0 引言

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?；谏鲜鰡栴}，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，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。

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。

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。

2.2 STM32F4微控制器

STM32F4微控制器是由意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的基于ARMCortex-M4內(nèi)核的新型微控制器，性能優(yōu)越.下面主要說明選用此型號MCU的原因：

(1)內(nèi)核架構(gòu)先進，性能優(yōu)越.由于MCU需要完成諸如軸角粗精分離，取整以及調(diào)制波對應(yīng)PWM 信號占空比等運算，涉及到較多乘除法運算，要求所選MCU需具備較強浮點及乘除運算能力，而所選STM32F4微控制器具有專門的硬件乘法器和具有較高的主頻(168MHz)，且可適當(dāng)超頻，適合完成較為復(fù)雜的實時運算；(2)接口豐富，可方便完成功能擴展.RS232串口用于接收外部信息，同時，此型號MCU具有網(wǎng)絡(luò)接口，可在系統(tǒng)組網(wǎng)時作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；(3)可變靜態(tài)存儲控制器(FSMC)，是STM32系列采用的一種新型的存儲器擴展技術(shù)，可根據(jù)不同的外部存儲器類型通過設(shè)置進而匹配信號的速度，達到方便擴展。使用靈活的目的，系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)/地址/控制三總線方式與CPLD通信。

在多路DSC中，通過地址總線傳遞所選通道號，數(shù)據(jù)總線傳遞對應(yīng)此通道相應(yīng)軸角調(diào)制波的PWM 信號的占空比，控制總線傳遞相應(yīng)控制信號。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主要分為軸角粗精角度分離取整，占空比計算以及PWM 信號生成三部分。

3.1 軸角粗精分離設(shè)粗精同步機系統(tǒng)表示的軸角為θ，根據(jù)粗精傳動比例k將其分為精確同步機軸角度θ精和概略同步機軸角度θ粗，這一過程稱為軸角粗精角度分離。

3.2 查表法計算占空比根據(jù)公式(1)，以正弦調(diào)制波為例，其輸出式子為：

URS = KRUmsinωtsinθ，PWM 波形頻率為f1 =20kHz，DSC角度更新速率為f2 =50Hz,因此在每個調(diào)制波周期內(nèi)有N1 =f1/f2=400個PWM信號.CPLD采用時鐘計數(shù).CPLD采用時鐘計數(shù)方法產(chǎn)生不同占空比的PWM 信號，由于CPLD的時鐘頻率為f3 =32.768 MHz，因此產(chǎn)生20kHz的PWM 信號時，最大計數(shù)值為N2 =f3/f1=1638，以中間數(shù)值為零值點，即為Z0 =819。

4 結(jié)束語

設(shè)計了一種以ARM Cortex-M4內(nèi)核的新型STM32F4微控制器和可編程邏輯器件CPLD為核心的數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。利用PWM信號控制全橋橋電路提供大功率輸出，進而驅(qū)動同步機指向?qū)?yīng)軸角，經(jīng)高炮系統(tǒng)控制實驗驗證，該系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，效率高，改進了原系統(tǒng)功耗較高，發(fā)熱量大的缺點，且具有較高精度及效費比，實測靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差小于0.5密位(20:1粗精組合)，達到實際要求，為其它數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實現(xiàn)提供了一種新的方法，具有一定推廣價值。