精粗组合轴角解算实验教学装置设计

张 庆，胡文彬，许德新

（哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

“自动控制元件实验”课程是工科高等院校自动化专业学生进入专业学习阶段的第一门专业实验课程，对学生自主学习能力的培养起到承上启下的作用[1-2]。实验内容主要包括对直流电机、交流电机、步进电机、自整角机、旋转变压器等元件的工作特性及技术数据测定，训练学生应用理论知识分析实验现象的能力[3-4]。

实践教学是专业理论联系实际的重要环节，以单片机为核心的综合设计实验课程可以将专业理论、C语言编程、单片机原理等相关课程有机地结合起来，帮助学生更加深入地理解、掌握和运用专业课知识。对于实践教学过程，如何科学合理地利用实验教学装置安排实践教学内容，帮助学生在实验中将更多的相关课程知识融会贯通，培养学生创新意识及工程实践能力，是实践教学内容改革需要考虑的重要问题[5-7]。

由于现有的自动控制元件实验室的实验教学装置陈旧，课程安排中大部分实验项目为验证性和演示性实验，不利于引导和发挥学生对课程内容理解应用的主动性和拓展性。根据教学改革需要，针对自动控制元件实验课程中存在的问题，教研组以自研的方式改进和增加了部分实验教学装置，并配套增加了新的实验教学项目，在满足课程教学需求的同时，锻炼了专业教师的专业技术水平。

根据旋转变压器实验中轴角解算原理的课程内容，本文利用STM32F407 单片机设计开发了一套双通道旋转变压器轴角解算实验教学装置。该装置可提供开放编程和线路实验接口，帮助学生在掌握轴角解算原理的同时，更好地将理论与科研实践相结合，启发学生主动思考，提高自主学习能力。

1 设计原理

1.1 双通道旋转变压器工作原理

旋转变压器作为自动控制元件中典型的角度测量元件，不仅精确而且经济，自从其诞生以来就在各种类型的控制系统中得到了广泛应用[8-9]。随着高精度自动控制系统的迅速发展，单通道旋转变压器已难以满足高精度测角要求，两种不同极对数的旋转变压器（粗机和精机）组成一体的双通道旋转变压器逐渐获得广泛应用[10-11]。粗机采用单对极旋转变压器，精机采用多对极旋转变压器，精机的极对数为粗机极对数的N倍（N 为双通道旋转变压器的传动比），因此双通道旋转变压器的分辨率是单通道旋转变压器的N 倍。在双通道旋转变压器中，粗机实现0°～360°范围内的角度粗测量功能，而精机实现(0°～360°)/N 范围内的角度精测量功能，因此双通道旋转变压器又被称为粗精组合系统。

1.2 粗精数据组合原理

以传动比为1 : 36 的双通道旋转变压器为例，精机转动1 圈相当于粗机转动1/36 圈，即粗机角度变化为360°/36=10°。1 : 36 双通道旋转变压器测角粗精数据组合运算公式为：

轴角解算处理器将粗机测量角度数据除以10，结果的整数部分I 为精机的转动圈数，结果的余数部分R 参与角度数据纠错。将精机测量角度数据S 除以36，得到商数部分Q。将粗机数据整数部分I 乘以10 后与精机商数部分Q 相加，得到对齐的双通道粗精数据组合数据。粗机数据余数部分R 参与后续的组合数据纠错。

1.3 精粗数据组合纠错原理

当双通道旋转变压器的粗机和精机转动完全同步时，上述粗精数据组合算法是不存在差错的。但双通道旋转变压器中的粗精两个通道是相互独立进行转换的，而且由于变速齿轮存在齿隙等结构误差，粗机和精机的测角误差不可能实现完全匹配。如果当精机尚未完整转完一圈时，粗机输出数据的整数部分I 已经加“1”，在本例中即粗机数据对应角度比实际被测角度多“10°”。而当精机已经完整转完一圈时，粗机输出数据的整数部分I 还未加“1”，在本例中即粗机数据对应角度比实际被测角度少“10°”。因此，在应用双通道旋转变压器进行测角时，必须进行粗精数据组合的纠错。由于精机测角精度要远高于粗机，纠错时应基于精机数据进行。

在双通道旋转变压器中，粗机和精机的同步误差不会大于精机转动的1/4 圈（在传动比为1 : 36 的双通道旋转变压器中该值为2.5°）。粗机数据的余数部分R∈[0°, 10°)等分成的4 个区间在逻辑上对应精机数据S∈[0°, 360°)角平面的4 个象限。根据精机数据S 和粗机数据余数部分R 分别所处的区间情况，来决定组合数据是否进行纠错处理。

（1）粗机数据余数部分R∈[0°, 2.5°)代表粗机角度刚刚转过一个10°区间，精机数据S∈[270°, 360°)代表精机角度即将转完一圈，精粗两组数据的圈数计算产生误差，根据以精机为准的原则，应将粗机数据整数部分I 减去1。

（2）粗机数据余数部分R∈[7.5°, 10°)代表粗机角度即将转过一个10°区间，精机数据S∈[0°, 90°)代表精机角度刚刚转完一圈，精粗两组数据的圈数计算产生误差。根据以精机为准的原则，应将粗机数据整数部分I 加上1。

（3）精机数据S∈[90°, 270°)代表精机角度距离整数圈大于1/4 圈，粗机数据不存在进位问题，精粗两组数据的圈数计算未产生误差，无需纠错。

2 实验装置设计

2.1 总体设计

对于双通道旋转变压器的轴角测量解算主要有两种方式：一是使用两个单速轴角/数字转换器和一个精粗数据组合处理器来构成双通道旋转变压器的轴角测量解算电路；二是采用专用的集成双通道旋转变压器的轴角/数字转换模块实现。为了便于引导学生参与甚至自主设计有关实验环节，本文将采用第一种方案，设计一个基于STM32 微控制器STM32F407 的双通道旋转变压器轴角解算实验教学装置，来处理粗精两个通道输出的数字信号，并且该装置提供了开放的编程和线路实验接口。

在该实验装置中，粗机角度和精机角度分别经过7 位的轴角/数字转换模块和14 位的轴角/数字转换模块，分别转换为精粗两组自然二进制码， STM32F407通过I/O 口分别读入精机14 位二进制数字量和粗机7位二进制数字量，并进行数据组合和纠错，转换为被测角度的19 位二进制数字量后，再通过其SPI 口以串行方式输出到串并转换锁存器74HC595，以并行方式输出双通道旋转变压器轴角测量解算的19 位并行数字量结果。总体设计框图如图1 所示。

图1 双通道旋转变压器轴角解算实验教学装置框图

2.2 硬件设计

2.2.1 STM32F407 处理器特点

STM32F407 系列微处理器是意法半导体公司（STMicroelectronics，简称 ST）推出的基于 ARM CorteX-M4 内核的高端32 位微控制器的代表，具有优良的性能、丰富的外设、稳定的供货以及低廉的价格，广泛应用于工业控制、安防监控、消费电子等领域。其高性价比、入门资料丰富友好、适合手工DIY 等特点，使其适合在校学生群体自主进行嵌入式系统学习和设计开发[12]。

2.2.2 74HC595 接口

粗精双通道解算处理器的二进制数据需要大量I/O 口资源，单片机STM32F407VET6 的I/O 口数量不够。本装置选用串行数据转并行数据的专用芯片74HC595 解决这一问题。74HC595 不但能够将串行输入的数据转换为8 位并行数据输出，还具备输出数据锁存功能。74HC595 采用CMOS 工艺制作，数据输出速度快，能够满足粗精双通道解算的高速输出要求。在本文的粗精组合轴角解算实验教学装置中，采用三片74HC595 级联，将微处理器STM32F407 的SPI 口输出的串行数据转换为19 位并行数据，作为整个轴角解算装置的输出。接口电路如图2 所示。

图2 74HC595 与STM32 单片机的接口电路

2.2.3 数字接口控制信号

为了稳定可靠地输出解算结果，粗精双通道解算处理器数据输出需要具备相应的数字接口控制电路。控制电路具有两项功能：一是数据锁存功能，确保输出数据的稳定性；二是电平转换功能，在转换器内部的CMOS 电路和外部数字电路之间起缓冲作用。本文的粗精双通道解算处理器的输出过程，是由禁止信号和输出使能信号（连接方式详见图2）两个数字信号来控制的。这两个信号均为低电平有效，兼容5V CMOS 电平，方便与微处理器接口信号与STM32F407VET6 的一个中断管脚相连，用于控制 STM32F407 是否将数据更新到 74HC595；信号用来控制74HC595 锁存器数据的输出。两信号接高电平时系统待机，当检测端口为低电平时，微处理器将当前的粗精双通道解算数据送入到74HC595 中。但此时74HC595 的输出管脚数据不会被刷新，向端口施加低电平信号后，74HC595 输出管脚数据才会被刷新。

2.3 软件设计

系统软件采用Keil MDK5 集成开发环境编写和调试，它是Keil 公司专为ARM 内核微处理器应用而设计的集成开发工具，功能强大，能够满足大多数苛刻的嵌入式应用。Keil MDK5 包含μVision4 IDE 集成开发环境，用户界面友好，采用C/C++语言编写源程序，具有强大的调试器和仿真环境。Keil MDK5 符合CMSIS 规范要求，具有大量的程序例程，方便用户进行快速开发。本实验教学装置的软件设计主要由系统初始化程序和双速数据处理程序两部分组成，程序流程如图3、图4 所示。

图3 微控制器初始化流程

图4 双速数据处理程序流程

3 实验验证

精粗组合轴角解算实验教学装置的实验验证包括纠错算法验证和转换精度验证两方面内容。

将传动比为1 : 36 的双通道旋转变压器的旋转轴与高精度光学分度头的转动轴相固连，改变光学分度头的轴角，双通道旋转变压器的精机和粗机的信号输出线分别接到双通道旋转变压器轴角解算实验教学装置的对应输入端。同时利用微处理器设计角度显示电路，将解算结果的19 位并行数字量转换为0°～360°数字显示。

首先，分别按顺时针和逆时针方向旋转双通道旋转变压器的转动轴，如果随着转动轴角度变化，该装置输出的角度数字值变化方向与转动方向一致，而且无突跳现象，则证明精粗数据组合纠错算法正确。然后，在0°～360°角度范围内等间隔改变光学分度头轴角，记录该装置相应的输出角度值。通过对比发现，该装置的轴角测量误差在±4ʹ以内，完全满足实验教学需求。

4 结语

本文以传动比为1 : 36 双通道旋转变压器为例，设计了精粗组合轴角解算实验教学装置，并介绍了软硬件实现。该装置能够帮助学生形象直观地理解精粗组合轴角解算原理，增加学生学习兴趣，使其在实验中加深对理论的理解。该装置不但能够满足旋转变压器课程教学实验需求，还能为学生提供综合运用相关专业知识进行实践创新的应用平台。