摘 要： 介紹了12 bit同步高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器THS1207的基本原理及工作特性,，重點(diǎn)對THS1207在電動車無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用做了具體研究,，給出了相關(guān)硬件電路圖和軟件設(shè)計(jì)流程，為電動車無刷直流電機(jī)控制器的性能測試做了很好的準(zhǔn)備,。
關(guān)鍵詞： 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器,；THS1207；無刷直流電機(jī)
伴隨著城市化進(jìn)程,，人們生活的交通距離不斷擴(kuò)大,，代替自行車的電動車的普及大幅度地提高了電力資源的利用效率，促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展,。電動自行車以電力作動力,，騎行中不產(chǎn)生污染，無損于空氣質(zhì)量,。而控制器是電動車控制系統(tǒng)的核心,，控制器性能的好壞直接影響電動車的質(zhì)量。為了能夠正確評價電動車控制器的性能,，就需要設(shè)計(jì)出一種能夠檢測控制器相關(guān)參數(shù)的采集系統(tǒng),，為電動車驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展和改善提供科學(xué)依據(jù)。
目前,，大部分電動車所配的電機(jī)是無刷直流電機(jī),，本文以STC12C5A60S2單片機(jī)作為檢測系統(tǒng)的CPU,，它具有高速、低功耗和超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn),，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,，但速度卻比普通8051單片機(jī)快8~12倍。THS1207是TI公司生產(chǎn)的高速多通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）,，配合STC12C5A60S2單片機(jī)可以采集到無刷直流電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的相關(guān)參數(shù),。
1 采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 基本設(shè)計(jì)思想
本系統(tǒng)是以電動車無刷直流電機(jī)控制器檢測為背景，經(jīng)研究證明,，電動車無刷直流電機(jī)在空載情況下,，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到450 r/min，電動車PWM頻率為15 kHz,，要想在這么快的情況下采集到電動車運(yùn)行時的參數(shù),，就必須利用多通道高速ADC進(jìn)行同步采樣。本系統(tǒng)的“同步”包括兩點(diǎn)：（1）對多路輸入信號在同一時刻進(jìn)行采樣,；（2）針對周期信號,，得到周期波形同步信號，以此同步信號為基準(zhǔn),，在一個周期內(nèi)對信號進(jìn)行N點(diǎn)均勻采樣,。
本系統(tǒng)先是利用磁粉制動器搭建的實(shí)驗(yàn)平臺，利用光電碼,、扭矩傳感器盤和霍爾電流傳感器等來采集電機(jī)轉(zhuǎn)速,、扭矩、控制器的輸入總電流和總電壓,；采集完成后,，傳感器將電流電壓等信號送入前端信號調(diào)理電路，由信號調(diào)理電路完成對信號的放大和濾波等,；然后將數(shù)據(jù)送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由單片機(jī)控制讀入并進(jìn)行實(shí)時濾波預(yù)處理；待采集完成后,，通過串口將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)實(shí)時顯示,。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。
1.2 STC12C5A60S2芯片介紹
STC12C5A60S2單片機(jī)是STC Micro公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng),，是一種針對電機(jī)控制的增強(qiáng)型8051單片機(jī),。它的主要特性有：（1）工作電壓：3.3 V~5.5 V；（2）高速：1個時鐘/機(jī)器周期,；（3）工作頻率為0~35 MHz,，相當(dāng)于普通8051的0~420 MHz；（4）片上集成12 080 B RAM,；（5）有EEPROM功能,；（6）通用I/O口,，可設(shè)置成4種模式：準(zhǔn)雙向/弱上拉，強(qiáng)推免/強(qiáng)上拉,，每個I/O口驅(qū)動能力可達(dá)到20 mA,，但整個芯片最大不能超過55 mA；（7）4個16位定時器,，8通道,、10 bit高速ADC，2路PWM,，還可以當(dāng)DAC使用,，2通道捕獲單元和2通道比較單元；（8）加密性強(qiáng),，無法解密,；（9）超強(qiáng)抗干擾，整機(jī)通過20 kV靜電測試,；（10）超低功耗：掉電模式可由外部中斷喚醒,，適用于電池。STC12C5A60S2單片機(jī)管腳圖如圖2所示,。
1.3 高速ADC THS1207
1.3.1 ADC選型
采樣保持器的同步是采集的關(guān)鍵點(diǎn),。多通道同步采樣有兩種采樣方式。一種方式是利用外部采樣保持電路,，采用同一個控制信號實(shí)現(xiàn)對多個采樣保持器同步控制。這種方法的缺點(diǎn)是不易滿足同步采樣的要求,，而且采樣保持電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,，系統(tǒng)抗干擾能力差，精度不夠高,。另一種方式是選用帶有內(nèi)部采樣保持器的ADC,。這類芯片可以滿足系統(tǒng)同步采樣的要求，抗干擾能力和精度較第一種方式而言要高,。因此本設(shè)計(jì)選用第二種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[1],。
由于電動車PWM波頻率為15 kHz，如果要在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時采集到控制器的相關(guān)參數(shù),，則所選ADC所有通道轉(zhuǎn)換時間必須在1 μs內(nèi),，但轉(zhuǎn)換時間不能過快，因?yàn)檫^快會對采集系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾,，應(yīng)該在20 MHz以內(nèi),；為了滿足采樣的精度，ADC位數(shù)不能小于12 bit,；ADC通道至少為4通道,。
TI公司所生產(chǎn)的THS1207是一種流水線結(jié)構(gòu)型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，12 bit數(shù)高精度、4通道同步采樣,，轉(zhuǎn)換速率為6 MHz,，4通道同步采樣時，每個通道速率為1.5 MHz,。因此,，本設(shè)計(jì)選用THS1207高速ADC作為采樣芯片。
1.3.2 THS1207基本特性
THS1207基本特性有以下幾點(diǎn)：
?。?）同時采樣,，采樣信號可以是4個單端信號或者差分信號，也可以是兩種信號的結(jié)合,；
?。?）低功耗：216 mW，+5 V電源供電,；
?。?）具有高速并行接口；
?。?）微分非線性誤差為±1 LSB,，積分非線性誤差為 ±1.5 LSB。
1.3.3 THS1207管腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
THS1207管腳圖如圖3所示,，下面對THS1207管腳描述,。
AINP、AINM,、BINP,、BINM為模擬輸入端，可以是單端輸入,，也可以是差分輸入,；AVDD、AGND分別為模擬電源和模擬地,；BVDD,、DGND分別為數(shù)字電源電壓緩沖和數(shù)字地緩沖；CONV_CLK是時鐘輸入,；CS0和CS1均為片選信號,；DVDD、DGND分別為數(shù)字電源和數(shù)字地,；D0~D9為數(shù)字輸入輸出口,；D10/RA0、D11/RA1分別為數(shù)字輸入輸出口；REFIN是共模模擬輸入通道的參考輸入,；REFP和REFM為參考輸入,；REFOUT為參考輸出；RD,、WR為數(shù)據(jù)讀寫輸入輸出口,；SYNC為同步輸出[2]。
THS1207的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,，它由采樣保持器,、邏輯控制單元、控制寄存器,、12 bit流水線ADC和緩沖器等組成,。THS1207有4路采樣保持器，可同時對4路信號進(jìn)行采樣保持,，并按順序依次對各通道的采樣保持值進(jìn)行轉(zhuǎn)換[3],。
1.3.4 THS1207與單片機(jī)的連接
THS1207與單片機(jī)的連接如圖5所示。讀寫信號RD,、WR分別連接單片機(jī)的RD,、WR引腳，同步信號SYNC與單片機(jī)P2.1口連接,，片選信號CS1與單片機(jī)P2.2口連接,，12個數(shù)據(jù)信號D0~D11分別連接到單片機(jī)的P0.0~P0.7和P2.4~P2.7。THS1207有4種采樣模式,，本設(shè)計(jì)采用4通道連續(xù)采樣的模式,。THS1207在4通道同步采樣工作方式下的時序圖如圖6所示。
2 采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的方案是：讓THS1207在某個時鐘頻率下一直連續(xù)采樣,，利用單片機(jī)內(nèi)部定時器產(chǎn)生中斷,，在一個周期內(nèi)采樣8次，單片機(jī)再響應(yīng)內(nèi)部中斷,，最后THS1207讀SYNC上的信號，當(dāng)SYNC信號有效后,，單片機(jī)讀取THS1207的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理[4],。這種設(shè)計(jì)使得軟件執(zhí)行效率高，能夠保持每個通道采樣數(shù)據(jù)的同步,，實(shí)時性好,。軟件流程圖如圖7所示。
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表1所示為控制器限流30 A所測的一組數(shù)據(jù),。電機(jī)穩(wěn)定在某個固定轉(zhuǎn)速時,，負(fù)載以線性方式逐步增加時，控制器的輸入電流跟隨負(fù)載扭矩的變化而線性增加,。當(dāng)負(fù)載大到一定程度時,，電流不隨負(fù)載扭矩的增加而增加,，而是穩(wěn)定在某一固定的值上。
本文詳細(xì)介紹了高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器THS1207的基本特性,，重點(diǎn)介紹了THS1207在電動車無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用,，實(shí)現(xiàn)了在電機(jī)運(yùn)行過程中對控制器相關(guān)參數(shù)的同步實(shí)時采集。
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