(qū)動(dòng)器UBA2032產(chǎn)生控制全橋電路橋臂開斷時(shí)間，從而產(chǎn)生不同有效值的電壓.50%的占空比對(duì)應(yīng)調(diào)制波的零值，為了保證UBA2023的工作及MOS管的正常開斷，通常PWM 信