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)中的應用，重點介紹了該器件與主控芯片DSP(TMS320F240)的接口電路設(shè)計。
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，需要實時地檢測出電機轉(zhuǎn)子的位置，包括轉(zhuǎn)子的絕對位置和增量式位置，同時還需檢測出電機的速度，以實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)矩、速度、及其驅(qū)動的機構(gòu)的位置的高精度控制。
在電機轉(zhuǎn)子位置的檢測中，旋轉(zhuǎn)變壓器由于其具有堅固耐用，能夠提供高精度的位置信息等突出優(yōu)點，而獲得越來越廣泛的應用。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是包含著位置信息的模擬信號，需對其處理并將其轉(zhuǎn)化成對應的包含著位置信息的數(shù)字量，才能與單片機或DSP等控制芯片接口。這就需要設(shè)計相應的信號轉(zhuǎn)換電路或者使用專用的旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，后者由于有功能強、可靠性高、使用方便等優(yōu)點而被廣泛采用。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，實現(xiàn)了電機位置信號實時檢測的數(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
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：
(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制碼來表征位置信息，因而很容易與單片機或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)換延遲并具有較強的抗干擾能力和遠距離傳輸能力。
(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位分辨率時的最大跟蹤速度為1040轉(zhuǎn)/秒。
(6) 能提供高精度的速度信號輸出。AD2S83能提供與轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號，其典型的線性度達到±1%，回差小于±0.3%，可代替測速發(fā)電機的功能。
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轉(zhuǎn)換成數(shù)字位置信號，而且同時還可以得到高精度的速度信號，能夠很好地滿足數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)中對交流電機的位置及速度反饋信號的要求。
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)自己的實際情況選擇合適的值，具體計算方法見參考文獻[1]。
2 AD2S83芯片在伺服系統(tǒng)中的應用
筆者在所設(shè)計的伺服系統(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轉(zhuǎn)換成并行的數(shù)字位置信號，然后由DSP將數(shù)字位置信號讀入并進行處理。這里重點介紹AD2S83芯片與DSP的接口設(shè)計。
2.1 常規(guī)接口設(shè)計的分析
按常規(guī)，把AD2S83作為DSP的一個外設(shè)，不論AD2S83芯片的內(nèi)部處于什么狀態(tài)，當DSP需要讀入位置信號時，就通過其I/O口向AD2S83芯片的
引腳施加低電平信號，從而阻止了鎖存器的刷新，等待一段時間后，便可讀取數(shù)據(jù)。這種方式下的讀取數(shù)據(jù)時序圖如圖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個指令周期，這對于實時控制系統(tǒng)來說是難以接受的，而且這樣做還需要增加較為復雜的硬件等待電路。
2.2 直接讀取數(shù)據(jù)的接口設(shè)計
由于常規(guī)的接口設(shè)計不但需要較長的等待時間，
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，因為在這種方案中，時延的產(chǎn)生與三態(tài)門的數(shù)據(jù)需要時間穩(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?shù)碾娖缴希剐酒瑑?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DSP需要讀入位置信號時，就可通過74AC245來直接讀取了，從而大大減少了讀取數(shù)據(jù)的等待時間，提高了伺服控制系統(tǒng)的實時性。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，當需要讀取位置數(shù)據(jù)時，DSP首先不斷地查詢BUSY信號，當BUSY信號變?yōu)榈碗娖綍r，就從74AC245中直接讀取數(shù)據(jù)即可。這種情況下，查詢BUSY信號的最大等待時間只有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)的等待時間(至少減少一半多)，而且在硬件上用2片廉價的74AC245取代了復雜的等待電路，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DSP 讀取數(shù)據(jù)時，BUSY信號正好為低電平，此時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DSP 讀取數(shù)據(jù)時，BUSY信號正好為高電平，此時誤差取決于等待時間和電機的轉(zhuǎn)速，在我們所設(shè)計的伺服控制系統(tǒng)中，電機的額定轉(zhuǎn)速是6200 rpm，電機的極對數(shù)為2，等待時間為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。實踐證明，這種方案能夠?qū)崟r地讀取位置信息，而且接口簡單，是可行的。
參考文獻
1 Resolver－to－Digital Converter AD2S83 data manual.Analog Devices Inc.，1995.
2 TMS320C24x DSP Controllers Reference Set.TexasInstruments Incorporated，1997