桑坤，金慧敏，朱向冰

　　(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000)

　　摘要：自整角機(jī)信號(hào)發(fā)生器將輸入的數(shù)字角度信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量，驅(qū)動(dòng)自整角機(jī)旋轉(zhuǎn)，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中。國(guó)外的自整角機(jī)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)品進(jìn)口周期長(zhǎng)，并且進(jìn)行技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換精度較差，轉(zhuǎn)換速度較慢。針對(duì)國(guó)內(nèi)外自整角機(jī)信號(hào)發(fā)生器存在的問(wèn)題，介紹了一種以單片機(jī)為控制和處理核心的能夠?qū)⒆哉菣C(jī)信號(hào)數(shù)字角量轉(zhuǎn)化為模擬角度的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案，分析了如何用單片機(jī)及D/A芯片實(shí)現(xiàn)將數(shù)字角量信號(hào)轉(zhuǎn)化為自整角機(jī)所需的三路模擬信號(hào)，改善了轉(zhuǎn)換速度和精度的問(wèn)題，提高了穩(wěn)定性和抗干擾性等性能。

　　關(guān)鍵詞：自整角機(jī)；單片機(jī)；信號(hào)發(fā)生器；D/A芯片

　　0引言

　　自整角機(jī)是一種特種電機(jī)，已用于軍事、自控工業(yè)、航海等諸多方面。自整角機(jī)信號(hào)發(fā)生器接收數(shù)字角度信號(hào)并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)自整角機(jī)轉(zhuǎn)到特定的角度，可以減少模擬角度信號(hào)在較長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的干擾，伴隨數(shù)控系統(tǒng)的推廣，自整角機(jī)信號(hào)發(fā)生器作為該系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，也將擁有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。現(xiàn)有的自整角機(jī)信號(hào)發(fā)生器雖然已實(shí)現(xiàn)了集成化和產(chǎn)品化，但國(guó)內(nèi)技術(shù)在精度及轉(zhuǎn)換速度上始終難以達(dá)到國(guó)外同行標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外技術(shù)又存在價(jià)格昂貴、技術(shù)封鎖等原因，導(dǎo)致其在某些領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用市場(chǎng)受制于人，不利于在控制領(lǐng)域的推廣應(yīng)用［1］。為此本文提出一種電路簡(jiǎn)單、精度較高、轉(zhuǎn)換速度較快、易于實(shí)現(xiàn)的自整角機(jī)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案。

1自整角機(jī)信號(hào)發(fā)生器

　　自整角機(jī)在結(jié)構(gòu)上，主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子軸上的單相繞組通過(guò)電刷和滑環(huán)與外界連接，引出端用Z1和Z2表示；定子的三相對(duì)稱(chēng)繞組以Y型連接，空間位置上依次落后120°，輸入端分別用S1、S2、S3表示，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?！　?/p>

　　自整角機(jī)輸入三路交流信號(hào)［2］，需要一路交流電壓激勵(lì)，激勵(lì)電壓也稱(chēng)為參考電壓，激勵(lì)電壓為：

　　Uref=ERLO－RHIsinωt(1)

　　S1、S2、S3是信號(hào)電壓的引腳，三路交流信號(hào)分別為：

　　ES1－S3=ERLO－RHIsinωtsinθ(2)

　　ES3－S2=ERLO－RHIsinωtsin(θ+120°）(3)

　　ES2－S1=ERLO－RHIsinωtsin(θ+240°）(4)

　　并且

　　ES2－S1+ES3－S2+ES1－S3=0(5)

　　其中sinωt為交流信號(hào)，θ是自整角機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角［13］。在控制系統(tǒng)中，數(shù)字角度信號(hào)θ是14 bit并行二進(jìn)制碼，范圍是0°~360°，自整角機(jī)信號(hào)發(fā)生器將數(shù)字角度信號(hào)θ轉(zhuǎn)化成式（2）~式（4）的模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)自整角機(jī)旋轉(zhuǎn)。

2整體電路的設(shè)計(jì)

　　本文所述的設(shè)計(jì)方案是以單片機(jī)為控制核心，將數(shù)字角度信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行查表運(yùn)算，輸出的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并發(fā)送至乘法器；激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)變壓器隔離和降壓后輸入乘法器，兩圖4單片機(jī)模塊

　　路模擬信號(hào)與降壓后的激勵(lì)信號(hào)相乘，得到所需的模擬信號(hào)，并通過(guò)輸出變壓器隔離和升壓，輸出至自整角機(jī)。電路總體設(shè)計(jì)方案及電路圖如圖2所示。

　　硬件電路是由電源模塊、激勵(lì)信號(hào)電路、單片機(jī)模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、乘法輸出電路組成。

　　2.1電源模塊

　　電路中的元器件需要±15 V和+5 V電源，并且±15 V電源不能接反，+15 V上電時(shí)間不能晚于+5 V電源。采用二極管串聯(lián)防止±15 V電源反接，在+5 V電源的輸入端串接MOSFET管，+15 V電源控制MOSFET管開(kāi)和關(guān)，可以保證+15 V電源上電時(shí)間不晚于+5 V電源，保證了電路的正常工作。

　　由于選擇的二極管反向電壓可以達(dá)到40 V，能夠很好地保護(hù)后續(xù)電路，提升了穩(wěn)定性和可靠性。

　　2.2激勵(lì)信號(hào)電路

　　激勵(lì)信號(hào)電路是由運(yùn)算放大器及外圍電路組成，電路圖如圖3所示。

　　該電路將激勵(lì)電壓Uref通過(guò)微型變壓器隔離和衰減，可以有效地避免Uref中的干擾信號(hào)對(duì)后續(xù)電路的影響，并且將參考信號(hào)的地與電路中的地分開(kāi)。由于微型變壓器的輸出功率非常小，為了驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路，需要通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。

　　上述電路可用于處理共模電壓范圍在±270 V之間的信號(hào)；并可以承受持續(xù)10 s高達(dá)±500 V的共模信號(hào)輸入，對(duì)電路能起到很好的隔離保護(hù)作用；對(duì)于400 Hz的共模信號(hào)共模抑制比高達(dá)95 dB，可以很好地抑制外界干擾。由于使用了自制的微型變壓器和運(yùn)算放大器的裸芯片，所以本電路板的面積明顯下降，成本低。

　　2.3單片機(jī)模塊

　　單片機(jī)模塊采用的是STC公司生產(chǎn)的型號(hào)為STC15F2K60S2單片機(jī)［4］，如圖4所示。該芯片的指令代碼運(yùn)行速度相對(duì)于傳統(tǒng)單片機(jī)較快，其內(nèi)部有專(zhuān)用于復(fù)位電路的MAX810，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾、超強(qiáng)抗靜電、高可靠性等性能，適用于對(duì)電機(jī)控制和強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

　　數(shù)字角θ通過(guò)P1和P2端口輸入單片機(jī)，通過(guò)查表求出對(duì)應(yīng)的正余弦函數(shù)值，單片機(jī)通過(guò)P0.3和P0.4端口控制D/A芯片的雙通道轉(zhuǎn)換。

　　本單片機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，與國(guó)內(nèi)外自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)相比，提高了抗干擾能力和轉(zhuǎn)換速率。

　　2.4數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

　　數(shù)模轉(zhuǎn)換電路是由ADI公司生產(chǎn)的AD5557和ADR01芯片構(gòu)成，如圖5所示。AD5557是14位雙通道并行輸入的電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，可采用+5 V單電源進(jìn)行供電，最高輸出帶寬可達(dá)4 MHz，芯片內(nèi)置了有利于電阻匹配和溫度跟蹤的四象限電阻，而且反饋電阻簡(jiǎn)化通過(guò)外部緩沖實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換的操作。單片機(jī)控制AD5557的A0、A1的電平脈沖，用來(lái)啟動(dòng)D/A芯片的通道A和通道B的轉(zhuǎn)換。

　　ADR01為D/A芯片提供了精密的基準(zhǔn)電壓源。ADR01是一種精密帶隙基準(zhǔn)電壓源，其具有高精度和高穩(wěn)定性及低功耗等特性，并且還提供TRIM引腳，可用于精密調(diào)整輸出電壓。

　　AD8512為雙通道精密JFET放大器，具有低失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、低輸入電壓噪聲和低輸入電流噪聲圖5數(shù)模轉(zhuǎn)換電路特性,低失調(diào)、低噪聲和極低輸入偏置電流這些特性相結(jié)合，使這些放大器特別適合高阻抗傳感器放大以及采用分流的精密電流測(cè)量應(yīng)用。AD8512芯片作為輸入過(guò)壓保護(hù)單片機(jī)輸出的離散函數(shù)值D0-D13端口并行輸入的D/A芯片，D/A芯片將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，轉(zhuǎn)換為兩路模擬電流信號(hào)，發(fā)送給后續(xù)的乘法器，該芯片處理數(shù)據(jù)的速度比單片機(jī)或DSP［5］等內(nèi)部D/A數(shù)據(jù)處理快。

　　2.5乘法輸出電路

　　乘法輸出電路由兩片AD7734芯片和變壓器組成，如圖6所示。AD7734是一種高精度和高吞吐量模擬前端的芯片，適合高分辨率多路復(fù)用應(yīng)用,可通過(guò)簡(jiǎn)易數(shù)字接口對(duì)該器件進(jìn)行配置，平衡噪聲性能與數(shù)據(jù)吞吐量等，該芯片可最高實(shí)現(xiàn)15.4 kHz的轉(zhuǎn)換速率，該模擬前端具有4個(gè)單端輸入通道，采用+5 V模擬電源供電時(shí)可接受最高±10 V的單極性或雙極性輸入范圍。

　　由D/A轉(zhuǎn)化的一路模擬信號(hào)和參考信號(hào)分別通過(guò)AD7734芯片的輸入端X1和Y1進(jìn)入芯片，進(jìn)行信號(hào)相乘，然后經(jīng)過(guò)變壓器，將兩路信號(hào)變?yōu)?路，發(fā)送給自整角機(jī)的S1、S2、S3端。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的程序主要包括：系統(tǒng)初始化、讀入數(shù)據(jù)、D/A轉(zhuǎn)換控制、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出。算法流程如圖7所示。

4結(jié)論

　　本方案的設(shè)計(jì)相對(duì)于其他電路有簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，雖然與國(guó)內(nèi)外公布的已知自整角機(jī)信號(hào)發(fā)生器的研制方法不同，但是本方案總體精度和運(yùn)算速度達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平，抗干擾能力優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品。系統(tǒng)尚處在試驗(yàn)階段，需要進(jìn)一步在實(shí)際使用中檢驗(yàn)和測(cè)試，進(jìn)而對(duì)硬件電路和程序逐步進(jìn)行優(yōu)化。

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