一種基于ARM 單片機與CPLD的數(shù)字軸角轉(zhuǎn)換方法

引言 同步機.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器等廣泛應用于火力控制.航空航天.自動控制等領域以實現(xiàn)系統(tǒng)間軸角信息的傳輸.由于計算機技術在上述領域的廣泛應用，數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換已(Digitalto Shaft-angle Converting,DSC)成為一個重要的問題.市場上DSC集成模塊產(chǎn)品價格較高且接口不夠靈活，在某些領域應用受到限制，特別在多路DSC使用時效費問題更為突出.基于上述問題，提出一種采用ARM 單片機+CPLD實現(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通過運算電路轉(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Scott變壓器后驅(qū)動同步機指向?qū)S角位置，從而完成數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換.

當同步機.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁繞組電壓為U0 =Umsinωt時，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)動同步機三相繞組電壓為：

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)變壓器信號變?yōu)槿嗤綑C信號，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，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)變壓器信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g的三相同步機信號.2 硬件設計

2.1 總體設計

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，通過通信接口接收外部輸入的軸角信號θ，并對其進行粗精分離及利用查表法計算對應占空比大小，通過總線方式將通道對應地址及占空比對應數(shù)據(jù)信息送入CPLD;CPLD根據(jù)數(shù)據(jù)及地址信息產(chǎn)生對應通道和占空比的PWM 信號;由4個互補MOS管構(gòu)成的全橋驅(qū)動電路由全橋驅(qū)動器UBA2032根據(jù)PWM 信號控制全橋電路開斷，并經(jīng)選頻電路后產(chǎn)生對應軸角的調(diào)制波，經(jīng)Scott變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘈盘柡篁?qū)動同步機指向?qū)S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.下面主要說明選用此型號MCU的原因：

(1)內(nèi)核架構(gòu)先進，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)制波對應PWM 信號占空比等運算，涉及到較多乘除法運算，要求所選MCU需具備較強浮點及乘除運算能力，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)，且可適當超頻，適合完成較為復雜的實時運算;(2)接口豐富，可方便完成功能擴展.RS232串口用于接收外部信息，同時，此型號MCU具有網(wǎng)絡接口，可在系統(tǒng)組網(wǎng)時作為網(wǎng)絡節(jié)點;(3)可變靜態(tài)存儲控制器(FSMC)，是STM32系列采用的一種新型的存儲器擴展技術，可根據(jù)不同的外部存儲器類型通過設置進而匹配信號的速度，達到方便擴展.使用靈活的目的.系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)/地址/控制三總線方式與CPLD通信.

在多路DSC中，通過地址總線傳遞所選通道號，數(shù)據(jù)總線傳遞對應此通道相應軸角調(diào)制波的PWM 信號的占空比，控制總線傳遞相應控制信號.

2.3 CPLD電路如果利用MCU產(chǎn)生PWM信號，由于其需擔負大量運算工作，會增加MCU的負擔從而系統(tǒng)的實時性與穩(wěn)定性均可能得不到保證，因此需要專門產(chǎn)生PWM信號的單元.CPLD是可編程邏輯器件，器件的時延特點較為固定，信號輸出穩(wěn)定性及實時性均可得到保證，因此使用CPLD完成PWM信號的生成.

2.4 全橋電路及選頻電路

全橋電路由兩對互補連接的MOS管組成，具有丙類功率放大的特征，發(fā)熱低.效率高.工作時由PWM 信號驅(qū)動全橋驅(qū)動器UBA2032產(chǎn)生控制全橋電路橋臂開斷時間，從而產(chǎn)生不同有效值的電壓.50%的占空比對應調(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