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摘要随着工业、军事以及民用设施的发展,现代控制系统中的一些控制装置需要用到诸如位置、速度、加速度等模拟量它们一般包含于轴角量中或由轴角量变换而来因此需要把计算机输出的数字量变成控制系统所需的含有轴角量的模拟信号,旋转变压器就是一种常用的转换器件旋转变压器监视旋转单元(例如电机转轴和齿轮)的轴间角,并将位置数据发送回运动控制系统旋转变压器的设计使它能够显著减少电噪声和振动的影响本设计通过模拟电路方法实现了简单的旋转变压器的信息处理本设计通过模拟旋变信号电路产生旋变信号,并通过相敏检波滤波等处理电路,最终将角度信号转变为数字信号送入单片机,最后处理后的角度值在显示电路中显示关键字旋变信号角度信号处理AbstractWiththeindustrialmilitaryandcivilianfacilitiesthedevelopmentofanumberofmoderncontrolsystemscontroldevicesneedtousesuchaspositionvelocityaccelerationandotheranalog.Theyaregenerallyincludedintheamountofshaftangleortheamountofchangefromtheshaftangle.Sonecessarytothedigitaloutputintothecomputercontrolsystemwiththerequiredamountofshaftangleanalogsignalsresolverisacommonconversiondevices.Rotatingrotarytransformermonitoringunitsuchasthemotorshaftandgearbetweentheshaftangleandlocationdataissentbacktothemotioncontrolsystem.Rotarytransformerdesignallowsittosignificantlyreduceelectricalnoiseandvibration.Themethodofanalogcircuitdesignachievedbyasimplerotarytransformerofinformation.Thedesignofthecircuitthroughtheanalogresolversignalsgeneratedresolversignalandphasesensitivedetectionfilteringthroughtheprocessingcircuittheendpointofthesignalintothedigitalsignalintothemicrocontrollertheangleofthefinalvalueafterthecircuitshowninthedisplay.Keywords:ResolverSignal、Angle、SignalProcessing1绪论
1.1国内外研究现状和技术的发展趋势现代控制系统的一些控制装置常常需要用到角度这个模拟量角度测量在工业控制中应用十分广泛,它在控制领域的作用不言而喻随着科技发展,出现了许多不同的角度测量方法以及测量元件,比如旋转变压器,自整角机等早期的旋转变压器用于计算解答装置中,作为模拟计算机中的主要组成部分之一其输出最常见的也是容易实现的60年代起,旋转变压器逐渐用于伺服系统,作为角度信号的产生和检测元件旋转变压器的应用,近期发展很快除了传统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外,在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用旋转变压器的应用已经成为一种趋势旋转变压器用于运动伺服控制系统中,作为角度位置的传感和测量用实际上,旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度,所以旋转变压器应用的更广泛特别是,在高精度的双通道、双速系统中,广泛应用的多极电气元件,原来采用的是多极自整角机,现在基本上都是采用多极旋转变压器
1.2课题研究的目的及意义这些年来,随着工业自动化水平的提高,随着节能减排的要求越来越高,效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用越来越广泛而永磁交流电动机的位置传感器,原来是以光学编码器居多,但这些年来,却迅速地被旋转变压器代替可以举几个明显的例子,在家电中,不论是冰箱、空调、还是洗衣机,目前都是向变频变速发展,采用的是正弦波控制的永磁交流电动机目前各国都在非常重视的电动汽车中,电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器例如,驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等,都是采用旋转变压器旋转在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里,所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上,也是用旋转变压器作为位置速度传感器因此在实际测量与控制系统中,对于旋转变压器的输出信号,即旋变信号的处理就是测量角位移的重要方法,通过对旋变信号经过处理以及反演变化推导出角度位移的方法对于许多需要节约成本的测量系统有重要意义
1.3各种角度测量的传感器介绍以及比较
1.31自整角机自整角机是早期应用于测量角度系统中的,它利用自整步特性将转角变为交流电压或由转角变为转角的感应式微型电机,在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示两台或多台电机通过电路的联系,使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化,或同步旋转电机的这种性能称为自整步特性在伺服系统中,产生信号一方所用的自整角机称为发送机,接收信号一方所用自整角机称为接收机(图1-31)自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中自整角机按用途分为力矩式和控制式变压器式两种力矩式用于同步指示系统;控制式用作测角元件因此我们主要介绍控制式自整角机图1-31控制式自整角发送机结构大多数采用两极凸极式结构,只在频率较高、尺寸较大时才采用隐极式结构定、转子铁芯上分别装嵌单相激磁绕组和三相整步绕组三相整步绕组为分布式星形接线各相轴心线在空间相差120°转子绕组通过滑环和电刷引出接线的为接触式自整角机;通过电磁耦合方法引出接线的为无接触式自整角机,后者无接触摩擦和无线电干扰但结构复杂性能指标和利用率低为了提高输入阻抗,所用激磁绕组匝数较多控制式自整角接收机(自整角变压器)多采用隐极式结构,并在转子上装设高精度的正弦绕组两台控制式自整角机与力矩式自整角机相似可组成角度测量系统,也可以有差动工作方式由于生产工艺方面的原因,自整角机有零位和角度等方面的误差
1.32旋转变压器60年代起,旋转变压器逐渐用于伺服系统,作为角度信号的产生和检测元件三线的三相的自整角机,早于四线的两相旋转变压器应用于系统中所以作为角度信号传输的旋转变压器,有时被称作四线自整角机随着电子技术和数字计算技术的发展,数字式计算机早已代替了模拟式计算机所以实际上,旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度,所以旋转变压器应用的更广泛特别是,在高精度的双通道、双速系统中,广泛应用的多极电气元件,原来采用的是多极自整角机,现在基本上都是采用多极旋转变压器根据转子电信号引进、引出的方式,分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器在有刷旋转变压器中,定、转子上都有绕组转子绕组的电信号,通过滑动接触,由转子上的滑环和定子上的电刷引进或引出由于有刷结构的存在,使得旋转变压器的可靠性很难得到保证因此目前这种结构形式的旋转变压器应用的很少,目前无刷旋转变压器有两种结构形式一种称作为环形变压器式无刷旋转变压器,另一种称作为磁阻式旋转变压器其中我们运用的是正余弦旋转变压器,它是将转子转角变换成与之成正余弦函数关系的电压信号(图1-32)图1-32旋转变压器的基本工作方式旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式鉴相方式和鉴幅方式鉴相工作方式在旋转变压器定子的两相正交绕组正弦用s和和余弦用c表示,一般称为正弦绕组和余弦绕组上,分别输入幅值相等,频率相同的正弦、余弦激磁电压Us=UmSinωtUc=UmCosωt两相激磁电压在转子绕组中会产生感应电动势根据线性叠加原理,假设电角度为ф,电角度为θ,则在转子绕组中感应电压为U=KUsSinθ+KUcCosθ=KUmCosωt-θ其中K为变压比,可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角θ因此只要检测出转子输出电压的相位角,就知道了转子的转角,而且旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的,从而可以求得执行部件的直线位移或角位移鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同,即调幅的激磁电压Us=UmSinфSinωtUc=UmCosфSinωt则在转子绕组上得到感应电压为U=KUsSinθ+kUcCosθ=KUmSinωtSinфSinθ+CosфUcCosθ=KUmCosф-θSinωt在实际应用中,是不断修改激磁调幅电压值的电气角ф,使之跟踪θ的变化,并测量感应电压幅值即可求得机械角位移θ旋转变压器的工作原理旋转变压器角度位置伺服控制系统下图是一个比较典型的角度位置伺服控制系统XF称作旋变发送机,XB称作旋变变压器旋变发送机发送一个与机械转角有关的、作一定函数关系变化的电气信号;旋变变压器接受这个信号、并产生和输出一个与双方机械转角之差有关的电气信号伺服放大器接受选变压器的输出信号,作为伺服电动机的控制信号经放大,驱动伺服电动机旋转,并带动接受方旋转变压器转轴及其它相连的机构,直至达到和发送机方一致的角位置旋变发送机的初级,一般在转子上设有正交的两相绕组,其中一相作为励磁绕组,输入单相交流电压;另一相短接,以抵消交轴磁通,改善精度次级也是正交的两相绕组旋变变压器的初级一般在定子上,由正交的两相绕组组成;次级为单项绕组,没有正交绕组(图1-33)图1-33前面已经介绍过,旋转变压器有旋变发送机和旋变压器之分作为旋变发送机它的励磁绕组是由单相电压供电,电压可以写为式1形式U1(t)=U1mSinωt其中,U1m—励磁电压的幅值,ω—励磁电压的角频率励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通,在次级输出绕组中感生出电动势当转子转动时,由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化,因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化又由于次级输出的两相绕组在空间成正交的90°电角度,因而两相输出电压如式2所示U2Fs(t)=U2FmSin(ωt+αF)SinθFU2Fc(t)=U2FmSin(ωt+αF)CosθF其中,U2Fs—正弦相的输出电压,U2Fc—余弦相的输出电压,U2Fm—次级输出电压的幅值;αF—励磁方和次级输出方电压之间的相位角,θF—发送机转子的转角
1.33感应同步器感应同步器是利用电磁原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置它是一种精度很高的测量元件,是一种新型的控制电机根据用途,可将感应同步器分为直线式和旋转式两种,分别用于测量线位移和角位移将角度或直线位移信号变换为交流电压的位移传感器,又称平面式旋转变压器它有圆盘式和直线式两种在高精度数字显示系统或数控闭环系统中圆盘式感应同步器用以检测角位移信号,直线式用以检测线位移感应同步器广泛应用于高精度伺服转台、雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高精度位置检测系统中结构圆盘式感应同步器由定、转子组成其制作过程是先用
0.1毫米厚的敷铜板刻制或用化学腐蚀方法制成绕组,再将它固定到10毫米厚的圆盘形金属或玻璃钢基板上,然后涂敷一层防静电屏蔽膜定转子间间隙为
0.2~
0.3毫米转子绕组为单相连续扇形分布,每根导片相当于电机的一个极,相邻导片间距为一个极距定子绕组为扇形分段排布,极距与转子的相同直线式感应同步器与圆盘式结构相似不同的是它由定尺与滑尺组成,绕组为等距排列工作原理感应同步器工作原理与旋转变压器的工作原理相同圆盘式感应同步器的转子共有N个导片当转子转过角度θ时,定子绕组A和B分别感应输出电势式中Em为定子绕组感应电势最大值,ω为激磁电源角频率其最高精度与绕组的极对数有关感应同步器的转子转角变化360°/N时定子的频率变化1赫因此精度大为提高最高精度可达
0.1″直线式感应同步器的滑尺移动距离为x时,滑尺绕组中分别感应输出电势当极距τ=1毫米时测量精度为±25微米感应同步器有鉴幅型和鉴相型两种工作方式把转角或直线位移转换成电信号的电感式高精度传感元件又称感应整步机它与多极旋转变压器相似,借助于定、动片上绕组之间的电磁耦合,使输出电压随定、动片相对位移呈正余弦函数规律变化感应同步器的极对数比多极旋转变压器多得多感应同步器按作用分圆盘式又称旋转式和直线式两种感应同步器通常做成分装式,主要由定片和动片组成工作时定片和动片之间保持均匀气隙感应同步器动片为连续绕组,定片为两相分段绕组圆盘式感应同步器转子连续绕组以交流电压U励磁定子两相绕组输出为式中K为电压耦合系数;N为极数即转子连续绕组导体数;θ为转子转角运行方式感应同步器输出电信号很微弱需配以变换电路将输出电信号进行处理以便于准确测量位移大小基本运行方式有以下4种
①单相励磁两相输出,采用鉴相方式,精确反映位移信号;
②单相励磁两相输出采用鉴幅方式,较精确反映位移信号;
③两相励磁,单相输出,采用鉴相方式精确反映位移信号;
④两相励磁单相输出,采用鉴幅方式,较精确反映位移信号基于多极元件对信号偏差的补偿原理,因感应同步器极对数很多,所以其精度很高由于其结构简单,工作可靠,性能稳定,已广泛用于机床、航天测试技术等设备和装置中,用来构成角度或位移的精密测量、定位和随动系统,其精度可高达1角秒或1微米以下利用电磁感应原理将两个平面型绕组之间的相对位移转换成电信号的测量元件用于长度测量感应同步器的优点有
①具有较高的精度与分辨力其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度,温度变化对其测量精度影响不大感应同步器是由许多节距同时参加工作,多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响目前长感应同步器的精度可达到±
1.5μm,分辨力
0.05μm,重复性
0.2μm直径为300mm的圆感应同步器的精度可达±1″,分辨力
0.05″,重复性
0.1″
②抗干扰能力强感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置,在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号,因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响平面绕组的阻抗很小,受外界干扰电场的影响很小
③使用寿命长,维护简单定尺和滑尺,定子和转子互不接触,没有摩擦、磨损,所以使用寿命很长它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响,不需要经常清扫但需装设防护罩,防止铁屑进入其气隙
④工艺性好,成本较低,便于复制和成批生产由于感应同步器具有上述优点,长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中,例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中
1.34其他电测传感器编码器是一种机电装置,可以用来测量机械运动或者目标位置大多数编码器都使用光学传感器来提供脉冲序列形式的电信号,这些信号可以依次转换成运动、方向或位置信息照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号,再把这个电信号转变成计数脉冲,用脉冲的个数表示位移的大小而绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码,因此它的值只与测量的起始和终止位置有关,而与测量的中间过程无关在增量式中编码器获得物体的相对位置旋转编码器可以测量物体运动的角位移,它由一个发光二极管(LED)、一个码盘,以及码盘背面的一个光传感器这个码盘安置在旋转轴上,上面按一定编码形式排列着不透光和透光的扇形区域当码盘转动时,不透光扇区能够遮挡光线,而透光扇区则允许光线透过这样就产生了方波脉冲,可以编译成相应的位置或运动信息编码器每转通常分为100到6000个扇区,100个扇区的编码器可以提供
3.6度的精度,而6000个扇区的编码器则可以提供
0.06度的精度 线性编码器与旋转编码器的工作原理类似它采用了一条固定的不透光带取代了旋转码盘,在不透光带表面上有一些透光缝隙,而LED探测器组件则被附在运动体上,这样可以测量物体的线位移 绝对式编码器能够获得目标的绝对位置绝对式编码器的不同之处在于编码器的码盘上,采用了多组分区形成同心码道,如同靶环一样同心码道从编码器码盘的中心出发,向外扩展直到码盘外部,每一层码道都比其内层多了一倍的分区第一层,即最内层的码道,只有一个透光扇区和一个不透光扇区;位于中心的第二层就具有两个透光扇区和两个不透光扇区如果编码器有10层码道,那么最外围的码道就有512个扇区因为绝对式编码器的每层码道都比它里面一层的码道多了一倍数目的扇区,所以扇区的数目就形成了二进制计数系统在这种编码器中,码盘上的每个码道都对应一个光源和一个接收器绝对式编码器的优势在于可以降低编码器的转速,可以使编码器的码盘在整个机器运动周期中只转一圈如果机器运动距离为10英寸,而编码器具有16位精度,那么机器位置的精度就是10/65536,即
0.00015英寸如果机器的行程更长譬如6英尺,那么粗旋转编码器可以保证跟踪每一英尺距离;第二级称为细旋转编码器可以跟踪1英尺以内的距离 对于角度编码器,有对于位移编码器,有NIM系列数据采集卡所带有的Counter可以满足ABZ三相编码器的测量,这三路脉冲信号需要直接连接到Counter的Source,Gate和Aux上,经过设置编码器类型,编码方式等信息,可以直接换算成需要的旋转角度或位移值
1.35各种角度传感器的比较作为角度位置传感元件,常用的有这样几种自整角机、光学编码器、磁性编码器、旋转变压器和感应同步器由于制作和精度的缘故,磁性编码器没有其他两种普及光学编码器的输出信号是脉冲,由于是天然的数字量,数据处理比较方便,因而得到了很好的应用早期的旋转变压器,由于信号处理电路比较复杂,价格比较贵的原因,应用受到了限制因为旋转变压器具有无可比拟的可靠性,以及具有足够高的精度,在许多场合有着不可代替的地位,特别是在军事以及航天、航空、航海等方面随着电子工业的发展,电子元器件集成化程度的提高,元器件的价格大大下降;另外,信号处理技术的进步,旋转变压器的信号处理电路变得简单、可靠,价格也大大下降而且,又出现了软件解码的信号处理,使得信号处理问题变得更加灵活、方便这样,旋转变压器的应用得到了更大的发展,其优点得到了更大的体现和光学编码器相比,旋转变压器有这样几点明显的优点
①无可比拟的可靠性,非常好的抗恶劣环境条件的能力;
②可以运行在更高的转速下在输出12bit的信号下,允许电动机的转速可达60000rpm而光学编码器,由于光电器件的频响一般在200kHz以下,在12bit时,速度只能达到3000rpm;
③方便的绝对值信号数据输出
1.4本章小结由于旋变信号在实际运用越来越广泛,以旋转变压器旋变信号为重要的角度测量方式也在迅速发展,在实际测量与控制系统中,对于旋转变压器的输出信号,即旋变信号的处理就是测量角位移的重要方法,通过对旋变信号经过处理以及反演变化推导出角度位移的方法对于许多需要节约成本的测量系统有重要意义本章在介绍了各种角度传感器(自整角机、光学编码器、磁性编码器、旋转变压器和感应同步器)的基本原理以及工作方式以后,对它们在精度,成本,可靠性,抗干扰等方面的优势和劣势进行了比较2研究内容和数字模拟方案比较
2.1研究内容旋转变压器在实际运用中常常和其他仪器例如电机等构成一个整体系统,由于有时候测量控制要获得实际电机转角,不能直接从电机获得的时候,通过与电机同轴连接的旋转变压器的角度测量就可以测出实际电机的转角信息,因此本设计主要研究的对象就是处理旋转变压器的输出信号,通过对旋转变压器的输出的旋变信号的处理,得到其中包含的角位移信息
2.2数字模拟方案比较总体上有两种方案一种是基于专用芯片的数字技术旋变信号处理,另一种是基于模拟技术的旋变信息处理下面就着重分析两种方案的各自实现方法
2.21基于专用芯片的数字技术旋变信号处理用ADAnalogDevices公司的旋转变压器数字转换器AD2S83AD2S83性能概述1提供有10位、12位、14位和16位的分辨率用户可通过两个控制引脚自行选用不同的分辨率具体见表2-21,2可将输入的模拟信号转换为并行二进制数输出易与单片机或DSP等控制芯片接口3采用比率跟踪转换方式使之能连续输出数据而没有转换延迟并具有较强的抗干扰能力和远距离传输能力4用户可通过外围元器件的选择来改变带宽、最大跟踪速度等动态性能5具有很高的跟踪速度当采用10位分辨率时最大跟踪速度达1040r/sec6能产生与转速成正比的模拟信号输出范围为±8VDC通常线性度可达±
0.1%回差小于±
0.3%可代替传统的测速发电机提供高精度的速度信号7具有过零标志信号RIPPLECLOCK和旋转方向信号DIRECTION8正常工作的参考频率为0~20000Hz表2-21AD2S83外围电路连接旋转变压器的励磁频率取为7kHz要求伺服电机的最大转速6000r/min100r/sec故采用12位分辨率其中所选择的分辨率与所能跟踪的最大转速的输出数据的分辨率由控制引脚SC
1、SC2的逻辑状态决定为获得所需的带宽、最大跟踪速度等动态性能指标可按以下方法来选择外围元器件:1旋变信号的正、余弦地均接在第6引脚SIGNALGND上该引脚与第5引脚ANALOGGND在芯片内部是相连的且第5引脚和第31引脚DIGITALGND须尽可能在靠近芯片的地方连接起来脚VCOO/P的地方旋变信号屏蔽线接在第5引脚ANALOGGND上3最好能分别在±Vs、+VL与DIGITALGND或ANALOGGND之间在靠近芯片的地方并联一个100nF的解耦电容4选择不同的分辨率将影响电阻R
4、R6的值故当改变分辨率时必须保证新的R
4、R6切换到电路中在动态条件下只有在BUSY引脚为低电平即数据转换结束时才可改变分辨率5引脚SC
1、SC
2、DATALOAD、COMPLE2MENT在芯片内部经100kΩ电阻接在+Vs+12V故当需要这些引脚为高电平时使其悬空即可不需额外施加TTL电平其中COMPLEMENT引脚通常不需要图2-22AD2S83外围接口电路图AD2S83与DSP的接口设计TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP控制器,是目前控制领域最先进的处理器之一其频率高达150MHz,大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力TMS320F2812芯片是基于DSP的内核,并提供浮点数学函数库,从而可以在定点处理器上方便的实现浮点运算在高精度伺服控制、可变频电源、UPS电源等领域广泛应用,同时是电机等数字化控制产品升级的最佳选择采用DSP实现数字化处理和控制已经成为未来的发展趋势,其中TI公司于1982年推出第一个DSP以来,处理器的技术发展迅猛,其中的TMS320处理器具有较高的信号处理和控制功能,数据处理模块由双口RAMIDT
7134、TMS320C31以下简称C
31、EEROM28F010和高速RAMCY7C199组成通过ISA总线和主计算机连接起来构成主从式多处理器工作模式如图1所示主从式处理器系统的设计关键在于处理器之间的数据交换主从处理器间的数据交换主要有串行、并行、DMA及双口RAM四种交换方式本方案采用IDT公司的双口RAMIDT7134实现主计算机和C31间的数据交换IDT7134内部含有4KB的存储器资源具有两组地址、数据总线及读写控制线主计算机和C31可同时对其进行读写操作在对其内部同一存储单元访问时要考虑写入和读出数据的完整性IDT7134没有单独的主从处理器访问控制引脚设计时需用软件方式来保证主计算机和C31之间数据交换的正确性本方案中采用了在IDT7134中设置输入输出semaphore的方案即主计算机在将跟踪雷达的测量数据写入双口RAM后设置输入semaphore通知C31读取测量数据C31进行卡尔曼滤波后将滤波结果写入双口RAM设置输出semaphore通知主计算机读取双口RAM的数据宽度为8位C31数据总线宽度为32位双口RAM的数据总线和C31低8位数据总线相接为了提高数据处理的精度双口RAM中的跟踪数据和C31的滤波结果都以字32位为单位进行存储C31作卡尔曼滤波时首先按字节读取跟踪数据然后进行移位拼接成32位整形数再将整形数转换为浮点数进行滤波运算输出时则将浮点型的结果转为整形数按字节写入双口RAM中TMs320DM642/c64x系列芯片基于TI公司开发的第二代高性能的超长指令字结构VelociT].2,VelociTl2在8个功能单元里扩展了88条新的指令以增强其在视频/图像应用中的性能,并提高了视频处理的并行性DM642的程序总线宽度为256bit,次取值操作可以读取8条指令,并且片内集成的8个功能单元能够独立的进行指令译码和执行.二者一起形成了DM642的8条流水线处理机制8个功能单元中有2个乘法器,每个乘法器在1个时钟周期内可以执行2个16X6bit或4个8×8bit的乘法操作,因此DM642在每个时钟周期内可阻执行4个l6×16bit的乘法或8个8×8bit的乘法操作其余6个功能单元是算术逻辑单元,能在每个时钟周期内执行2个16位或4个8位的加减、比较、移位等运算在600MHz的时钟频率下,0M642每秒最多可以进行24亿次16位的乘累加或48亿次8位的乘累加操作强大的运算能力使DM642可以同时进行多路高质量的视频处理DM642系列可以在最高720MHz的时钟频率下工作,处理能力最高达到5760MIPS,所以随着频率的增}JflDM642的性能也会随之大幅度提高同时64位的EMIF使DM642具有最大10241dB的可寻址外部存储器空间,可以进行多种异步存储器如SRAM和EPROM或同步存储器如SDRAM的扩展连接良好的扩展能力使DM642可以更灵活、高效的进行程序和数据的空间分配、调度与处理在出现新的算法或标准时,也可以方便的进行系统的软件升级11公司的各种型号DSF专为实时信号而设计,在其各种型号的DSP中,TMS320F28x系列DSP将实时信号处理能力和控制器外设功能集于一身,为本数据采集系统提供了一个非常理想的解决方案基于该系统对于速度,功耗,成本等方面的考虑,本课题采用了TMS320F28x系列中的TMS320F2812作为数据采集系统的处理器件.TMS320F2812的指令执行速度高达150MIPS,作为控制器应用它具备良好的实时控制能力它的供电电压为3.3V,与单片机相比,具有更低的控制器功耗它的指令系统提供了丰富的“乘累加”,“循环寻址”等指令,这使得实时信号处理中的滤波,频谱分析,可以方便快速的实现采用微处理器或者DSPde数字控制方式是目前涉及控制系统的发展趋势,主要优点如下由软件程序修改而实现不同的控制方法,无须更改硬件电路可降低体积、体重与功耗,同时价格也较低具有较高的可靠性且易于维修与测试对噪声与干扰有较强的抗干扰能力采用DSPTMS320F240作主控CPU它是专用于电机数字控制的高速数字信号处理器能够提供电机数字控制单片解决方案所必需的外围设备用AD2S83将旋转变压器输出的模拟位置信号SINCOS转换为并行的数字信号然后由DSP将数字位置信号读入并进行处理首先需要一个交流信号发生器来产生高品质振荡信号一方面给旋转变压器提供励磁信号另一方面作为AD2S83的参考输入信号R7C6和C7要尽量接在靠近芯片第41引由于旋转变压器输出的位置信号SINCOS满足AD2S83信号输入的要求故可直接与AD2S83接口否则需要额外的信号处理电路将旋转变压器输出的正余弦信号转换为满足AD2S83的幅值与相位要求的信号若将AD2S83的数据总线直接与DSP的数据总线接口不论AD2S83内部处于什么状态当DSP需要读入位置信号时必须通过其I/O口向AD2S83的INHIBIT引脚施加低电平从而阻止AD2S83内部锁存器刷新在等待490ns后才可读取有效数据但是这对于指令周期仅有50ns的DSP来说要等待近10个指令周期这显然不适于实时控制的要求因此笔者设计了一个即时读取数据的接口电路将INHIBIT引脚始终置为高电平+5V同时将ENABLE引脚接地使三态输出引脚始终处于打开状态由于输出数据为12位故将BYTESELECT引脚接为高电平+5V此时DB1~DB8为高有效位DB9~DB12为低有效位DB13~DB16始终为低电平016进制数000~FFF对应机械角0~360°将DATALOAD引脚置为逻辑高悬空即可使12位数据总线为输出总线为了使DSP能随时读取到位置信号在12位输出总线与DSP的数据总线之间加入两片三态锁存器锁存器选用TI公司的SN74F573将BUSY信号经过一个非门后作为锁存器的锁存允许信号LE取DSP的四根地址线AD2~AD5经译码后再与读信号线RD相与所产生的信号作为锁存器的输出允许信号OE这样当DSP需要读取位置信号时就可通过74F573来直接读取了工作原理如下:当AD2S83加入旋变信号时不需要任何转换指令便可自动启动转换当BUSY为低电平时表示转换已经结束当前数据总线上为有效数据同时打开74F573将数据输入到锁存器中;BUSY为高电平时表示转换正在进行当前数据总线上数据无效此时74F573处于关闭状态内部锁存着上一次转换的数据这样不论DSP何时读取数据均可从锁存器中读到有效数据不需要任何等待大大提高了伺服系统控制的实时性其接口电路原理图如图2-23所示图2-23AD2S83与DSP连接图采用这种接口方案可以实时地读取位置信息完全可满足对转子位置和速度进行实时快速控制的要求所提供的移相触发控制算法和顺序触发控制算法经系统实际运行证明具有触发可靠、准确的特点实验证明在斜波电压起动模式和限流起动模式下系统能根据不同的实验参数调整起动特性达到满足不同起动需求的目的并具有较高的精度且接口电路简单成本较低工作可靠使用方便基于数字式信息处理旋变信号小结现代控制系统的发展,一般均采用专用数字控制系统,而专用数字控制系统的功能,相当一台小型专用电脑因此对反馈元件的要求,并不是简单地送出电压模拟量,而是要求得到旋转变压器型轴角编码器的组件化产品该组件集旋转变压器、旋转变压器激磁电源、轴角编码及处理于一体,是测量变换一体化的组件,输出为标准的二进制码Biθ与测量角度θ的关系,可以直接插入主机控制板或与旋转变压器一体化届时,作为控制系统的用户关心的是旋转变压器的安装尺寸,输出的角度二进制编码Biθ的编码精度及反馈组件的传递函数Gs与传统的作法相比,可省去用户的控制系统空间及时间双通道旋转变压器作为轴角位置测量元件,主要用于控制系统的角位置信息反馈、惯导系统的坐标分解器及移动指挥控制中心的定位等场合近年来的新技术、新工艺和新材的大量应用促进了双通道旋转变压器与超大规模专用集成电路的结合——双通道旋转变压器型轴角编码组件,使其无论在理论还是在实际应用中都有了极大的发展这类轴角编码组件的输出信号为数字量形式,经电气误差模型化的综合补偿,并通过电子技术处理,其电气精度已达到相当可观的等级,并可通过实时数据传输同时,这类轴角编码组件能在恶劣的环境下工作,具有较高的可靠性双通道旋转变压器型轴角编码组件一直是军事装备系统中主要的角度位置测量、定位元件,其编码采用按照跟踪反馈法原理工作的专用编码大规模集成电路RDC来处理,先对高频高精度双通道旋转变压器的粗、精通道分别进行编码,然后经粗、精通道组合和误差补偿后输出二进制码一般来说,用户对于电气精度技术指标的要求为角秒级精度,因此选用粗、精通道组合的双通道旋转变压器、正余弦交流电源及两套超大规模专用集成电路(RDC)组成轴角编码组件这时分别将粗、精通道旋转变压器的模拟输出正、余弦信号转换为二进制数字编码信号输出,两路编码信号经同步逻辑组合输出,其编码信号的电气精度应满足用户要求精通道一路的输出编码可再经过参数调整,使组件的电气精度进一步提高
2.22基于模拟技术的旋变信息处理传统的信号处理或控制系统是采用模拟技术进行设计和分析,处理设备和控制器采用模拟器件(电阻、电容和运算放大器等)实现流程图见图2-24图2-24流程图因为本设计没有运用旋转变压器,因为首先通过模拟电路模拟出旋变信号,然后将模拟出的旋变信号通过单片机作为主控单元进行分析后,通过编程解出角度的量值,最后在显示单元中显示机械角度值
2.3数字方式与模拟方式的比较可以看出,数字方式与模拟方式各有各自的特点,下面我们就它们的多个方面进行比较1,硬件成本采用微处理器或者DSP的主要优点就是能够以软件程序取代复杂的硬件电路由于大规模集成电路(VLSI)发展迅速,高处理能力的CPU以及大容量的存储器,它们均能够以非常快的速度实现较复杂的控制算法,但是由于现在集成技术发展没有所使用的模拟元件广泛,导致专用的集成芯片相对于普通适用的模拟电路要贵几十倍,整个数字方式采用的专用芯片外加DSP芯片成本相对于模拟方式总成本也贵了几十倍因此在成本这个角度考虑模拟电路在基本电路实现上有很大的优势2,量化误差大小物理系统的信号是模拟的,因此以微控制器或DSP为基础的信号处理系统就必须采用A/D与D/A转换器才能与外界的模拟信号进行沟通,由于这些模拟数字信号转换器均有分辨率上的限制,通常为8位或者12位,因此,在采样上也就造成了量化误差,由于量化误差在信号上的大小造成的不连续与导致的误差以及因为采样在时间上造成的不连续均对信号造成失真,而这也就是数字信号处理系统的主要限制因为这种量化与采样对信号所造成的误差极为明显如果DSP通过A/D转换器将读入的正弦信号再通过D/A转换器送出,比较输入与输出信号即可观察到所造成的误差当正弦的频率逐渐增高时,这种现象则更为明显由采样定理可知,如果采样频率高于信号频率的两倍,即可完全恢复原始信号,但实际上由于不可得到理想的采样,再加上噪声与量化所造成的误差,一般而言,采样频率比信号频率高10倍3,软件信号测量容易成都采用DSP进行信息处理,将以软件程序实现控制算法,因此其内部变量与控制器的参数均不易于观测,而不像模拟信号处理系统可以使用示波器观测任何一点的信号,虽然控制器参数可以程序控制,但往往需要额外的软硬件设计4,可靠性复杂的数字处理系统应用于工业自动化,如CNC或者机器人,应用于国防工业如导弹与导航等,均需要高可靠性,采用高度集成的微控制器或DSP使系统的可靠性有了极大的提高5,电磁干扰问题较少VLSI的高密度电路,降低了在电力电子系统中的高电压与高电流变化对电路所形成的影响,控制芯片的屏蔽较为简单,由电力线或信号线所产生的噪声也容易滤掉6,不会有漂移与参数变化在模拟电路十几种遇到的一些问题,如温度或环境变化而引起的漂移现象,这种现象也会因为组件老化而发生,但在数字电路中则可以消除这些问题以微处理或单片机软件实现的数值计算不仅不会有参数变化,计算也会百分之百正确,而且截断和溢出等问题也可以采用适当的调整比例范围来解决7,通用的软硬件平台采用DSP实现数字处理系统,可以使系列产品具有相同或类是的硬件结构,不仅易于维修,也简化了生产制造的过程,同时对软件设计而言也因为有了共同的硬件标准而较易规划与设计8,自动纠错能力采用微电脑控制,可用软件进行系统硬件额自动纠错,不仅能确保系统正常工作,还由于具有自动纠错能力而简化了故障维修例如可以检测系统是否接线正确、功率是否有短路现象等9,计算能力的限制虽然由于微电子技术的快速进展,微处理器与DSP执行速度已大幅提高,但在执行速度上仍无法与特定模拟电路所完成的硬件控制相比由于特定硬件在信号处理上是以并行方式处理的,而在微处理器或DSP为基础的数字控制是以串行方式执行软件,如果DSP有多个工作要做,则需要将各个任务划分时间段进行处理,因而造成了采样延迟,导致信号无法连续处理无法获取采样之间的信号,这使得系统的带宽也就受到了限制,这个限制虽然可由多个处理器并行处理,但本身采样效应所造成的限制是无法去除的
2.4本章小结处理旋变信号主要有两大方式,模拟方式和数字方式其中,自20世纪六十年代以来,数字信号处理已经日渐成为一项成熟的技术,并在多项应用领域逐渐取代了传统模拟信号处理系统数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备,以数值计算的方式对信号进行采集、变换、综合、估计和识别等加工处理数字信号处理技术具有灵活、精确、抗干扰能力强,设备尺寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点,所以目前大多设备采用数字技术设计实现但是数字电路相对于模拟电路有着本身需要解决的问题例如计算能力的限制、软件信号不易测量以及存在量化误差,成本比较高,在基础仿真中不容易实现等问题,因此我们应该选择在模拟方式下进行旋变信号的处理,提高对于模拟电路的理解与应用,最终实现对旋变信号的全面了解3方案设计根据上章的分析,综合数字方式处理旋变信号以及模拟方式旋变信号处理的优势与劣势,从各项因素以及自身条件出发,本设计决定选择模拟方式进行旋转变压器信号处理
3.1系统设计在模拟方式处理旋变信号时,本设计设计了两种模拟电路方案进行比较两种方案有所异同,但是最终得出机械角度测量的精度以及旋变信号处理中的相位会有所不同,最后将进行比较总体来说,方案框架如下图3-1整体方案框图下面将给出本设计的两种方案的具体电路图
3.2方案一系统设计为了后面介绍各个部分电路的功能以及各个部分电路之间的关系,首先给出方案一的总体电路图(图3-2)图3-2方案一电路总图
3.21旋转变压器信号模拟电路设计由于鉴幅和鉴相方式时角度位移是一个受到电角度以及系统电磁量的影响,因此为了消除这些模拟方式上存在误差,在模拟旋变信号时设定角度位移是θ同时人为引进变量ф,这个变量ф仅仅受到人为调整,不受到系统其他参数的影响,因此提高了角度测量的精度最后推导出的公式为VU3=Sin(θ-ф)Sinωt具体公式在后面推导,下面先给出实现旋转变压器信号的模拟电路图(图3-21)图3-21旋变信号产生模拟电路图可以由上图中看出,两个乘法器(U1和U2)实现了两个信号相乘,其中U1的1号端口输入的是人为给定的角度ф的正弦函数Sinф,3号端口的输入是SinωtCosθ,7号端口输出的是SinωtCosθSinф其中U2的1号端口输入的是人为给定的角度ф的余弦函数Cosф,3号端口的输入是SinωtSinθ,七号端口输出的是SinωtSinθCosф特别要指出的是,由于乘法器内部将信号衰减了10倍,因此本设计的后面放大电路将信号衰减的这10倍考虑在内下面给出AD633乘法器的内部电路图(图3-22)图3-22AD633芯片内部电路AD633是一款低成本的乘法器,它包括了一个核心的滤波器,并且连接了一个单位增益输出,差分输入X和Y转换为差动电流的电压电流转换器,并配置各种模拟计算功能同时AD633是一个功能完整,四象限模拟乘法器它包括高阻抗,差分X和Y输入和一个高输入阻抗总结(Z)的低的IM-pedance输出电压为10伏标称稳压提供全面埋地该AD633是第一个产品提供SOIC封装,这些特征在价格适中的8引脚塑料DIP和AD633是规模的激光校准,以充分保证了总的2%的精度输入非线性的Y-通常小于
0.1%和噪音提到了输出通常小于100μV的带宽有效值在10赫兹到10千赫可以看出,乘法器AD633的公式为两个信号经过一个减法器U3以后在1号端口得到信号经过和差化积以后为VU3=Sin(θ-ф)Sinωt即为所要的旋变信号
3.22减法电路设计本设计采用的是由LM158构成的单运放基本减法电路,其电路图如图3-23所示图3-23减法电路图该电路所用运放LM158它为单片高增益双运算放大器,可在较宽范围的单电源下工作,其电源电流很小且与电源电压大小无关LM158芯片引脚功能说明1为输出端,2为反向输入端,3为正向输入端,4接-Vcc,5为正向输入端6为反向输入端,7为输出,8接+Vcc,Vcc为电源电压接5V减法电路的分析和参数的设置由基尔霍夫第一定律列电流等式有,将上式用欧姆定律展开,为了消除偏置电流引起的误差,要求运算放大器两输入端的外电路其总电阻必须平衡,即令,则有即:令,则有即又因为,所以即,其成立的条件且故设,,能够实现其减法运算功能经过减法电路的表达式为VU4=SinωtCosθSinф-SinωtSinθCosф=Sin(θ-ф)Sinωt
3.23相敏检波电路相敏检波是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路相敏检波电路具备两个重要特性选频与鉴相特性其中,选频特性指的是它对不同频率的输入信号有不同的传递特性以参考信号为基波,所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零,即它有抑制偶次谐波的功能对于n=135等各奇次谐波,输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n,即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减,对高次谐波有一定抑制作用鉴相特性指的是输入信号与参考信号同频信号,但有一定相位差,即输出信号随相位差的余弦而变化由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时,输出信号的大小与相位差有确定的函数关系,可以根据输出信号的大小确定相位差的值,相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性其中,我们重点使用的便是相敏检波的鉴相特性,因为通过检测信号的输出即可以得到有关于相位差的信息,由于相位差中包含了角位移的信息,因此可以从中找出角度位移图3-24相敏检波电路可以看到,模拟的旋变信号经过乘法器(U5)的1管脚接入,3管脚接入了一个参数已定的载波信号,两个信号经过乘法器相乘后接入到滤波电路
3.24滤波电路无源滤波这指的是种电路主要有无源元件R、L和C组成的滤波电路,它通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻(调谐滤波)状态给某次谐波电流构成一个低阻态通路这样谐波电流就不会流入系统无源滤波的优点为成本低,运行稳定,技术相对成熟,容量大有源滤波指的是由集成运放和R、C组成的滤波电路具有不用电感、体积小、重量轻等优点集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出电阻小,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用但集成运放带宽有限,所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高二者比较有源滤波谐波滤除率一般只有80%,对基波的无功补偿也是一定的有 源滤波除了滤除谐波外,同时还可以动态补偿无功功率其优点是反映动作迅速,滤除谐波可达到95%以上,补偿无功细致缺点为价格高,容量小由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟,而且集成运放带宽有限,所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高所以当前常见的有源滤波容量不超过600kvar其运行可靠性也不及无源滤波电路通过比较,本设计采用的是一阶RC无源滤波电路电路图如下3-26所示图3-25一阶RC无源滤波电路一阶RC高通滤波器其幅频、相频特性如下图3-27所示图3-26一阶RC低通滤波幅相频特性设滤波器的输入电压为ex输出电压为ey,电路的微分方程为HYPERLINKhttp://www.zdh
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20107138155201682.jpg\*MERGEFORMAT这是一个典型的一阶系统令τ=RC,称为时间常数,对上式取拉氏变换,有HYPERLINKhttp://www.zdh
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20107131193032486.jpg\*MERGEFORMATHYPERLINKhttp://www.zdh
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20107137925951780.jpg\*MERGEFORMAT其幅频、相频特性公式为HYPERLINKhttp://www.zdh
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20107131004105547.jpg\*MERGEFORMAT分析可知,当f很小时,Af=1,信号不受衰减的通过;当f很大时,Af=0,信号完全被阻挡,不能通过
3.25反向放大电路电路如图所示,输入电压通过R9作用于运放的反向端R8跨接在运放的输出端和反向段之间,同向端接地,由虚短的概念可知,Vn≈Vp=0,因此反向输入端的电位接近于地电位,故为虚地反向电路各项指标计算反相端为虚地段,即Vn=0,由虚断的概念可知可知由此可得由上式可知,电路的电压增益是电阻R8和R9的比值符号表明输出电压Vo与输入电压Vi相位相反,当R8=R9时为反向电路,也就是说Vo=-Vi图3-27反向电路图
3.26模数转换电路(A/D反向电路输出的信号即为旋变信号的幅值的常系数,其中包含了我们需要的角度的正弦值因此我们将此信号送入单片机进行处理,当然由于单片机只能进行数字信号的处理,所以必须得将电压信号转换为数字信号才能送入单片机进行处理A/D电路即完成了信号的转换功能,下面给出具体的模数转换电路本设计选用的是ADC0808芯片,ADC0808是AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域它采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换ADC0808是ADC0809的简化版本,功能基本相同一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换,实际使用时采用ADC0809进行A/D转换ADC0808内部结构ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器ADC0808引脚功能(外部特性)ADC0808芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,各引脚功能如下1~5和26~28(IN0~IN7)8路模拟量输入端
8、
14、15和17~218位数字量输出端 22(ALE)地址锁存允许信号,输入,高电平有效 6(START)A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位,下降沿启动A/D转换)7(EOC)A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)9(OE)数据输出允许信号,输入,高电平有效当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量10(CLK)时钟脉冲输入端要求时钟频率不高于640KHZ12(VREF(+))和16(VREF(-))参考电压输入端11(Vcc)主电源输入端13(GND)地23~25(ADDA、ADDB、ADDC)3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路主要性能参数·与MCS-51产品指令系统完全兼容·4k字节可重擦写Flash闪速存储器·1000次擦写周期·全静态操作0Hz-24MHz·三级加密程序存储器·128×8字节内部RAM·32个可编程I/O口线·2个16位定时/计数器·6个中断源·可编程串行UART通道·低功耗空闲和掉电模式工作参数电源电压(Vcc)
6.5V控制端输入电压-
0.3V~15V 其它输入和输出端电压-
0.3V~Vcc+
0.3V贮存温度-65℃~+150℃ 功耗(T=+25℃)875mW 引线焊接温度
①气相焊接(60s)215℃;
②红外焊接15s220℃抗静电强度400V图3-28AD转换电路
3.27单片机处理电路本设计采用的是AT89C51单片机,ATMEL公司的89C51系列产品是近年来在我国非常流行的单片机,其主要功能如下一个8位的微处理器;片内数据存储器RAM有128B,21个特殊功能寄存器SFR;内程序存储器FlashROM有4KB;可寻址片内外统一编址的64KB的ROM可寻址片外64KB的RAM;4个8位并行I/O接口(P0—P3);一个全双工通用异步串行接口UART;两个16位的定时器/计数器;五个中断源、两个优先级的中断控制系统;具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能;片内振荡器和时钟产生电路重要端口连接P0P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻在FIash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻P1P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)FIash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址P2P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容),在整个访问期间不改变Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和其它控制信号P3P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口作输入端时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号RST复位输入当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节即使不访问外部存储器,ALE仍以时钟振荡频率的l/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的要注意的是每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的DO位置位,可禁止ALE操作该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效PSEN程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲在此期间,当访问外部数据存储器,这两次有效的PSEN信号不出现EAVPP外部访问允许欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)需注意的是如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态如EA端为高电平(接VCC端),CPU则执行内部程序存储器中的指令Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压VppXTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端XTAL2振荡器反相放大器的输出端电路图如下所示图3-29单片机电路
3.28显示电路本设计采用的显示模块是LCD1602,它有体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用这种字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器,根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等LCD1602引脚介绍第1脚VSS为地电源第2脚VDD接5V正电源第3脚V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器第5脚RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据第6脚E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令第7~14脚D0~D7为8位双向数据线第15~16脚空脚它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的(说明1为高电平、0为低电平)LCD1602指令介绍指令1清显示,指令码01H光标复位到地址00H位置指令2光标复位,光标返回到地址00H指令3光标和显示模式设置I/D光标移动方向,高电平右移,低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移高电平表示有效,低电平则无效指令4显示开关控制D控制整体显示的开与关,高电平表示开显示,低电平表示关显示C控制光标的开与关,高电平表示有光标,低电平表示无光标B控制光标是否闪烁,高电平闪烁,低电平不闪烁指令5光标或显示移位S/C高电平时移动显示的文字,低电平时移动光标指令6功能设置命令DL高电平时为4位总线,低电平时为8位总线N低电平时为单行显示,高电平时双行显示F:低电平时显示5x7的点阵字符,高电平时显示5x10的点阵字符(有些模块是DL高电平时为8位总线,低电平时为4位总线)指令7字符发生器RAM地址设置指令8DDRAM地址设置指令9读忙信号和光标地址BF为忙标志位,高电平表示忙,此时模块不能接收命令或者数据,如果为低电平表示不忙指令10写数据指令11读数据LCD1602与单片机接口电路图3-30LCD1602与单片机接口电路
3.3方案二介绍方案二采用的是在模拟旋变信号信号时,对旋变信号进行相位补偿方式的信号模拟,同方案一比较而言,方案二在前面乘法器合成机械角度θ与人为给定的角度ф合成信号VU3=Sin(θ-ф)Sinωt的电路是一样的,最主要的不同是在处理合成信号的电路部分,方案二采用的是另一种思想进行对合成信号中的载波信号进行处理,该方案采用的是给出两个载波滤波两次,最后补偿相位以后滤波得到的电压值就是包含机械角度的电压值,之后进行送入AD以及单片机进行数据处理,最后将处理的数据再显示出来需要指出的是,方案二在最后处理角度信号的电路也是完全相同的为了节约时间与不必要的冗余篇章,方案二只重点介绍方案一中没有的和不同的电路部分
3.31方案二设计同介绍方案一类似,为了后面介绍各个部分电路的功能以及各个部分电路之间的关系,首先给出方案一的总体电路图图3-31方案二整体电路图
3.31滤波电路在第二次滤波的时候(此次滤波要滤去的是乘法器U1和U2中的载波)方案二采用的不是简单的RC无源滤波方式,本方案采用的是有源滤波方式,因为方案二采用的有源器件较多,采用有源滤波除了滤除谐波外,同时还可以动态补偿无功功率其优点是反映动作迅速,滤除谐波可达到95%以上,补偿无功细致相对于无源滤波缺点为价格高,容量小图3-32滤波电路经滤波后就是一个直流信号,这一直流信号接在模数转换ADC0808的VREF+端口上
3.32积分电路由于电容的存在,在第一次RC滤波的时候输出的信号同滤波之前产生了相位差,由于这个相位差,在后续第二次滤波后输出的电压信号会产生误差,因此必须将这个相位进行补偿,下面给出方案二的积分补偿电路图利用虚地和虚断的概念我们可以得到,运放的正负输入端电压为零,电流为零,因此流过电阻R91的电流等于流过电容C15的电流,电容器C51通过流经它的电流进行充电假设电容器的初始电压为零,则VU7=-由上式可知,输出电压VU7为输入电压Vi对时间的积分,负号表示他们相位是相反的可以看到,我们输入是一个正弦信号,所以相位将会由于积分变成余弦信号,达到了补偿相位的作用这种电路经常应用于扫描电路,模数转换电路或者模拟运算器等
3.4方案一与方案二比较选择通过前面阐述两种方案的详细电路分析可知,方案一电路简单,元器件少,不用考虑旋变信号的相位变化,相对于方案二来说容易实现方案二通过两次滤波以及补偿相位进行旋变信号处理,这种方案适合于信号复杂,且要求精度高的要求下适用,同时,方案二存在相位补偿电路可以手动进行调节,适合一些需要旋变信号变化的场合,当然,由于方案二减少了无源器件,使得干扰相对于方案一较少综上所述,由于本设计采用的是基本的正余弦信号进行模拟旋变信号,且要求电路简单易实现,最后选择方案一为最终决定的方案
3.5本章小结在模拟方式下进行旋变信号的处理,本章进行了两种方式的设计与比较,在设计时候两种方式在局部电路相同,但是在处理发出的旋变信号时候方式一直接进行一次载波相敏检波,方式二进行的是两次载波相位补偿后进行相敏检波,两种方式各有优势与劣势,方式一因为其电路简单,元器件少易于仿真与调试等优点最终在与方式二的比对中,我们把它作为最终的方案进行调试4静态调试该部分通过基本的波形显示与数据计算阐述了旋变信号的处理过程,分成各个重要电路的输出信号分析,由于在第三章已经分析了各个部分电路的功能以及计算推导过程,因此静态分析时给出的数据分析给出计算式子,不过多进行公式推导
4.1方案一静态调试当转子转角为定值转动时,不防设为80,可调初始值设为45,的频率设为1k幅值为10,
4.11模拟旋变信号模拟信号经乘法器相乘后输出为该输出波形见图4-11中的A通道以及B通道所示
4.12减法电路输出信号模拟旋变信号的输出接入减法电路后,进行减法计算,在电路中设,,能够实现其减法运算功能经过减法电路的表达式为其输出波形如图4-12中的C通道所示图
4.12波形图
4.13相敏检波电路调试相敏检波电路的调试主要是为了滤去载波,得到我们想要的包含机械角度的直流分量,并将它送至下一个电路所以在静态时候,我们分析一下情况在乘法器给入的解调信号的频率不能大于载波信号的频率经相敏检波后输出信号的表达式为式中为载波信号,频率设为1K,幅值是10V乘法器输出电压中包含的低频分量及的高频分量后者经低通滤波器滤除通过乘法器后的波形如图4-13中的A通道所示,滤波后的波形B通道所示图4-13相敏检波波形
4.14反向放大电路由于为了单片机处理数字信号,我们通过用两次反向放大电路实现了电压信号为正值以及将其放大到0-5v以内,这样在后续的单片机处理数据的时候方便容易操作为了方便比对,我们将反向放大电路的输入直流信号接入示波器A通道,如图4-14中的A通道所示第一个反向放大器中信号通过电阻R4加至运放的反相输入端,输出电压通过反馈电阻R5反馈到运放的反相输入端,构成电压并联负反馈放大电路R6为平衡电阻应满足R6=R4//R5利用虚短和虚断的概念进行分析,,,,则 即 ,则根据反相放大的原理可知放大倍数,,放大10倍即可故设R6=10k,R5=1k,此时经放大电路后表达式为,其波形如图4-14中B通道所示实际放大倍数为倍,跟理论相差
0.3,在误差范围内,满足设计要求第二个反向放大电路基本原理和第一个完全相同,它的设立完全是为了使电压值为正值而加设的电路,所以设置的阻值为R8=R9=10K,在调试的时候由于元器件的损耗,可以适当减少R8,以抵消元器件的电压消耗它的输出见图4-14中C通道所示图4-14反向放大电路
4.15电压信号处理电路反向放大后的电路接入AD转换电路后变成数字信号,再将其送入单片机进行反正弦计算,求出的角度值显示在LCD上,这部分不存在波形,只涉及简单的三角计算,就不详细描述下面给出最后处理后的显示结果见图4-
15.图4-15最终结果显示图
4.2方案二静态调试同方案一一样,假设当转子转角为定值转动时,不防设为80,可调初始值设为45,的频率设为1k幅值为10V由于很多方案二的电路和方案一一样(模拟旋变信号,减法电路,相敏检波电路,反向放大电路电路),在这里就不一一进行叙述,下面给出方案二中同方案一相比不同的电路(积分相位补偿电路,滤波电路)的波形图以及数据处理
4.21积分相位补偿电路图4-21,通道A是接入相敏检波的波形,通道B是接入RC低通滤波的信号波形,通道C是相敏检波后的波形图,通道D是相位补偿以后的信号波形,我们可以看到,B通道表示的是调制波被包含在载波中的波形,在经过RC低通滤波以后,C通道的信号相对于A通道的信号明显有一个相位差,这个相位差是由于电容造成的,在经过了积分电路以后,D通道显示的信号已经在相位上同A信号相同,这也就意味着,已经将输出波形补偿为第一个载波信号的形式,于是我们可以进行下一步滤波调试图4-21相位补偿电路波形图
4.22滤波电路载波信号滤掉,其电路图如图21所示电容的容量不易超过1uF,因大容量的电容器体积大,价格高,应尽量避免使用截止频率应该大于调制信号,小于载波频率的,故取C111=C22=
0.1uF1kR1=R51M则因为时,,根据与R
4、R5的关系,集成运放两端外接电阻的对称条件,解得,故,经滤波后,输出信号的表达式为,其波形如图图所示理论输出的最大电压为V,实际输出最大电压为
1.37V,误差为
0.07V经滤波后就是一个直流信号,表达式为这一直流信号接在模数转换ADC0808的VREF+端口上图4-22滤波波形图可以看到,这种滤波以后的波形比方案一滤波以后的波形更光滑
4.3本章小结波形检测是静态调试的重要手段,在经过了理论计算之后波形的幅度波形以及相位关系是检测我们所得到的波形是否所要求达到理论,预期的波形不能达到要求我们就必须进行参数修改,进行调试,比如相位补偿电路中,我们的相位在刚开始没有补偿到与相敏检波之前的信号一致,因此我们必须参照理论电路知识修改其中电容与电阻的值,在修改了以后再测试波形,直至达到要求总体上来说,方式一的静态调试较为顺利,由于不存在相位补偿,因此要调试的就是主要是对电压的幅值以及正负号的比对,比如第二个放大器就是在静态调试的时候发现幅值为负值不易调试的时候加入的,用以达到使幅值为正,方便单片机进行调试方式二的调试比较复杂,涉及到电压幅值,旋变信号的相位以及旋变信号的幅值,调试电容的容抗以及电容的阻抗使它们匹配以及滤波电路滤波光滑等也是重要的调试方面总体上来说最终调试的结果达到了预期的效果,使得后面的功能实现提供了良好的保障5总结与展望
5.1总结本设计通过比较多种方案,在对数字方式以及模拟方式下的旋变信号处理方法做了详细介绍,最后采取的是一种简单易操作的模拟方式实现了旋变信号的处理,这种方式采用了基本的模拟器件进行模拟旋变信号,并且用基本运放等组成的相敏检波以及滤波等电路处理旋变信号,在模拟旋变信号的角度信号被转变成包含机械角度的电压信号的时候,采用AD转换将信号转换为能够单片机能够处理的数字信号最终采用的电压信号处理器是标准AT89C51单片机显示单元则采用了LCD1602在调试仿真的时候,经常出现预期的波形不能达到要求,因此就必须进行参数修改,进行反复比对调试,比如相位补偿电路中,我们的相位在刚开始没有补偿到与相敏检波之前的信号一致,因此我们必须参照理论电路知识修改其中电容与电阻的值,在修改了以后再测试波形,直至达到要求通过一学期的努力,在指导老师的帮助之下,我们的毕业设计即将完成通过一个学期的设计,我对旋变信号处理以及单片机有了更深的体会我了解和掌握了一些硬件连接与设计的基本知识通过这次的设计,对模拟电路以及整个信号处理的基本方式有更深的理解,对许多基本芯片的各个管脚功能的理解也加深了,以及在各个电路功能以及管脚的连接方法方面都能向前迈了一大步这次的课程设计让我把所学到的模电数点以及单片机理论知识用在实践中,实现了理论和实践相结合,从中更懂得理论的是实践的基础,实践有能检验理论的正确性,让我受誉非浅,对我以后参加工作或者继续学习将会产生巨大的帮助和影响
5.2展望由于使用的是以模拟原件作为核心的旋变信号产生与处理的电路设计,使得电路的可靠性比较高,成本比较低,而且可以在许多基础软件上进行调试仿真,能够迅速得到实时模拟的机械角度但是在我们设计和调试的过程中,也发现了一些问题,譬如单片处理浮点数的速度不够迅速,以及模拟电路信号的处理上不能达到专用芯片的快速,以及输出的处理旋变信号后输出的电压信号没有专用芯片准确,这需要在实践中进一步完善,进一步提高整体电路的功能致谢四年的大学生活就快走入尾声,我们的校园生活就要划上句号,心中是无尽的难舍与眷恋从这里走出,对我的人生来说,将是踏上一个新的征程,要把所学的知识应用到实际工作中去回首四年,取得了些许成绩,生活中有快乐也有艰辛感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲,对我成长的关心和爱护学友情深,情同兄妹三年的风风雨雨,我们一同走过,充满着关爱,给我留下了值得珍藏的最美好的记忆在我的十几年求学历程里,离不开父母的鼓励和支持,是他们辛勤的劳作,无私的付出,为我创造良好的学习条件,我才能顺利完成完成学业,感激他们一直以来对我的抚养与培育最后,我要特别感谢万文略老师、万文略老师是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励使我能够顺利完成毕业设计,在此表示衷心的感激.万文略老师认真负责的工作态度,严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅他无论在理论上还是在实践中,都给与我很大的帮助,使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助,感谢她耐心的辅导在系统调试仿真中许多老师也给予很大的帮助,帮助解决了不少的难点,使得仿真能够及时完成,这里一并表示真诚的感谢最后,我要深深感谢我的家人和自动化系的全体教师;他们在我四年的求学过程中给予我无私的帮助和关心,使我顺利完成了大学本科的学业衷心感谢各位评委在百忙中对本论文进行审阅和参加答辩!参考文献
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1232131.附录单片机程序#includereg
51.h#includeLCD_
1602.h/*******************************************延时us级*******************************************/staticvoiddelay_usucharx{while--x;}/******************************************写命令*******************************************/voidwrite_1602_comucharcom{w_1602_rs=0;w_1602_rw=0;dd=com;delay_us5;w_1602_en=1;delay_us5;w_1602_en=0;}/*********************************************写数据**********************************************/voidwrite_1602_datauchardate{w_1602_rs=1;w_1602_rw=0;dd=date;delay_us5;w_1602_en=1;delay_us5;w_1602_en=0;}/*************************************************1602初始化*************************************************/voidinit_1602void{w_1602_en=0;write_1602_com0x38;write_1602_com0x0f;write_1602_com0x06;write_1602_com0x01;}#includereg
52.h#includemath.h#includeLCD_
1602.h#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#definePI
3.141593#definessP1sbitEOC=P2^7;sbitST=P2^6;/***********************************************************函数功能不精确延时MS级输入参数无返回值无************************************************************/voidDelayucharx{uchari;for;x0;x--fori=1;i125;i++;}/***************************************************************函数功能显示AD转换值输入参数temp返回值无****************************************************************/voiddispaly_aduchartemp{write_1602_com0x80;write_1602_datatemp/100+48;write_1602_datatemp%100/10+48;write_1602_datatemp%10+48;}/*************************************************************函数功能显示AD转换后的电压值输入参数v返回值无**************************************************************/voiddiaplay_ad_vfloatv{uintad_v;ad_v=uintv*100;//
0.05vwrite_1602_com0x80+0x40;write_1602_dataad_v/100+48;write_1602_data.;write_1602_dataad_v%100/10+48;write_1602_dataad_v%10+48;write_1602_datav;}/************************************************************函数功能显示AD转换后的电压值输入参数v返回值无*************************************************************/voiddisplay_angleuintangle1{//uintang;//ang=uintangle1;write_1602_com0x80+0x46;write_1602_dataangle1/100+48;write_1602_dataangle1%100/10+48;write_1602_dataangle1%10+48;//write_1602_datav;}/************************************************************函数功能显示最终角度值输入参数ang返回值无*************************************************************/voiddisplay_numuintang{write_1602_com0x80;write_1602_dataang/100+48;write_1602_dataang%100/10+48;write_1602_dataang%10+48;}/************************************************************函数功能AD转换输入参数无返回值datt0-255之中的数*************************************************************/ucharadvoid{uchardatt;ST=0;//startST=1;ST=0;while!EOC;//等待AD转换完成datt=ss;//读取AD值returndatt;}/**********************************************************************函数功能定时器中断初始化输入参数无返回值无***********************************************************************/voidinit_serialvoid{//定时器0设置TMOD=0x01;//定时器0选择工作方式1TH0=65535-10000/256;//10msTL0=65535-10000%256;TR0=1;//启动定时器0ET0=1;//开定时器中断//EA=1;//开总中断}voidmainvoid{ucharAD_data;uintangle_num=0;uintangle=0;floatpower_v=0;//0-5vinit_1602;//init_serial;while1{AD_data=ad;//读取AD值power_v=floatAD_data/51;//算电压幅值AD_data/256*5angle=asinpower_v*180/PI;angle_num=angle+45;//45度为给定的初值display_numangle_num;//显示转子转角//dispaly_adAD_data;//diaplay_ad_vpower_v;//display_angleangle;}}/*******************************************************************函数功能定时器0中断函数每10ms中断一次输入参数无返回值:无********************************************************************/voidtime0interrupt1{TR0=0;TL0=65536-10000%256;TH0=65536-10000/256;TR0=1;}乘法器正弦信号相位补偿相敏解调器减法器乘法器余弦信号显示电路单片机A/D转换电路滤波电路显示电路单片机滤波以及相位补偿电路波形检测相敏检波旋变信号发生电路AD转换电路。