自整角机/旋转变压器数字转换器设计

【摘要】本文设计的自整角机/旋转变压器数字转换器是一种将自整角机/旋转变压器的轴角信号转变为数字角的系统装置。主要是通过隔离放大器将自整角机/旋转变压器输出的信号电压及参考电压进行隔离放大，隔离以后的信号送到A/D转换器中，A/D转换器对其输入的模拟信号进行变换并将变换的数据送到单片机中，存放在单片机内部的RAM存储区，由单片机对数据进行处理，得出数字角并输出。本设计电路简单，转换精度高，可靠性高，功耗低，误差小。

【关键词】隔离放大器;数字转换器;A/D转换器;单片机

Abstract：In this paper，the design of synchro/resolver is a transformed AC voltage signal output for digital angle device.Mainly through the isolation amplifier to insulate and to enlarge the signal voltage and the reference voltage of the selsyn/resolver’s transformer outputted，which are transmitted to the A/D converter with reference voltage signals. Having been converted into data form，they are inputted the MCU and stored in its internal RAM storage area for further data processing.The merits of this design has simple circuit，high precision，high reliability，low power consumption，and small deviation etc.

Keyword：Isolation amplifier;Digital converter;A/D Converter;MCU

自整角機作为轴角测量元件，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器，还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示，广泛用于航海、航空、航天等系统的跟踪控制，也可用于数控机床和机器人等设备中[1]。旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统等领域的角度、位置检测系统中。也可用于坐标变换、三角运算和角度数据传输、作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。目前，在控制领域中，为了适应计算机的信息处理和控制，需要将自整角机/旋转变压器输出的交流电压信号转变为数字量。但目前国内外的其它角度测量方法尚存在缺点，例如国外的SDC1740成本高，算法较为复杂。国内的技术方案中输入信号的幅度较小，转换精度低、电连结构复杂，稳定性差，输出数据功能单一，固态控制变压器电路采用开关电容技术，具有开关噪声等一系列不足，不能在实时跟踪系统等要求高精度的场合中应用，不利于角度测量及控制领域中的推广使用。需要迫切的解决上述问题，提供一种成本低、电路简单、精度较高、可靠性高的自整角机/旋转变压器数字转换器。本文采用A/D转换器，单片机为采集、处理核心，提供了一种成本低、电路简单、精度较高、可靠性高的自整角机/旋转变压器数字转换设计方案。同其它方法相比，具有测量精度高、结构简单等明显的优势。

1.系统整体方案

自整角机/旋转变压器数字转换器是一种将自整角机的轴角转换为数字角的装置。本设计方案的最终目的是得到更为精确化的数字角。自整角机/旋转变压器数字转换器设计的电路由隔离变压器、A/D转换器、单片机等组成，隔离变压器与A/D转换器电连接，A/D转换器与微控制器电连接。自整角机/旋转变压器输出的信号电压及参考电压送至隔离放大器，隔离放大器对输入的信号进行隔离，以保护后续电路，隔离放大器输出的信号输送到A/D转换器，由单片机发出信号以后，A/D转换器开始对三路模拟电压同时转换，转换完成以后，A/D转换器向微控制器发出信号，微控制器读取A/D输出的数字信号并存到内部RAM存储区，A/D停止转换，单片机进行处理，得到轴角的正、余弦值，单片机第一次处理A/D转换器变换的信号时，通过查表初步得出数字角，与很接近，再经过反查表得出sin，cos，并与sin，cos交叉相乘相减，可得到精度较高的轴角：，第一次查表得到一个角度值以后，单片机在以后对数据的处理中，把上次所得角度作为本次的，的正、余弦值与本次待计算的角的正、余弦值交叉相乘相减，作为，提高了计算速度。 自整角机/旋转变压器数字转换器的系统工作原理如图1所示。

图1 自整角机/旋转变压器数字转换器的系统工作原理

Fig.1 The system working principle of  synchro/ resolver to digital converter

2.主要的计算方法

以下各式中，是激励信号的角频率，为自整角机/旋转变压器的轴角。各种自整角机输出电压幅度虽然不同，但是其数学关系是一致的，选择一款军工中使用的自整角机，把S3端作为公共端，其信号电压和参考电压分别为：

经过隔离放大器以后得：

对于旋转变压器，其中K0、K为隔离放大器的放大倍数，输入电压和参考电压经过隔离放大器以后得：

V1、V2、V3由A/D转换器变换成数字信号后送到单片机，单片机对数字信号进行处理。

对于自整角机，令：

由得出的正、余弦式并将系数化为1：

，

对于旋转变压器：

，

查表得出有一定误差的数字角，与很接近，反查表得出，求出：

第一次查表后，在后面的计算中，把上次所得角度作为，再经过反查表得出，，并与，交叉相乘相减：

可得精度较高的轴角 。

3.硬件电路

3.1 隔离放大器

本设计方案中的隔离放大器主要作用是对其输入的模拟信号进行隔离，并按照一定的比例放大。在这个隔离、放大的过程中要保证输出的信号失真要小，线性度、精度、带宽、隔离耐压等参数都要达到使用要求。另外高电压干扰等会通过不同的耦合方式进入测量控制系统，影响测控精度和系统的稳定性，所以在A/D的数据采集端口接入隔离放大器，对信号的输入和输出进行电气隔离[2-3]。本设计采用的隔离放大器型号为iso124，可满足设计要求。

3.2 AD7606-4的外围电路

A/D转换器采用的型号为AD7606-4，它具有4通道DAS，内置16位，双极性输入，同步采样ADC[4]。A/D转换器的片选信号由单片机的P3.1口输出的信号控制;A/D转换器的启动转换信号输入端CONVST A和CON- VST B短接在一起，并由单片机的P3.0输出的信号口控制;A/D转换器转换完成的信号送至单片机的P3.2口;对A/D转换器的读信号由单片机的P3.7端控制;A/D转换器输出数字信号送至单片机STC12C5A60S2的P0和P1口;A/D转换器的第3、4、5引脚分别与单片机的第26、27、28引脚电连接。AD7606-4的外围电路图如图2所示。

图2 AD7606-4的外围电路图

Fig.2 The peripheral circuit of AD7606-4

3.3 STC12C5A60S2处理模块

本设计方案的处理模块采用以STC12C5A60S2单片机为核心。它是一种高速低功耗，超强抗干扰的新一代8051单片机，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换[5]。STC12C5A60S2单片机的外部接口分布如图2所示。其I/O口P0被接入AD转换器。以STC12C5A60S2单片机为处理核心如图3所示。

图3 STC12C5A60S2

Fig.3 STC12C5A60S2

4.软件设计

本设计采用A/D转换器AD7606-4采集数据，单片机读取数据，并执行判断程序。

单片机的P3.0端口输出低电平，然后输出高电平，在其上升沿时，A/D转换器的第49、51、57引脚输入的模拟信号同时转换。

若P3.2口为高电平，则等待，若为低电平，则把P3.1设置为低电平，然后由P3.7输出三个脉冲，在P3.7的第一个下降沿时，V1转换的结果在输出数据总线上有效，单片机读取V1转换的结果，在P3.7第二个下降沿时，V2转换的结果输出到数据总线，单片机读取V2转换的结果，在P3.7第三个下降沿时，V3的结果输出到数据总线上，单片机读取V3转换的数据，然后将读取的结果存到单片机内部的RAM存储区。

图4 软件处理流程图

Fig.4 Software process chart

读取结束以后，P3.7输出高电平，P3.1输出高电平，将P3.3设置为高电平，再设置为低电平，对A/D转换器进行复位操作。利用软件实现对数据的加、减、乘、除运算，得到自整角机/旋转变压器轴角的数字角。在单片机处理数据期间，可同时控制A/D进行模/数转换，输出数字角，完成单次轴角的处理输出，重复以上过程，即可达到输出动态连续轴角变化设计目标。实现输出连续动态轴角的流程图如图4所示。

5.结束语

本文设计的自整角机/旋转变压器数字转换器，采用以A/D转换器AD7606-4为信号转换模块，单片机STC12C5A60S2信号处理模块，将自整角机/旋转变压器轴角信号转换成便于计算机直接处理的数字角。整个系统采用单元模块化设计，使得系统简洁，转换高效，性能稳定。为使自整角机/旋转变压器数字转换器更加智能化，数据更为精确，还可为系统扩展反馈矫正模块，数据处理精确化差量补偿模块，进一步优化模块设计，提高系统精确度和稳定性。

参考文献

[1]麦崇，林良养.电机学与拖动基础[M].广州：华南理工大学出版社.2004. MAI Congyi，LIN Liangyang.Electric machinery and drag[M].South China University of Technology press.Guangzhou.2004.

[2]向东，孙丽君.信号产生与放大电路[M].北京：中国计量出版社，2008.XIANG Dong，SUN Lijun.Signal generating and amplifying circuit[M].Beijing：Chinese Metrology Press.2008.

[3]胡学海.单片机原理及应用系统设计[M].北京：电子工业出版社，2005.HU Xuehai.The design principle and application of single-chip microcomputer system[M].Beijing：Publishing House of electronics industry.2005.

[4]Analog Devices.AD7606技術手册[EB/OL].百度文库.2010.5/2013.4.14.Analog Devices.AD7606 Technical manual[EB/OL].Baidu Library.2010.5/2013.4.14.

[5]姚永平.STC12C5A60S2系列单片机器件手册[EB/OL].百度文库.2011.1.15/2013.4.14.YAO Yongping. STC12C5A60S2 Series single-chip device

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