基于AD2S83的双通道旋转变压器位置检测模块设计

庄文许，马大为，翟小晶，孙 德

(南京理工大学，江苏南京210094)

0引 言

防空火箭炮、雷达、天线和机床等伺服系统中，角度检测精度对伺服系统的控制性能起到决定性作用，常用的角度传感器有旋转变压器、自整角机、光电码盘和光栅等。其中，旋转变压器以其线性度好、性能稳定、环境适应性强以及能提供绝对角度位置信息等特点，得到了广泛的应用。本文以TMS320F2812和EMP7128为主控电路，设计了基于AD2S83的旋转变压器角度变换模块(以下简称RDC)的硬件电路与软件程序。在交流伺服试验平台上，首先通过单步运行伺服电动机，验证了所设计变换电路具有良好的变换精度和线性度;其次以一阶前馈PID算法，使得伺服试验平台跟踪给定的参考信号，试验结果间接表明了变换电路具有较高的变换精度和线性度。本文的实现方案可以应用到各类伺服系统、伺服电动机等控制系统中。

1系统描述

旋转变压器是一种精密控制微电机，原理是当输入端施加给定频率的正弦激励电压信号时，两路输出端将分别输出正弦和余弦电压信号，且输出信号的幅值与转子的角度位置是一一映射关系。图1为RDC电路组成框图，它主要由励磁电路和AD2S83组成，TMS320F2812为主控芯片，通过EMP7128产生组合逻辑电路，以提供芯片的片选和数据锁存等信号。

图1 RDC变换电路组成框图

2系统硬件设计

图2为RDC电路的原理框图，各芯片的功能介绍如下:

图2 RDC变换电路原理框图

AD9833:数字可编程的DDS发生器，用于产生旋转变压器的正弦励磁信号［1］。

AD2S83:单片集成旋转变压器角度/数字转换器，通过配置芯片外围电路的电阻和电容，直接将输入的正弦、余弦信号转换为角度值，并通过芯片的数据总线(可选的10位、12位、14位和16位)传输至主控单元［2］。

EPM7128:可编程逻辑组合单元，用于产生AD2S83芯片的片选信号、数据锁存信号和数据使能信号等［3］。

TMS320F2812:RDC电路主控芯片，通过SPI模块初始化AD9833;使用数据总线、地址总线、读写信号和存储区域使能信号，通过EPM7128产生片选、数据所存等逻辑电平信号;读取旋转变压器粗、精通道AD2S83角度转换二进制码，并将粗、精通道的数据合成为高精度的角度值。

3系统软件设计

本文设计双通道旋转变压器变换模块转换精度为16位，软件设计主要包括EMP7128逻辑电路和粗、精通道数据合成两部分。

3．1 EMP7128逻辑电路设计

TMS320F2812通过16位的数据总线读取AD2S83的转换数值，因此 AD2S83的 BYTE SELECT引脚直接接5 V高电平，这样DB1～DB16直接对应转换数值的二进制码。EMP7128的软件利用TMS320F2812的地址总线、存储区域片选信号和读信号，直接产生AD2S83的数据锁存信号和数据使能信号，组合逻辑原理图如图3所示。

图3 EMP7128组合逻辑原理图

3．2 TMS320F2812 软件设计

读取AD2S83数据分三个步骤:(1)将INHIBIT引脚电平置低，禁止AD2S83数据锁存器更新;(2)保持INHIBIT引脚为低电平，将ENABLE引脚电平置低，使数据从AD2S83的锁存器传输到数据线上，同时读取该数据;(3)将INHIBIT引脚电平置高，使能AD2S83数据锁存器更新。

旋转变压器粗、精通道数据合成的方法较多，文中旋转变压器的极对数为1∶32，主控芯片读取的角度变换值为16位二进制码，则下文数据合成方法可使得计算量最小，合成算法简洁。已知粗通道角度二进制码为RDC-＞Dc，精通道角度二进制码为RDC-＞Dj，设合成数据为RDC-＞Data，则有:

上述计算式还需根据粗、精通道角度值判断是否需要补偿0x800，限于篇幅，这里不再赘述。

4实验验证

图4和图5分别为旋转变压器和使用该旋转变压器作为位置传感器的随动实验平台，实验平台的执行机构为高性能交流伺服电动机，电机自身可以进行闭环调试。实验验证内容包括旋转变压器转换精度和线性度，以及使用一阶前馈PID算法跟踪给定曲线的控制性能。

图4 旋转变压器

图5 随动实验平台

4．1 转换精度

保持旋转变压器在多个位置处于静止状态，从CCS3．1中观察粗、精通道转换数值的波动情况，两个通道转换数值(16位二进制码)的波动情况均不超过低3位，则合成的数据精度高于16位。

4．2 线性度

随动实验平台使用的减速器减速比为1∶128，设置交流伺服电动机为闭环系统，单步运行，使得电机每一步运转2圈，位置控制器记录旋转变压器360°范围内各位置处的变换数值，得到如图6所示的直线图，图中横坐标 n是采样点，纵坐标RCD→Data是位置量合成的16位数据值，经分析得到线性度小于0．006%。

图6 旋转变压器数据变换线性度曲线

4．3随动实验平台一阶前馈PID算法跟踪实验

如图5所示的闭环控制系统，伺服电动机工作在电流环和速度换模式，位置控制器完成实验平台的位置闭环控制。

参考输入为振幅98°，最大跟踪角速度70°/s，最大跟踪角加速度50°/s2的正弦曲线。图7为跟踪误差曲线放大图，其中跟踪误差最大值不超过0．12°，即 2 mil。该实验结果间接表明了RDC变换电路具有较高的变换精度和良好的线性度。

图7 跟踪误差曲线放大图

5结 语

本文介绍了双通道旋转变压器位置检测系统的硬件设计和软件设计过程，给出了设计的步骤和关键技术解决方案，并通过实验验证了RDC变换电路具有高于16位的变换精度和小于0．006%的线性度。经多次实验验证此硬件电路原理简单，工作稳定;软件程序思路简洁，执行稳定、效率高，具有很好的工程应用价值，在此基础上可根据设计需求，添加检测、存储和联锁保护等电路完善系统电气设计。

［1］ Analog Devices公司．Low power CMOS complete DDS AD9833［M］．Analog Devices，inc．，2002．

［2］ Analog Devices公司．Variable resolution，resolver-to-ditital converter AD2S83 ［M］．Analog Devices，inc．，1998．

［3］ Analog Devices公司．MAX7000A programmable logic device［M］．Analog Devices，inc．，2002．

［4］ TEXAS INSTRUMENTS．TMS320F28x DSP CPU and instruction set reference guide［M］．Texas Instruments，2004．

［5］ TEXAS INSTRUMENTS．TMS320F281x Data Sheet［M］．Texas Instruments，2004．

［6］ 黄科元，董恒，黄守道．旋转变压器在高速永磁同步电动机中的应用［J］．微特电机，2008(2):10-11．