摘 要： 介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S83在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用,，重點(diǎn)介紹了該器件與主控芯片DSP(TMS320F240)的接口電路設(shè)計(jì),。
關(guān)鍵詞： 伺服系統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字轉(zhuǎn)換器
在伺服系統(tǒng)中,，需要實(shí)時(shí)地檢測出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，包括轉(zhuǎn)子的絕對位置和增量式位置,，同時(shí)還需檢測出電機(jī)的速度，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,、速度,、及其驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)的位置的高精度控制。
在電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測中,，旋轉(zhuǎn)變壓器由于其具有堅(jiān)固耐用,，能夠提供高精度的位置信息等突出優(yōu)點(diǎn)，而獲得越來越廣泛的應(yīng)用,。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是包含著位置信息的模擬信號(hào),，需對其處理并將其轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的包含著位置信息的數(shù)字量，才能與單片機(jī)或DSP等控制芯片接口,。這就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路或者使用專用的旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn),，后者由于有功能強(qiáng)、可靠性高,、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用,。筆者在最近開發(fā)的基于DSP的數(shù)字式伺服系統(tǒng)中，選用了美國AD公司的旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S83,，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)位置信號(hào)實(shí)時(shí)檢測的數(shù)字化,，取得了滿意的效果。
1 AD2S83芯片簡介
1.1 AD2S83芯片引腳功能介紹
AD2S83芯片引腳功能描述見表1,。
1.2 AD2S83芯片的特點(diǎn)
AD2S83芯片是AD公司生產(chǎn)的跟蹤式旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字轉(zhuǎn)換器(R/D轉(zhuǎn)換器),，它具有以下特點(diǎn)：
(1) 允許用戶自己選擇適合的的分辨率。AD2S83提供有10位,、12位,、14位或16位的分辨率，用戶可根據(jù)需要,，通過外圍器件的不同連接選用不同的分辨率,。
(2) 通過三態(tài)輸出引腳輸出并行的二進(jìn)制碼來表征位置信息,，因而很容易與單片機(jī)或DSP等控制芯片接口。
(3) 采用比率跟蹤轉(zhuǎn)換方式,，使之能連續(xù)輸出位置數(shù)據(jù)而沒有轉(zhuǎn)換延遲并具有較強(qiáng)的抗干擾能力和遠(yuǎn)距離傳輸能力,。
(4) 用戶可通過外圍阻容元件的選擇，改變轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)性能,，如帶寬,、最大跟蹤速率等。
(5) 具有很高的最大跟蹤速度,，10位分辨率時(shí)的最大跟蹤速度為1040轉(zhuǎn)/秒,。
(6) 能提供高精度的速度信號(hào)輸出。AD2S83能提供與轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號(hào),，其典型的線性度達(dá)到±1%,，回差小于±0.3%，可代替測速發(fā)電機(jī)的功能,。
由此可見,，采用AD2S83不但可以將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字位置信號(hào)，而且同時(shí)還可以得到高精度的速度信號(hào),，能夠很好地滿足數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)中對交流電機(jī)的位置及速度反饋信號(hào)的要求,。
1.2 AD2S83芯片外圍電路的典型配置
圖1給出了采用12位分辨率時(shí)AD2S83芯片外圍電路的典型配置圖，其中的各電阻和電容的值是在參考頻率為5 kHz,，帶寬為520 Hz,，最大跟蹤速度為260 rps 情況下算出的。用戶可根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇合適的值,，具體計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[1],。
2 AD2S83芯片在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用
筆者在所設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)中，用DSP 作為主控芯片,，用AD2S83芯片將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的數(shù)字位置信號(hào),，然后由DSP將數(shù)字位置信號(hào)讀入并進(jìn)行處理。這里重點(diǎn)介紹AD2S83芯片與DSP的接口設(shè)計(jì),。
2.1 常規(guī)接口設(shè)計(jì)的分析
按常規(guī),，把AD2S83作為DSP的一個(gè)外設(shè)，不論AD2S83芯片的內(nèi)部處于什么狀態(tài),，當(dāng)DSP需要讀入位置信號(hào)時(shí),，就通過其I/O口向AD2S83芯片的
引腳施加低電平信號(hào)，從而阻止了鎖存器的刷新,，等待一段時(shí)間后,，便可讀取數(shù)據(jù)。這種方式下的讀取數(shù)據(jù)時(shí)序圖如圖2所示。
由圖2可知,，在這種方式下,，DSP向
引腳施加低電平信號(hào)后，也須等待t9＝490ns,，才能讀入有效數(shù)據(jù),。這對于指令周期只有50ns的DSP來說，需要等待近10個(gè)指令周期,，這對于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)來說是難以接受的，而且這樣做還需要增加較為復(fù)雜的硬件等待電路,。
2.2 直接讀取數(shù)據(jù)的接口設(shè)計(jì)
由于常規(guī)的接口設(shè)計(jì)不但需要較長的等待時(shí)間,，
而且需要增加外圍硬件電路，我們采用了直接讀取數(shù)據(jù)的接口設(shè)計(jì)方案,。在這種方案中,，我們舍棄了上述方案中利用芯片內(nèi)部的三態(tài)門直接與DSP數(shù)據(jù)總線接口的方法，因?yàn)樵谶@種方案中,，時(shí)延的產(chǎn)生與三態(tài)門的數(shù)據(jù)需要時(shí)間穩(wěn)定有密切的聯(lián)系,。因此，我們在所采用的方案中將芯片的有關(guān)引腳接到適當(dāng)?shù)碾娖缴?，使芯片?nèi)部的三態(tài)門始終處于通態(tài),，三態(tài)門與DSP數(shù)據(jù)總線兩者之間通過兩片74AC245連接起來，這樣,，當(dāng)DSP需要讀入位置信號(hào)時(shí),，就可通過74AC245來直接讀取了，從而大大減少了讀取數(shù)據(jù)的等待時(shí)間,，提高了伺服控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,。其接口原理圖如圖3所示。圖中只示出了與讀取數(shù)據(jù)有關(guān)的信號(hào)的連接,，其它的外圍器件及引腳的連接從略,。在這種方案中，當(dāng)需要讀取位置數(shù)據(jù)時(shí),，DSP首先不斷地查詢BUSY信號(hào),，當(dāng)BUSY信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，就從74AC245中直接讀取數(shù)據(jù)即可,。這種情況下,，查詢BUSY信號(hào)的最大等待時(shí)間只有200 ns。這種方案與常規(guī)方案相比,，不但明顯地減少了讀取數(shù)據(jù)的等待時(shí)間(至少減少一半多),，而且在硬件上用2片廉價(jià)的74AC245取代了復(fù)雜的等待電路，因此，我們選擇了這種方案,。
3 誤差分析及結(jié)論
采用直接數(shù)據(jù)讀取的接口方案,，其最大誤差主要取決于以下兩者的最大值：
·當(dāng)DSP 讀取數(shù)據(jù)時(shí)，BUSY信號(hào)正好為低電平,，此時(shí)誤差取決于所采用的AD2S83的分辨率,。由于我們采用的分辨率為12位，所以,，誤差角為：
δ1＝ 3600°/212 ＝0.0879°
·當(dāng)DSP 讀取數(shù)據(jù)時(shí),，BUSY信號(hào)正好為高電平，此時(shí)誤差取決于等待時(shí)間和電機(jī)的轉(zhuǎn)速,，在我們所設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)中,，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是6200 rpm，電機(jī)的極對數(shù)為2,，等待時(shí)間為200ns,，可算出最大的電氣誤差角為：
δ2＝ 0.2×10－6×(6200/60)×360°×2 ＝0.0149°
由此可見，最大的電氣誤差角也不過0.0879°,，
這樣的誤差完全可以忽略,！
在我們所設(shè)計(jì)的基于DSP的數(shù)字式伺服控制系統(tǒng)中，采用了這種直接數(shù)據(jù)讀取的接口方案,。實(shí)踐證明,，這種方案能夠?qū)崟r(shí)地讀取位置信息，而且接口簡單,，是可行的,。
參考文獻(xiàn)
1 Resolver－to－Digital Converter AD2S83 data manual.Analog Devices Inc.，1995.
2 TMS320C24x DSP Controllers Reference Set.TexasInstruments Incorporated,，1997