摘  要： 自整角机是一种用于角度测量的微型电机，其可输出包含角度信息的四路模拟信号，为了便于信息处理，需要将这些模拟信号数字化。本文针对现有国内外数字化转换技术存在的各种问题，介绍了一种以单片机为控制和处理核心的自整角机信号数字化方案。该方案主要包括硬件电路设计和系统程序设计，硬件电路包括：A/D转换模块、单片机模块、系统接口模块。系统程序包括：系统初始化、A/D转换时序控制、数值计算和数据输出。与现有技术相比，本方案电路简单，加工方便，精度高。

　　关键词： 自整角机；单片机；模数转换器

0 引言

　　自整角机是一种利用自整步特性将转角与交流电压进行转换的感应式微型电机[1-3]。在以自整角机为角度传感器的系统中，角度信号大多以模拟方式传输，但是随着数字化时代的到来，模拟信号形式的角度输出已经不能满足应用需求，因此，需要将自整角机输出的模拟信号数字化[4]。自整角机数字转换技术正是在此背景下产生的。

　　国内在自整角机信号数字化领域的研究起步较晚，相关技术较为薄弱，生产的转换器成本高。相比之下，国外的技术较为成熟，所生产的芯片转换精度高、实时性好并且能在恶劣环境下工作，但是国内从国外购买该类芯片时，价格昂贵，购货期长并且没有及时的技术支持。本文通过对自整角机输出信号的分析，提出了一种能够高效地将自整角机角度信号数字化的方案，并且设计出了相应的转换电路。该自整角机转换器具有转换精度高、跟踪速率快、电路简单、体积小、成本低等特点。

　　1 自整角机信号的分析和处理

　　自整角机在结构上主要由转子和定子组成，转子引出端用Z1和Z2表示；定子的三相对称绕组在空间位置上依次落后，引出端分别用S1、S2、S3表示。在转子的Z1、Z2端施加一个频率为、幅度为Uref的交流电Uref=U·sin，在定子各相绕组上产生的感应电势差信号为：

　　首先对自整角机输出的三路信号进行简单运算，得到仅含角度的正余弦值和正切值；然后比较正余弦绝对值的大小，得到角度所在的范围；再根据正余弦值的正负进一步细化角度所在区域；最后根据确定的范围和反正切值得到较为精确的?兹值。

　　整理式（1）~式（3），可得：

　　然后根据sin和cos的符号计算出不同区域内的值。

　　利用该种自整角机信号处理方法不仅可以提高角度值的运算精度，还能避免讨论sin=0或者cos=0的临界情况，提高了算法的执行效率。

2 硬件电路设计

　　2.1 A/D转换模块

　　对于自整角机输出的三路模拟正弦电压信号，需要先将它们经前端调理电路进行电压调整，再通过A/D转换模块进行模数转换，转换为14位的数字信号输出。A/D转换模块包括ADC前端调理电路和模数转换器。

　　2.1.1 ADC前端调理电路

　　前端调理电路的主要功能是将输入到电路中的三路正弦信号进行降压和隔离。该调理电路由电阻网络和运算放大器组成。自整角机的输出信号S1_INPUT、S2_INPUT、S3_INPUT经由电阻降压后，送至差分放大电路中。电路原理图如图1所示。电路中U3、U4、U12是运算放大器，它们通过电阻网络的配置形成具有高共模抑制比的差分放大电路，能够有效地抑制干扰信号。

　　2.1.2 模数转换器配置

　　该系统的模数转换器采用ADI公司的AD7657，可以将经过前端调理电路输出的模拟信号转换为14位的数字信号。

　　AD7657内置6个独立的ADC单元，可实现6通道同步采样，一个2.5 V片内基准电压源，14位数字输出，并且转换器的吞吐率可高达250 kS/s[5]。

　　AD7657需要在一定的配置下工作。AD7657的H/S

　　SEL引脚接低电平，AD7657工作在硬件选择模式下，此时由CONVST信号决定同步采样通道的组合。AD7657的SEL/PARSEL和W/B引脚接低电平，转换器工作在高速并行数据传输模式下，并且按字节传输数据。本方案中需要对三路模拟信号同时采样，选用V1、V2、V3作为模拟输入通道，将CONVST A和CONVST B短接再与单片机连接，CONVST C永久接逻辑高电平。为了简化电路设计，将REFEN/DIS引脚接高电平，RANGE引脚接逻辑低电平[6]，选择片内2.5 V基准电压源并选择±10 V作为模拟电压输入范围。

　　2.2 单片机模块

　　单片机模块主要包括单片机最小系统和在线编程接口。

　　单片机最小系统包括单片机、时钟电路、复位电路和电源。对于单片机，选用STC公司的STC12C5A60S2。该款单片机不仅能精确控制ADC的模数转换，还能进行高速的数据处理和运算，保证了实时性的要求，自带足够多的I/O端口，可进行并行数据的传输，稳定性高，抗干扰能力强，并且该款单片机能够在-45℃~+85℃环境下工作，体积小，功耗低[7]。

　　单片机的编程端口为D+5V、DGND、RXD和TXD，它们通过排针引出，通过外部电路与电脑端连接。

　　2.3 系统接口电路模块

　　在该系统中，输入信号是REF_LO_INPUT、REF_HI_INPUT、S3_INPUT、S2_INPUT、S1_INPUT，它们通过排针H2-15、H2-16、H3-2、H3-3、H3-4输入电阻网络，如图2所示。外部电源包括GND、+5 V、+15 V、-15 V，它们通过排针H3-14、H3-16、H3-13、H3-15送入系统。图2中，U1、U2为八路高速缓冲器，它们分别对系统的低6位和高8位数据进行缓冲输出，受使能信号SYS_ENABLE_L、SYS_ENABLE_M的控制。当整个系统更新输出缓冲器中的数据时，单片机会将25号引脚P2.7置为高电平，即输出SYS_BUSY信号。U1和U2输出的14位数字角度送至排针H2-1~H2-14上。

　　2.4 系统电路原理图

　　系统硬件电路主要包括A/D转换模块、单片机模块、系统接口电路模块。图3所示为自整角机数字转换器电路图。自整角机输出的三路模拟信号通过A/D转换模块的前端调理电路输入至A/D转换器中，A/D转换器在单片机的控制下将模拟信号转换为数字信号输入至单片机中，单片机将各路信号进行计算和处理，最后通过缓冲器将14位的角度信号从接口模块输出。图中未标注的电容容值为1 μF。

3 系统程序设计

　　系统的程序设计主要包括系统初始化、A/D转换时序控制、数值计算和数据输出。算法流程如图4所示。

　　3.1 A/D转换时序控制

　　AD7656并行接口时序如图5所示。在并行数据传输模式下，单片机发出一个CONVST高电平脉冲给CONVST A和CONVST B引脚，启动V1、V2、V3、V4通道的同步转换，同时AD7657向单片机输出AD_BUSY高电平，标志AD7657正在进行数据转换，AD7657转换时间典型值为tCOVERT=3 s。转换结束后，AD_BUSY变为低电平，此时，单片机用RD四个信号依次读取V1、V2、V3、V4转换后的值，RD低电平脉冲宽度最小值为36 ns，在读取AD7657数据前，还需将片选信号CS置为低电平。

　　3.2 数值计算

　　在本系统中，V3_IN是参考信号，计算过程中，其值需要保持为正值，所以先对单片机采集的信号校正符号。对V3_IN进行符号判断，若为负，则对采样来的三路信号分别乘-1，再对采集到的V1_IN、V2_IN数据的大小进行判断，若不在A/D转换范围内，则跳出本次循环。如果采集的数据满足条件，则把三路输入信号按照前面所述的公式进行计算，查反正切表，根据查出的值和计算的值判断待转换角度所在区域，最后算出角度值。

　　3.3 数据输出

　　当单片机控制14位数字角的输出时，会让SYS_BUSY输出高电平，表示缓冲器正在刷新数据。

4 实验结果

　　该自整角机数字转换器电路的电源管理模块可以正确地控制上电和断电的先后顺序；输出电压的压降在允许范围之内；系统内部以及外部控制信号都满足设计要求。表1所示是实验所得的数字角输出结果，可以看出系统输出结果的准确度不够，稳定性有待提高。

　　参考文献

　　[1] 杨桂华.高精度自整角机精度的分析[J].微电机，1990（1）：13-17.

　　[2] 刘锦波.电机与拖动[M].北京：清华大学出版社，2006.

　　[3] DHAOUADI R， MOHAN N， NORUM L. Design and implementation of an extended Kalman filter for the state estimation of a permanent magnet synchronous motor[J]. Power Electronics， IEEE Transactions on， 1991，6（3）：491-497.

　　[4] 汪卓飞.一种高精度角度传感器的研究[D].杭州：浙江工业大学，2009.

　　[5] Anolog Device. AD7657 DataSheet[Z]. 2012.

　　[6] CHEN R， GUO J. Application of ADC AD7657 in signal collection system[J]. International Electronic Elements， 2006（2）：67-71.

　　[7] 宏晶STC.STC12C5A60S2 DataSheet[Z]. 2010.