摘 要： 介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S83在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了該器件與主控芯片DSP(TMS320F240)的接口電路設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 伺服系統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字轉(zhuǎn)換器
在伺服系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)地檢測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，包括轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置和增量式位置，同時(shí)還需檢測(cè)出電機(jī)的速度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度、及其驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)的位置的高精度控制。
在電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)中，旋轉(zhuǎn)變壓器由于其具有堅(jiān)固耐用，能夠提供高精度的位置信息等突出優(yōu)點(diǎn)，而獲得越來越廣泛的應(yīng)用。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是包含著位置信息的模擬信號(hào)，需對(duì)其處理并將其轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的包含著位置信息的數(shù)字量，才能與單片機(jī)或DSP等控制芯片接口。這就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路或者使用專用的旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，后者由于有功能強(qiáng)、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。筆者在最近開發(fā)的基于DSP的數(shù)字式伺服系統(tǒng)中，選用了美國AD公司的旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S83，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)位置信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)字化，取得了滿意的效果。
1 AD2S83芯片簡(jiǎn)介
1.1 AD2S83芯片引腳功能介紹
AD2S83芯片引腳功能描述見表1。
1.2 AD2S83芯片的特點(diǎn)
AD2S83芯片是AD公司生產(chǎn)的跟蹤式旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字轉(zhuǎn)換器(R/D轉(zhuǎn)換器)，它具有以下特點(diǎn)：
(1) 允許用戶自己選擇適合的的分辨率。AD2S83提供有10位、12位、14位或16位的分辨率，用戶可根據(jù)需要，通過外圍器件的不同連接選用不同的分辨率。
(2) 通過三態(tài)輸出引腳輸出并行的二進(jìn)制碼來表征位置信息，因而很容易與單片機(jī)或DSP等控制芯片接口。
(3) 采用比率跟蹤轉(zhuǎn)換方式，使之能連續(xù)輸出位置數(shù)據(jù)而沒有轉(zhuǎn)換延遲并具有較強(qiáng)的抗干擾能力和遠(yuǎn)距離傳輸能力。
(4) 用戶可通過外圍阻容元件的選擇，改變轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)性能，如帶寬、最大跟蹤速率等。
(5) 具有很高的最大跟蹤速度，10位分辨率時(shí)的最大跟蹤速度為1040轉(zhuǎn)/秒。
(6) 能提供高精度的速度信號(hào)輸出。AD2S83能提供與轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號(hào)，其典型的線性度達(dá)到±1%，回差小于±0.3%，可代替測(cè)速發(fā)電機(jī)的功能。
由此可見，采用AD2S83不但可以將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字位置信號(hào)，而且同時(shí)還可以得到高精度的速度信號(hào)，能夠很好地滿足數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)中對(duì)交流電機(jī)的位置及速度反饋信號(hào)的要求。
1.2 AD2S83芯片外圍電路的典型配置
圖1給出了采用12位分辨率時(shí)AD2S83芯片外圍電路的典型配置圖，其中的各電阻和電容的值是在參考頻率為5 kHz，帶寬為520 Hz，最大跟蹤速度為260 rps 情況下算出的。用戶可根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇合適的值，具體計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[1]。
2 AD2S83芯片在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用
筆者在所設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)中，用DSP 作為主控芯片，用AD2S83芯片將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的數(shù)字位置信號(hào)，然后由DSP將數(shù)字位置信號(hào)讀入并進(jìn)行處理。這里重點(diǎn)介紹AD2S83芯片與DSP的接口設(shè)計(jì)。
2.1 常規(guī)接口設(shè)計(jì)的分析
按常規(guī)，把AD2S83作為DSP的一個(gè)外設(shè)，不論AD2S83芯片的內(nèi)部處于什么狀態(tài)，當(dāng)DSP需要讀入位置信號(hào)時(shí)，就通過其I/O口向AD2S83芯片的
引腳施加低電平信號(hào)，從而阻止了鎖存器的刷新，等待一段時(shí)間后，便可讀取數(shù)據(jù)。這種方式下的讀取數(shù)據(jù)時(shí)序圖如圖2所示。
由圖2可知，在這種方式下，DSP向
引腳施加低電平信號(hào)后，也須等待t9＝490ns，才能讀入有效數(shù)據(jù)。這對(duì)于指令周期只有50ns的DSP來說，需要等待近10個(gè)指令周期，這對(duì)于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)來說是難以接受的，而且這樣做還需要增加較為復(fù)雜的硬件等待電路。
2.2 直接讀取數(shù)據(jù)的接口設(shè)計(jì)
由于常規(guī)的接口設(shè)計(jì)不但需要較長的等待時(shí)間，
而且需要增加外圍硬件電路，我們采用了直接讀取數(shù)據(jù)的接口設(shè)計(jì)方案。在這種方案中，我們舍棄了上述方案中利用芯片內(nèi)部的三態(tài)門直接與DSP數(shù)據(jù)總線接口的方法，因?yàn)樵谶@種方案中，時(shí)延的產(chǎn)生與三態(tài)門的數(shù)據(jù)需要時(shí)間穩(wěn)定有密切的聯(lián)系。因此，我們?cè)谒捎玫姆桨钢袑⑿酒挠嘘P(guān)引腳接到適當(dāng)?shù)碾娖缴希剐酒瑑?nèi)部的三態(tài)門始終處于通態(tài)，三態(tài)門與DSP數(shù)據(jù)總線兩者之間通過兩片74AC245連接起來，這樣，當(dāng)DSP需要讀入位置信號(hào)時(shí)，就可通過74AC245來直接讀取了，從而大大減少了讀取數(shù)據(jù)的等待時(shí)間，提高了伺服控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。其接口原理圖如圖3所示。圖中只示出了與讀取數(shù)據(jù)有關(guān)的信號(hào)的連接，其它的外圍器件及引腳的連接從略。在這種方案中，當(dāng)需要讀取位置數(shù)據(jù)時(shí)，DSP首先不斷地查詢BUSY信號(hào)，當(dāng)BUSY信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，就從74AC245中直接讀取數(shù)據(jù)即可。這種情況下，查詢BUSY信號(hào)的最大等待時(shí)間只有200 ns。這種方案與常規(guī)方案相比，不但明顯地減少了讀取數(shù)據(jù)的等待時(shí)間(至少減少一半多)，而且在硬件上用2片廉價(jià)的74AC245取代了復(fù)雜的等待電路，因此，我們選擇了這種方案。
3 誤差分析及結(jié)論
采用直接數(shù)據(jù)讀取的接口方案，其最大誤差主要取決于以下兩者的最大值：
·當(dāng)DSP 讀取數(shù)據(jù)時(shí)，BUSY信號(hào)正好為低電平，此時(shí)誤差取決于所采用的AD2S83的分辨率。由于我們采用的分辨率為12位，所以，誤差角為：
δ1＝ 3600°/212 ＝0.0879°
·當(dāng)DSP 讀取數(shù)據(jù)時(shí)，BUSY信號(hào)正好為高電平，此時(shí)誤差取決于等待時(shí)間和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在我們所設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)中，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是6200 rpm，電機(jī)的極對(duì)數(shù)為2，等待時(shí)間為200ns，可算出最大的電氣誤差角為：
δ2＝ 0.2×10－6×(6200/60)×360°×2 ＝0.0149°
由此可見，最大的電氣誤差角也不過0.0879°，
這樣的誤差完全可以忽略！
在我們所設(shè)計(jì)的基于DSP的數(shù)字式伺服控制系統(tǒng)中，采用了這種直接數(shù)據(jù)讀取的接口方案。實(shí)踐證明，這種方案能夠?qū)崟r(shí)地讀取位置信息，而且接口簡(jiǎn)單，是可行的。
參考文獻(xiàn)
1 Resolver－to－Digital Converter AD2S83 data manual.Analog Devices Inc.，1995.
2 TMS320C24x DSP Controllers Reference Set.TexasInstruments Incorporated，1997