一種基于ARM 單片機與CPLD的數(shù)字軸角轉(zhuǎn)換方法（一）

介紹一種基于ARM 單片機和CPLD的數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換實現(xiàn)方法，采用PWM 調(diào)制波控制全橋驅(qū)動電路的方式實現(xiàn)DSC;MCU通過查表法計算調(diào)制波對應(yīng)占空比，CPLD根據(jù)地址及占空比完成對應(yīng)通道的PWM 調(diào)制信號的產(chǎn)生，全橋驅(qū)動器根據(jù)PWM 信號控制由4個互補MOS管組成的H橋電路產(chǎn)生對應(yīng)軸角的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動信號并經(jīng)Scott變壓器得到可驅(qū)動同步機的三相信號從而實現(xiàn)同步機的驅(qū)動；采用查表法計算調(diào)制信號占空比，可提高運算效率及系統(tǒng)實時性能；利用PWM 控制全橋驅(qū)動方式具有效率高.發(fā)熱低等優(yōu)點；經(jīng)實驗測試，系統(tǒng)精度可達0.5密位（20:1粗精結(jié)合），此外，對比其它傳統(tǒng)DSC實現(xiàn)方法，實現(xiàn)簡單，效費比高，滿足實際需要.

0 同步機.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器等廣泛應(yīng)用于火力控制.航空航天.自動控制等領(lǐng)域以實現(xiàn)系統(tǒng)間軸角信息的傳輸.由于計算機技術(shù)在上述領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換已（Digitalto Shaft-angle Converting,DSC）成為一個重要的問題.市場上DSC集成模塊產(chǎn)品價格較高且接口不夠靈活，在某些領(lǐng)域應(yīng)用受到限制，特別在多路DSC使用時效費問題更為突出.基于上述問題，提出一種采用ARM 單片機+CPLD實現(xiàn)數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換的方法.

1 數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換原理數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換（DSC）是將數(shù)字形式表示的軸角度θ通過運算電路轉(zhuǎn)換為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器形式的電壓（如式（1）），經(jīng)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和經(jīng)過Scott變壓器后驅(qū)動同步機指向?qū)?yīng)軸角位置，從而完成數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換.

當同步機.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁繞組電壓為U0 =Umsinωt時，則正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器兩相繞組輸出電壓為：

URS =KRUmsinωtsinθ

URC =KRUmsinωtcosθ

驅(qū)動同步機三相繞組電壓為：

US1 =KSUmsinωtsinθ

US2 =KSUmsinωtsin（θ+120°）

US3 =KSUmsinωtsin（θ-120°）

其中，KR ?KS分別為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和同步機的變壓比，θ為軸角位置.

為了將兩相正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器信號變?yōu)槿嗤綑C信號，需使用Scott變壓器.其基本構(gòu)造及原理分析如圖1所示.

在圖1 （a）中，URS ?URC是空間兩相正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器信號，將兩變壓器按圖中抽頭連接，如圖1 （b）的相量圖分析：

Us1 =URS

US2 =-0.5URS -0.866URC

US3 =-0.5URS +0.866URC

這樣就將空間兩相正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g的三相同步機信號.

2 硬件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

以一路DSC為例，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.工作原理為：STM32F407微控制器為主控芯片，通過通信接口接收外部輸入的軸角信號θ，并對其進行粗精分離及利用查表法計算對應(yīng)占空比大小，通過總線方式將通道對應(yīng)地址及占空比對應(yīng)數(shù)據(jù)信息送入CPLD;CPLD根據(jù)數(shù)據(jù)及地址信息產(chǎn)生對應(yīng)通道和占空比的PWM 信號；由4個互補MOS管構(gòu)成的全橋驅(qū)動電路由全橋驅(qū)動器UBA2032根據(jù)PWM 信號控制全橋電路開斷，并經(jīng)選頻電路后產(chǎn)生對應(yīng)軸角的調(diào)制波，經(jīng)Scott變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘈盘柡篁?qū)動同步機指向?qū)?yīng)軸角位置即完成系統(tǒng)的數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換.