摘要：介紹一種基于ARM 單片機(jī)和CPLD的數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)方法，采用PWM 調(diào)制波控制全橋驅(qū)動電路的方式實(shí)現(xiàn)DSC;MCU通過查表法計(jì)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(bǔ)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(jī)的三相信號從而實(shí)現(xiàn)同步機(jī)的驅(qū)動；采用查表法計(jì)算調(diào)制信號占空比，可提高運(yùn)算效率及系統(tǒng)實(shí)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(diǎn)；經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，系統(tǒng)可達(dá)0.5密位（20:1粗精結(jié)合），此外，對比其它傳統(tǒng)DSC實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)簡單，效費(fèi)比高，滿足實(shí)際需要.

　　0 引言同步機(jī).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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間軸角信息的傳輸.由于計(jì)算機(jī)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(fèi)問題更為突出.基于上述問題，提出一種采用ARM 單片機(jī)+CPLD實(shí)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(yùn)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(jī)指向?qū)?yīng)軸角位置，從而完成數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換.

　　當(dāng)同步機(jī).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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)信號.

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 總體設(shè)計(jì)

　　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(jìn)行粗精分離及利用查表法計(jì)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(bǔ)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(jī)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(jìn)，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(yùn)算，涉及到較多乘除法運(yùn)算，要求所選MCU需具備較強(qiáng)浮點(diǎn)及乘除運(yùn)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(shí)時運(yùn)算；（2）接口豐富，可方便完成功能擴(kuò)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(diǎn)；（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(kuò)展技術(shù)，可根據(jù)不同的外部存儲器類型通過設(shè)置進(jìn)而匹配信號的速度，達(dá)到方便擴(kuò)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.

　　2.3 CPLD電路如果利用MCU產(chǎn)生PWM信號，由于其需擔(dān)負(fù)大量運(yùn)算工作，會增加MCU的負(fù)擔(dān)從而系統(tǒng)的實(shí)時性與穩(wěn)定性均可能得不到保證，因此需要專門產(chǎn)生PWM信號的單元.CPLD是可編程邏輯器件，器件的時延特點(diǎn)較為固定，信號輸出穩(wěn)定性及實(shí)時性均可得到保證，因此使用CPLD完成PWM信號的生成.

　　2.4 全橋電路及選頻電路

　　全橋電路由兩對互補(bǔ)連接的MOS管組成，具有丙類功率放大的特征，發(fā)熱低.效率高.工作時由PWM 信號驅(qū)動全橋驅(qū)動器UBA2032產(chǎn)生控制全橋電路橋臂開斷時間，從而產(chǎn)生不同有效值的電壓.50%的占空比對應(yīng)調(diào)制波的零值，為了保證UBA2023的工作及MOS管的正常開斷，通常PWM 信號的頻率為20kHz,占空比在10%~90%范圍內(nèi)調(diào)節(jié).

　　為了使輸出信號平滑連續(xù)，在全橋電路輸出后需接LC選頻電路.通過配置LC電路的電感和電容值，可達(dá)到增強(qiáng)基波分量.抑制諧波分量.改進(jìn)輸出的作用.基波頻率為50Hz,根據(jù)要求及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可知取電感L=700μH,電容C = 25 μF, 截止頻率為：

　　此時可取得較好輸出效果.