摘 要： 介紹了旋轉變壓器－數字轉換器AD2S83在伺服系統中的應用，重點介紹了該器件與主控芯片DSP(TMS320F240)的接口電路設計。
關鍵詞： 伺服系統 旋轉變壓器－數字轉換器
在伺服系統中，需要實時地檢測出電機轉子的位置，包括轉子的絕對位置和增量式位置，同時還需檢測出電機的速度，以實現對電機的轉矩、速度、及其驅動的機構的位置的高精度控制。
在電機轉子位置的檢測中，旋轉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點，而獲得越來越廣泛的應用。由于旋轉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化成對應的包含著位置信息的數字量，才能與單片機或DSP等控制芯片接口。這就需要設計相應的信號轉換電路或者使用專用的旋轉變壓器—數字轉換器來實現，后者由于有功能強、可靠性高、使用方便等優點而被廣泛采用。筆者在最近開發的基于DSP的數字式伺服系統中，選用了美國AD公司的旋轉變壓器－數字轉換器AD2S83，實現了電機位置信號實時檢測的數字化，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公司生產的跟蹤式旋轉變壓器－數字轉換器(R/D轉換器)，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) 采用比率跟蹤轉換方式，使之能連續輸出位置數據而沒有轉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，改變轉換的動態性能，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/秒。
(6) 能提供高精度的速度信號輸出。AD2S83能提供與轉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%，可代替測速發電機的功能。
由此可見，采用AD2S83不但可以將旋轉變壓器輸出的模擬位置信號轉換成數字位置信號，而且同時還可以得到高精度的速度信號，能夠很好地滿足數字式交流伺服系統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芯片在伺服系統中的應用
筆者在所設計的伺服系統中，用DSP 作為主控芯片，用AD2S83芯片將旋轉變壓器輸出的模擬位置信號轉換成并行的數字位置信號，然后由DSP將數字位置信號讀入并進行處理。這里重點介紹AD2S83芯片與DSP的接口設計。
2.1 常規接口設計的分析
按常規，把AD2S83作為DSP的一個外設，不論AD2S83芯片的內部處于什么狀態，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，便可讀取數據。這種方式下的讀取數據時序圖如圖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，才能讀入有效數據。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 直接讀取數據的接口設計
由于常規的接口設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據的接口設計方案。在這種方案中，我們舍棄了上述方案中利用芯片內部的三態門直接與DSP數據總線接口的方法，因為在這種方案中，時延的產生與三態門的數據需要時間穩定有密切的聯系。因此，我們在所采用的方案中將芯片的有關引腳接到適當的電平上，使芯片內部的三態門始終處于通態，三態門與DSP數據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據的等待時間，提高了伺服控制系統的實時性。其接口原理圖如圖3所示。圖中只示出了與讀取數據有關的信號的連接，其它的外圍器件及引腳的連接從略。在這種方案中，當需要讀取位置數據時，DSP首先不斷地查詢BUSY信號，當BUSY信號變為低電平時，就從74AC245中直接讀取數據即可。這種情況下，查詢BUSY信號的最大等待時間只有200 ns。這種方案與常規方案相比，不但明顯地減少了讀取數據的等待時間(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 誤差分析及結論
采用直接數據讀取的接口方案，其最大誤差主要取決于以下兩者的最大值：
·當DSP 讀取數據時，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 讀取數據時，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速，在我們所設計的伺服控制系統中，電機的額定轉速是6200 rpm，電機的極對數為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！
在我們所設計的基于DSP的數字式伺服控制系統中，采用了這種直接數據讀取的接口方案。實踐證明，這種方案能夠實時地讀取位置信息，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