摘  要： 自整角機(jī)是一種用于角度測量的微型電機(jī)，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(shù)字化。本文針對現(xiàn)有國內(nèi)外數(shù)字化轉(zhuǎn)換技術(shù)存在的各種問題，介紹了一種以單片機(jī)為控制和處理核心的自整角機(jī)信號數(shù)字化方案。該方案主要包括硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，硬件電路包括：A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、系統(tǒng)接口模塊。系統(tǒng)程序包括：系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制、數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案電路簡單，加工方便，精度高。

　　關(guān)鍵詞： 自整角機(jī)；單片機(jī)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器

0 引言

　　自整角機(jī)是一種利用自整步特性將轉(zhuǎn)角與交流電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換的感應(yīng)式微型電機(jī)[1-3]。在以自整角機(jī)為角度傳感器的系統(tǒng)中，角度信號大多以模擬方式傳輸，但是隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，模擬信號形式的角度輸出已經(jīng)不能滿足應(yīng)用需求，因此，需要將自整角機(jī)輸出的模擬信號數(shù)字化[4]。自整角機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)正是在此背景下產(chǎn)生的。

　　國內(nèi)在自整角機(jī)信號數(shù)字化領(lǐng)域的研究起步較晚，相關(guān)技術(shù)較為薄弱，生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換器成本高。相比之下，國外的技術(shù)較為成熟，所生產(chǎn)的芯片轉(zhuǎn)換精度高、實(shí)時(shí)性好并且能在惡劣環(huán)境下工作，但是國內(nèi)從國外購買該類芯片時(shí)，價(jià)格昂貴，購貨期長并且沒有及時(shí)的技術(shù)支持。本文通過對自整角機(jī)輸出信號的分析，提出了一種能夠高效地將自整角機(jī)角度信號數(shù)字化的方案，并且設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路。該自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換精度高、跟蹤速率快、電路簡單、體積小、成本低等特點(diǎn)。

　　1 自整角機(jī)信號的分析和處理

　　自整角機(jī)在結(jié)構(gòu)上主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的Z1、Z2端施加一個(gè)頻率為、幅度為Uref的交流電Uref=U·sin，在定子各相繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢差信號為：

　　首先對自整角機(jī)輸出的三路信號進(jìn)行簡單運(yùn)算，得到僅含角度的正余弦值和正切值；然后比較正余弦絕對值的大小，得到角度所在的范圍；再根據(jù)正余弦值的正負(fù)進(jìn)一步細(xì)化角度所在區(qū)域；最后根據(jù)確定的范圍和反正切值得到較為精確的?茲值。

　　整理式（1）~式（3），可得：

　　然后根據(jù)sin和cos的符號計(jì)算出不同區(qū)域內(nèi)的值。

　　利用該種自整角機(jī)信號處理方法不僅可以提高角度值的運(yùn)算精度，還能避免討論sin=0或者cos=0的臨界情況，提高了算法的執(zhí)行效率。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

　　對于自整角機(jī)輸出的三路模擬正弦電壓信號，需要先將它們經(jīng)前端調(diào)理電路進(jìn)行電壓調(diào)整，再通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為14位的數(shù)字信號輸出。A/D轉(zhuǎn)換模塊包括ADC前端調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

　　2.1.1 ADC前端調(diào)理電路

　　前端調(diào)理電路的主要功能是將輸入到電路中的三路正弦信號進(jìn)行降壓和隔離。該調(diào)理電路由電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成。自整角機(jī)的輸出信號S1_INPUT、S2_INPUT、S3_INPUT經(jīng)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(yùn)算放大器，它們通過電阻網(wǎng)絡(luò)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。

　　2.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器配置

　　該系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADI公司的AD7657，可以將經(jīng)過前端調(diào)理電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為14位的數(shù)字信號。

　　AD7657內(nèi)置6個(gè)獨(dú)立的ADC單元，可實(shí)現(xiàn)6通道同步采樣，一個(gè)2.5 V片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源，14位數(shù)字輸出，并且轉(zhuǎn)換器的吞吐率可高達(dá)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(shí)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(zhuǎn)換器工作在高速并行數(shù)據(jù)傳輸模式下，并且按字節(jié)傳輸數(shù)據(jù)。本方案中需要對三路模擬信號同時(shí)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(jī)連接，CONVST C永久接邏輯高電平。為了簡化電路設(shè)計(jì)，將REFEN/DIS引腳接高電平，RANGE引腳接邏輯低電平[6]，選擇片內(nèi)2.5 V基準(zhǔn)電壓源并選擇±10 V作為模擬電壓輸入范圍。

　　2.2 單片機(jī)模塊

　　單片機(jī)模塊主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)和在線編程接口。

　　單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源。對于單片機(jī)，選用STC公司的STC12C5A60S2。該款單片機(jī)不僅能精確控制ADC的模數(shù)轉(zhuǎn)換，還能進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，保證了實(shí)時(shí)性的要求，自帶足夠多的I/O端口，可進(jìn)行并行數(shù)據(jù)的傳輸，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，并且該款單片機(jī)能夠在-45℃~+85℃環(huán)境下工作，體積小，功耗低[7]。

　　單片機(jī)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(tǒng)接口電路模塊

　　在該系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)，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(tǒng)。圖2中，U1、U2為八路高速緩沖器，它們分別對系統(tǒng)的低6位和高8位數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖輸出，受使能信號SYS_ENABLE_L、SYS_ENABLE_M的控制。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)更新輸出緩沖器中的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)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(shù)字角度送至排針H2-1~H2-14上。

　　2.4 系統(tǒng)電路原理圖

　　系統(tǒng)硬件電路主要包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、系統(tǒng)接口電路模塊。圖3所示為自整角機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路圖。自整角機(jī)輸出的三路模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊的前端調(diào)理電路輸入至A/D轉(zhuǎn)換器中，A/D轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)的控制下將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入至單片機(jī)中，單片機(jī)將各路信號進(jìn)行計(jì)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(biāo)注的電容容值為1 μF。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制、數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出。算法流程如圖4所示。

　　3.1 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制

　　AD7656并行接口時(shí)序如圖5所示。在并行數(shù)據(jù)傳輸模式下，單片機(jī)發(fā)出一個(gè)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(zhuǎn)換，同時(shí)AD7657向單片機(jī)輸出AD_BUSY高電平，標(biāo)志AD7657正在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，AD7657轉(zhuǎn)換時(shí)間典型值為tCOVERT=3 s。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，AD_BUSY變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)，單片機(jī)用RD四個(gè)信號依次讀取V1、V2、V3、V4轉(zhuǎn)換后的值，RD低電平脈沖寬度最小值為36 ns，在讀取AD7657數(shù)據(jù)前，還需將片選信號CS置為低電平。

　　3.2 數(shù)值計(jì)算

　　在本系統(tǒng)中，V3_IN是參考信號，計(jì)算過程中，其值需要保持為正值，所以先對單片機(jī)采集的信號校正符號。對V3_IN進(jìn)行符號判斷，若為負(fù)，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(shù)據(jù)的大小進(jìn)行判斷，若不在A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，則跳出本次循環(huán)。如果采集的數(shù)據(jù)滿足條件，則把三路輸入信號按照前面所述的公式進(jìn)行計(jì)算，查反正切表，根據(jù)查出的值和計(jì)算的值判斷待轉(zhuǎn)換角度所在區(qū)域，最后算出角度值。

　　3.3 數(shù)據(jù)輸出

　　當(dāng)單片機(jī)控制14位數(shù)字角的輸出時(shí)，會讓SYS_BUSY輸出高電平，表示緩沖器正在刷新數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　該自整角機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)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(nèi)；系統(tǒng)內(nèi)部以及外部控制信號都滿足設(shè)計(jì)要求。表1所示是實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)字角輸出結(jié)果，可以看出系統(tǒng)輸出結(jié)果的準(zhǔn)確度不夠，穩(wěn)定性有待提高。

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