轴角位置数模转换器RDC设计原理

1 概述

轴角位置模数转换器(Resolver-Digital-Converter, RDC)是一个低成本具有12位分辨率的单片跟踪式轴角位置模数转换器

主要应用有,马达控制、机床控制、机器人控制、过程控制、动力转向控制、集成启动/发电控制及电动车动力驱动控制

1.1I/O接口

Input: 差分模拟输入 sin/sinlo. Cos/coslo.

Output:1)

绝对位置和速度输出:并行和串行12-位数据

增量编码器仿真输出(1024脉冲/转)

可编程正旋振荡器输出(DDS)

1.2主要技术指标

1000RPS最大跟踪速率,12为分辨率

可编程正旋振荡器输出(10、12、15、20KHz)

角度跟踪精度可达22角分

小尺寸:44脚- LQFP封装

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图中线圈A与线圈B互相垂直。如果将线圈C输入正弦电压,并旋转线圈C,那么在线圈A与线圈B中将感应出两个电压,

V A = KE C Sin θ

V B = KE C Cos θ where E C = E I Sinωt; K是旋转变压器的变比

So that

V A = K E I Sinωt Sin θ (SIN)

V B = K E I Sinωt Cos θ (COS)

用MATLAB的SIMULIK模块构造出两信号的波形如下图所示意

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图2:调制后的高频SIN/COS波形图

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如果我们用 Va 乘以Cos φ,Vb 乘以Sin φ,并将它们在一个减误差放大器中相减,从而产生= K E I Sin ωt Sin θ Cos φ ? K E I Sin ωt Cos θ Sin φ

生角φ,使Ve 变成0。基本上,我们会设计一个电路,此 图4:系统的设计框图 了实现输入信号的幅值匹配调整以及高频滤波。见下图:

V E = K E I Sin ωt Sin (θ ?φ )

我们会设计一个电路来产电路是一个带有相位感应检测器、积分器及电压控制型振荡器的闭环系统,它使Sin (θ ?φ )趋向于零。其数字输出,在一定的 精确度上,与旋转变压器轴的夹角大致相同。图4是轴角位置模数转换器的框图。

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1.4 几个主要电路的实现

输入buffer 电路:目的:为5:对应的PSPICE 仿真波形如图6

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图5:输入BUFFER 电路

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图6:仿真波形图

.4.2输出BUFFER 电路设计

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,该电路中除了把双路差分信号转变成单路输出外

真波形如图8所示: 1如下图7所示意:滤波器为200K 在后面为了加强其驱动带负载的能力加了级推挽放大电路

图7: 输出BFFFER 电路设计

仿

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图8 :输出BUFFER 电路的PSPICE 仿真波形图

1.4.3 sin/部分电路实现的功能表达如下:

ωt Cos θ Sin φ

定采用高速D/A 来实现此功能 位的速度高达250ns 的高速DA 芯片。现如下图9 cos 乘法电路设计

本K E I Sin ωt Sin θ Cos φ ? K E I Sin 经过查阅文献和参考相关资料,决主要芯片采用美国AD 公司的DAC312,为12具有单极性,双极性等多种工作方式。原理公式如下:具体电路实

Iout Iout Vref

+=

Rref

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图9:SIN/COS 高速乘法电路

入部分为sin ωt,再经过lpf (Low pass filter)

们就可以得到我们的数字式的解调电路。所以我们设计的高速解调电路如下图所 电路如下10图:

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本电路原理比路性能精度能否达到甚至系统能否稳定的关键

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可以用LM339,实际应用中考虑输出电平兼容和转换速度以及 电路实现的思想基于全波整流。需要注意的主要是此电路中电阻要精确电阻。最

设计电路如下: 路设计如图12波形如图13。

在该电路中,数字输入部分为COS φ,如果输我示意。我们实现的数字功能为: E*sin ωt *sin(θ -φ)*sin ωt =E/2*sin(θ -φ)-E/2*sin(θ -φ)*cos2ωt) 再经过滤波可得到 E*sin(θ-φ)项,

图10: 高速解调电路

1.4.4方向检测电路

较简单,但是却也是电电路之一:简单原理对输入端信号的敏感性我们准备选用NATIONAL SEMICONDUCTRORS 的高速器件LM161来实现。

图11 方向检测电路

1.4.5绝对值电路

本好是精确电阻排。 实现数字逻辑为:

电Vi

o =V ,仿真

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图 12 绝对值电路

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图 13 绝对值电路仿真波形图

用压频转换芯片vfc110来设计。实现逻辑为: f= k vo ,vfc110是个多量程的压~4M 量程对应的输入端压控电源为0~10V 。用其产生的信系统中的速度为带符号的2进制补码输出。考虑到此,我们选用了一款双极性的1,它输入可以是-5~+5V ,输出为13位的2的补码。其1.4.6压控震荡电路设计

选频转换芯片,我们选择0号结合前面的方向信号就可以触发CPLD 中的12位可逆计数器。 具体电路连接见附图

1.4.7 速度A/D 转换设计

此A/D 转换芯片:ADC1244msb 位为符号位,可以用来标识电机的正/反转,同时还具有自动校正误差功能

1.4.8 CPLD 的DDS 实现

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pld 除了实现数字逻辑控制外还有一个很主要的作用是实现可遍程信号的合成。按里面存储一个1024的SINA TABLE,按照这样计算,最

DS 的工作原理是以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的正弦波。电路一般度/相位转换电路、D/A 转换器和低通

冲Fclk ,12位加法器将频率控制数据X 与累加寄存器输出的累加相的结果Y 送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在 这样就完成了一个周期,这个周期也就是DDS 信号的一频率周期。 ,15,20,Y 取值为4096(12位),Fclk 取为别输出10k,12k,15k,20k 的可编程正弦信号输出。 们设计中由于考虑到片内资源(主要是FLIPFLOP 和 GATE 的数量)和本系统的及货源的情况我们选择了ALTETA 公司C 照常归思想我们需要一个在少需要1024*12个门,这就已经超过了altera 公司最大的型号epm7512(1万个门)。所以我们设计的时候把sina table 外挂在一片高速度的扩展FLASH 里面。DDS 实现的原理如下图14

图14:DDS 实现框图

D 包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅滤波器(LPF )。频率累加器对输入信号进行累加运算,产生频率控制数据X (frequency data 或相位步进量)。相位累加器由N 位全加器和N 位累加寄存器级联而成,对代表频率的2进制码进行累加运算,是典型的反馈电路,产生累加结果Y 。幅度/相位转换电路实质上是一个波形寄存器,以供查表使用。读出的数据送入D/A 转换器和低通滤波器。

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具体工作过程如下: 每来一个时钟脉位数据相加,把相加后上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据X 相加;另一方面将这个值作为取样地址值送入幅度/相位转换电路(即图1中的波形存储器),幅度/相位转换电路根据这个地址输出相应的波形数据。最后经D/A 转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。

相位累加器在基准时钟的作用下,进行线性相位累加,当相位累加器加满量时就会产生一次溢出, DDS 输出信号的频率由下式给定: Fout=(X/Y) ×Fclk

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所以在本设计中取X 分别为10,124.096MHZ ,则可以分

1.4.9 CPLD 的数字混合逻辑电平接口设计 我需求以及芯片供应商方面的价格和供货周期的MAX7000A 系列的产品EMP7512AE ,该芯片具有很好的性价比,是一款大众化芯片。具有512个FLIPFLOP 和10000个GATE 。但美中不足的是它是3.3V 工作的芯片,和MAX7000S 系列5V

工作的电平不同。所以在应用中要注意和外围电路中

的电平匹配的问题。EPM7512的输入通过配置,可以与5V兼容,但其输出为.3.3和2.5V逻辑,为此,我们把EPM7512的输出通过TI公司的3.3-5V电平转换芯片244进行了转换。

具体电路图见附图,外挂的FLASH为PLCC封装的64K*16BIT。地址分配为8K-12K,看地址线连接关系可知道(A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 对应为:0 0 1 0 X X X X X X X X X X X X)

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