旋转变压器—数字转换器AD2S83在伺服系统中的应用

    摘 要： 介绍了旋转变压器－数字转换器AD2S83在伺服系统中的应用，重点介绍了该器件与主控芯片DSP（TMS320F240）的接口电路设计。

    关键词： 伺服系统 旋转变压器－数字转换器      

    在伺服系统中，需要实时地检测出电机转子的位置，包括转子的绝对位置和增量式位置，同时还需检测出电机的速度，以实现对电机的转矩、速度、及其驱动的机构的位置的高精度控制。

    在电机转子位置的检测中，旋转变压器由于其具有坚固耐用，能够提供高精度的位置信息等突出优点，而获得越来越广泛的应用。由于旋转变压器的输出是包含着位置信息的模拟信号，需对其处理并将其转化成对应的包含着位置信息的数字量，才能与单片机或DSP等控制芯片接口。这就需要设计相应的信号转换电路或者使用专用的旋转变压器—数字转换器来实现，后者由于有功能强、可靠性高、使用方便等优点而被广泛采用。笔者在最近开发的基于DSP的数字式伺服系统中，选用了美国AD公司的旋转变压器－数字转换器AD2S83，实现了电机位置信号实时检测的数字化，取得了满意的效果。

    1 AD2S83芯片简介

    1．1 AD2S83芯片引脚功能介绍

    AD2S83芯片引脚功能描述见表1。

    1．2 AD2S83芯片的特点

    AD2S83芯片是AD公司生产的跟踪式旋转变压器－数字转换器（R／D转换器），它具有以下特点：

    （1） 允许用户自己选择适合的的分辨率。AD2S83提供有10位、12位、14位或16位的分辨率，用户可根据需要，通过外围器件的不同连接选用不同的分辨率。

    （2） 通过三态输出引脚输出并行的二进制码来表征位置信息，因而很容易与单片机或DSP等控制芯片接口。

    （3） 采用比率跟踪转换方式，使之能连续输出位置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） 用户可通过外围阻容元件的选择，改变转换的动态性能，如带宽、最大跟踪速率等。

    （5） 具有很高的最大跟踪速度，10位分辨率时的最大跟踪速度为1040转／秒。

    （6） 能提供高精度的速度信号输出。AD2S83能提供与转速成正比的模拟信号，其典型的线性度达到±1％，回差小于±0 .3%，可代替测速发电机的功能。

    由此可见，采用AD2S83不但可以将旋转变压器输出的模拟位置信号转换成数字位置信号，而且同时还可以得到高精度的速度信号，能够很好地满足数字式交流伺服系统中对交流电机的位置及速度反馈信号的要求。

    1．2 AD2S83芯片外围电路的典型配置

    图1给出了采用12位分辨率时AD2S83芯片外围电路的典型配置图，其中的各电阻和电容的值是在参考频率为５kHz，带宽为520Hz，最大跟踪速度为260rps 情况下算出的。用户可根据自己的实际情况选择合适的值，具体计算方法见参考文献[1]。

    2 AD2S83芯片在伺服系统中的应用

    笔者在所设计的伺服系统中，用DSP 作为主控芯片，用AD2S83芯片将旋转变压器输出的模拟位置信号转换成并行的数字位置信号，然后由DSP将数字位置信号读入并进行处理。这里重点介绍AD2S83芯片与DSP的接口设计。

    2．1 常规接口设计的分析

    按常规，把AD2S83作为DSP的一个外设，不论AD2S83芯片的内部处于什么状态，当DSP需要读入位置信号时，就通过其I/O口向AD2S83芯片的引脚施加低电平信号，从而阻止了锁存器的刷新，等待一段时间后，便可读取数据。这种方式下的读取数据时序图如图2所示。

    由图2可知，在这种方式下，DSP向引脚施加低电平信号后，也须等待t9=490ns，才能读入有效数据。这对于指令周期只有50ns的DSP来说，需要等待近10个指令周期，这对于实时控制系统来说是难以接受的，而且这样做还需要增加较为复杂的硬件等待电路。

    2．2 直接读取数据的接口设计

    由于常规的接口设计不但需要较长的等待时间，

    而且需要增加外围硬件电路，我们采用了直接读取数据的接口设计方案。在这种方案中，我们舍弃了上述方案中利用芯片内部的三态门直接与DSP数据总线接口的方法，因为在这种方案中，时延的产生与三态门的数据需要时间稳定有密切的联系。因此，我们在所采用的方案中将芯片的有关引脚接到适当的电平上，使芯片内部的三态门始终处于通态，三态门与DSP数据总线两者之间通过两片74AC245连接起来，这样，当DSP需要读入位置信号时，就可通过74AC245来直接读取了，从而大大减少了读取数据的等待时间，提高了伺服控制系统的实时性。其接口原理图如图3所示。图中只示出了与读取数据有关的信号的连接，其它的外围器件及引脚的连接从略。在这种方案中，当需要读取位置数据时，DSP首先不断地查询BUSY信号，当BUSY信号变为低电平时，就从74AC245中直接读取数据即可。这种情况下，查询BUSY信号的最大等待时间只有200ns。这种方案与常规方案相比，不但明显地减少了读取数据的等待时间（至少减少一半多），而且在硬件上用2片廉价的74AC245取代了复杂的等待电路，因此，我们选择了这种方案。

    ３ 误差分析及结论

    采用直接数据读取的接口方案，其最大误差主要取决于以下两者的最大值：

        ·当DSP 读取数据时，BUSY信号正好为低电平，此时误差取决于所采用的AD2S83的分辨率。由于我们采用的分辨率为12位，所以，误差角为：

        ·当DSP 读取数据时，BUSY信号正好为高电平，此时误差取决于等待时间和电机的转速，在我们所设计的伺服控制系统中，电机的额定转速是6200rpm，电机的极对数为2，等待时间为200ｎs，可算出最大的电气误差角为：

         由此可见，最大的电气误差角也不过0.0879°，

    这样的误差完全可以忽略！

    在我们所设计的基于DSP的数字式伺服控制系统中，采用了这种直接数据读取的接口方案。实践证明，这种方案能够实时地读取位置信息，而且接口简单，是可行的。