参考基于旋转变压器的转角测量单元的硬件设计

1、1 引言1.1 测角系统的发展前景及其应用领域角位移测量技术是几何量测量技术的一个重要组成部分，在国民经济和国防建设中具有广泛的应用和重要的作用，如：飞机、舰船、火箭、飞船常用惯性导航仪表来保证航行方向角的准确性；弹道式导弹的发射需要掌握发射点和落点的方位角；火炮以对其垂直角和水平角的控制，保证命中目标。随着科学技术的不断进步，尤其是电子测量仪器的迅速发展，角位移测量技术也在不断地精益求精、更新换代，它已从传统的人工测量向由微处理器控制的测量方向发展，以实现任意采样、逻辑判断、误差补偿等人为行为的机器化，使测量系统具有了功能全、自动化程度高、更新能力强等特点。采用微处理器参与控制和进行数据处理

2、，已经成为提高测角系统可靠性，增强测角系统功能和实现自动化测试的重要手段之一。基于电磁感应原理的旋转变压器类控制电机，原先主要用于航空、航天、舰船以及陆地军事装备中，如用于飞行器姿态控制和检测、导弹制导控制、火炮瞄准和控制、雷达天线跟踪等角位置伺服控制系统中，完成包括轴角位移或直线位移信息的检测、传输、接收和变换等功能。近年来，它在工业机器人、数控机床、计算机辅助制造(以M)、工厂自动化(FA)等方面得到了越来越多的应用1。但由于旋转变压器的输出是包含着位置信息的模拟信号，需要对其处理并将其转化成对应的包含着位置信息的数字量，才能与单片机或DSP等控制芯片接口。这就需要设计相应的信号转换电路或

3、者使用专用的旋转变压器数字转换器来实现，它能同时输出绝对式信号和增量式信号，因此在伺服系统中获得了广泛的应用。在纺织行业中，由于环境因素，容易产生严重的静电，普通编码器很容易在此类环境中损坏，而旋转变压器由于本身的结构特点，而具有很强的抵抗静电的能力。所以若采用旋转变压器则可以很好地解决这个问题。在航空、航天、雷达、火控系统及工业自动化领域中，经常需要对被控对象的角位移进行测量并加以控制。测角元件常采用自整角机、光电码盘、旋转变压器等2。1.2 国内外发展状况20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出

4、各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 定子绕组散热比较方便。 惯量小，易于提高系统的快速性。 适应于高速大力矩工作状态。 同功率下有较小的体积和重量。 自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推

5、出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行。 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司3。 伺服系统的精度主要决定于所用测量元件的精度。因

6、此，在伺服系统中必须采用高精度的测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。以下具体介绍不同测角方法： 自整角机测角方法自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压或由转角变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动保持相同的转角变化，或同步旋转。电机的这种性能称为自整步特性。在

7、伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送机，接收信号一方所用自整角机称为接收机。自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中4。对应的相关产品介绍：BD、BS 系列无接触式自整角机特点：无接触式，无电刷和滑环的滑动接触，运行可靠，抗振动，能适应恶劣环境。工作温度：-4055产品系列：BD404A,BS404A 尺寸：67×119mm BD500,BS500 尺寸：118×87mm BD501A,BS501A 尺寸：110×150mm 图1.1 BD404A无接触式自整角机 光电编码器测角方法光电编码器又叫光电码盘，按其工作方式

8、分为绝对式和增量式两种。光电码盘表面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区，光敏元件分别输出1、0信号，代表了码盘轴的角增量或绝对值。光电编码器方法测角特点是体积小、分辨力高、承载能力强、性能稳定，但存在环境要求高、克服滑差困难等缺点5。对应的相关产品介绍：MCY1-1型光电码盘潮位仪MCY1-1型光电码盘潮位仪是一种适用于沿海台站、海洋平台、港口、码头等环境地点进行潮位测量的仪器；同样也可以对江河湖泊、水库、航道、港口码头水位进行测量。

9、由主机箱、传感器、微型打印机、支架和信号电缆以及上位机软件等部分组成。 图1.2 MCY1-1型光电码盘潮位仪 旋转变压器测角方法 旋转变压器是一种电磁式传感器, 又称同步分解器。它实质上是一种测量角度用的小型交流电动机, 用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度, 由锭子和转子组成。其中锭子绕组作为变压器的原边, 接收励磁电压, 励磁频率通常用400、3000 及5000Hz 等。转子绕组作为变压器的副边, 通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似, 区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的, 所以输出电压和输入电压之比是常数, 而旋转变压器的原边、副边绕组则随转

10、子的角位移发生相对位置的改变, 因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系, 或保持某一比例关系, 或者在一定转角范围内与转角成线性关系。旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号，在解算装置中可作为函数的解算之用, 故也称为解算器。而且旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置, 适用于所有使用旋转编码器的场合, 特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合6。对应的相关产品介绍：TAMAGAWA TS系列无刷旋转变压器特点：无接触式，无电刷和滑环的滑动接触，运行可靠，能抗振动，适应恶劣环境。工作温

11、度：-55155产品系列：TS2605N1E64 尺寸：20×18mm TS2620N21E11 尺寸：37×16mm TS2640N321E64 尺寸：52×27mm 图1.3 TS2605N1E64无刷旋转变压器 光栅方法测角型光栅按线栅的刻线方式可分为径向光栅和切向光栅两种。光源经过光路系统变为平行光，投射在光栅的动栅和定栅上。测量时，外部运动物体旋转带动动栅一起旋转，而定栅不动，透过定栅的光线可形成莫尔条纹。光敏管检测到该信号以后，经放大整形、微分电路后形成脉冲信号。通过计量工作过程中总的脉冲数，则可获得运动物体的角位移。光栅测角法的优点是静态测量准确度高

12、、稳定可靠；缺点是对光栅与转台的对心准确度要求较高，高准确度光栅的制作加工困难，动态测量时分辨力很难保证。1.3 设计工作内容元器件选择方面，完成解算器、显示器件和旋转变压器的选择。测角装置硬件方面设计，完成旋转变压器的输入输出参数的计算； AD2S83芯片外围电路完成电路的连接和外围参数的设置；单片机方面完成单片机外围电路的配套连接以及单片机与AD2S83芯片的管脚连接；显示电路方面完成八段数码显示管、驱动芯片和显示系统与单片机、AD2S83的连接。软件方面，利用AD2S83的时序图和参数，完成程序的进制转换、定时和中断等控制。2 系统介绍以上介绍的几种测角方法中：自整角机一般在控制系统中经

13、常两台或者多台联合使用，使机械上互不相连的两根或多根轴能够自动地保持相同的转角变化，此设计不需要，而且光电码盘分辨能力强，测量精度高，可靠性好，计数直观准确；但结构复杂，光路不易调整，安装困难。光栅检测虽然精度高，但价格昂贵，而且对工作环境要求较高。经分析比较发现，旋转变压器作为一种模拟式测角元件，具有结构简单、成本低、抗干扰能力强、测量精度高，尤其是对环境适应能力强等特点，在位置检测系统中得到广泛应用，所以我们选用旋转变压器作为解算器7。2.1 系统原理框图 正弦波发生器旋转变压器模数转换显示电路单片机标准的正余弦信号激励旋转变压器，当被测量物体旋转时，旋转变压器将转动信号变为正余弦信号，随

14、后正余弦信号输入到AD2S83的正余弦端口，同时被测量物产生的信号做为参考信号输入到AD2S83的参考端。经过AD2S83芯片后，输入信号由模拟量变为数字量输入到单片机中，单片机对AD2S83发出时钟脉冲，通过所编程序对AD2S83芯片进行控制，以便在单片机端口输出角位置信号和速度信号。角位置信号和速度信号通过单片机交由显示电路显示测量结果，方向信号则直接由AD2S83芯片的Dir管脚输出到显示器件上。旋转变压器概述旋转变压器是一种控制用的微型小电机，它实际上是一种具有次级旋转绕组的变压器，能够利用转子的转动，改变定子激磁绕组与转子输出绕组之间的耦合关系，最终将机械角位移转换成与转子转角呈一定

15、函数关系的电信号。按照结构，又可分为无刷结构和有刷结构两种。有刷结构旋转变压器转子绕组接至滑环，由电刷引出输出电压。无刷结构旋转变压器没有滑环和电刷，其寿命和可靠性比有刷结构旋转变压器高。图2.2是一种无刷旋转变压器的结构。定子绕组3为旋转变压器的一次侧，转子绕组8为旋转变压器的二次侧，将励磁电压接到一次侧时，转子上感应的输出电压与转子的角位移成固定的函数关系，因此可以用作角度检测。1电动机轴 2外壳 3分解器定子 4变压器定子绕组5变压器转子绕组 6变压器转子 7变压器定子8变压器转子 9分解器定子绕组 10分解器转子绕组图2.2旋转变压器的结构图旋转变压器按其在控制系统中的不同用途可分为计

16、算用旋转变压器和数据传输用旋转变压器两类。计算用旋转变压器主要用于三角计算、坐标变换、角度数字转换及做移相器等。按它的输出电压与转子转角之间的函数关系，可分为正、余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器和特殊函数式旋转变压器四种8。（1）正余弦旋转变压器 正余弦旋转变压器工作接线原理如图2.4所示。若在定子绕组施以交流励磁压，则建立磁通势而产生脉振磁场，当转子在原来的基准电气零位逆时针转过角度时，则转子绕组，中所产生的电压分别为（2.1）图2.3正余弦旋转变压器电气连接图式（2.1）表明，正余弦旋转变压器转子输出绕组的输出电压分别与转角的正弦函数和余弦函数成正比，所以我们称为余弦绕组，

17、称为正弦绕组。因此旋转变压器可以看成定子绕组与转子绕组之间的电磁耦合程度随着转子转角变化而变化的变压器。（2）线性旋转变压器 它在一定的工作转角范围内，其输出电压与转子转角（通常单位为弧度rad）呈线性函数关系的一种旋转变压器9。（3）比例式旋转变压器 它除了在结构上增加了一个带有调整和锁紧转子位置的装置外，其他都与正余弦旋转变压器相同。在系统中作为调整电压的比例元件。（4）特殊函数旋转变压器 它在一定转角范围内，输出电压与转子转角呈某一给定函数关系（如正割、倒数函数、弹道函数、圆函数及对数函数等）的一种旋转变压器。它的工作原理和结构与正余弦旋转变压器基本相同10。线性旋转变压器和特殊函数旋转

18、变压器工作范围是在一定转角范围内，而本设计的转角没有限制，所以不选用。比例式旋转变压器在转轴上装有调整齿轮和调整后可以固定转子的机构，选用时需要将转子转到需要的角度后加以固定，但我们所测角度需要随用随侧，所以也不合适。所以正余弦旋转变压器是我们本次设计最合适的选择。2.3 模数转换部分混合式RDC与SDC之间的差别是输入变压器的结构形式不同。同步器的S1，S2和S3端连接SDC的S1、S2和S3输入端，然后再用一个微型Scott变压器将同步器的三相格式信号变换为旋转变压器的格式(SIN和COS二个单相信号)，其后面的电路形式两者完全相同。早期生产的SDC1742/1740和RDC1742/17

19、40组件内部的芯片数较多。自2S80系列芯片问世以来，SDC1742/1740或RDC1742/1740内部主要为2S80A芯片和微型变压器，并将一些辅助元器件封装在同一个管壳里，所以在使用时不需外接任何元器件，比较方便11。ADI生产过模块式SDC/RDC，如RDC/SDC1700系列，它与单片式RDC相比，存在着工艺复杂，精度低，稳定性差，漂移大，体积大，可靠性差等缺点12。AD2S80系列模数转换器与其它模数转换器（例如：ADC0809）不同，它是专门为测量旋转物体的转轴角位移和角速度而生产的，RDC是一种特殊模数转换器(ADC)，它采用比值跟踪的转换方式，专门用于将分解器的角位移信号转

20、换成相应的二进制数字信号，以便计算机系统能够进行相应的数字运算。它是计算机系统理想专用接口器件。AD2S80系列包括AD2S80A、AD2S81A、AD2S82A、AD2S83等产品13。AD2S83是美国AD公司推出的以BiMOS II工艺制造的，将先进的CMOS逻辑电路与高精度双极线性电路相结合的单片集成电路。它功耗低(300mW)，其数字输出分辨率可被用户设置成10、12、14或16位，并具有速度输出信号可供用户作为速度回路的速度反馈信号使用，以取代测速发电机等测速元件，从而缩小了系统的体积15。AD2S83按原理图连接后，就构成了一个工作于II型伺服环的跟踪式RDC，其数字输出能以选取

21、的最大跟踪速率自动跟踪轴角输入，没有静态误差。由于它在把旋转变压器信号转换为二进制时，采用比率式跟踪方法，输出的数字角仅与SIN和COS输人信号的比值有关，而与它们的绝对值大小无关，因此，AD2S83对输人信号的幅值和频率变化不敏感，不必使用稳定、精确的振荡器来产生参考信号，而仍能保证精确度。转换环路中相敏检测器的存在保证了对参考信号中的正交分量有很高的抑制能力。另外，它抑制噪声、谐波的能力很强。AD2S83突出的优点就在于它可由用户选择相应的参数来优化整个系统的性能16。由于AD2S83能够提供10位、12位、14位和16位四种分辨率，可以由用户灵活配置；采用比率跟踪转换方式，使之具有较强的

22、抗干扰能力和较高的转换精度；可以通过外围阻容元件的选择改变AD2S83的动态性能；具有很高的跟踪速率，10位连接方式时最大跟踪速率可达1040rps，且采用三态输出引脚输出并行的二进制码，易于与单片机等控制芯片接口。所以本设计中采用AD2S83作为模数转换器使用14。AD2S83外围电路参数对芯片正常工作及运行性能起着至关重要的作用。因此，设计外围电路时，应结合芯片内部工作原理，选择合适的参数，从而得到预期的工作性能。2.3.1 AD2S83内部结构图图2.4 AD2S83内部结构图 AD2S83工作原理设当前AD2S83计数器的数字角为角，经过DAC数字正余弦乘法器后，可以得到角位移信号的调

23、制输出（2.2）可以得到与的误差信号（2.3）可知：误差信号经放大器A3放大，并通过高频滤波器过滤掉混进误差信号中的高频噪声，才能到达相敏检波器。然后由相敏检波器产生一个与成正比的交流误差信号，该信号经过积分器的积分效应，得到一个随时间增长的输出电压去控制VCO的输出脉冲频率。这里用可逆计数器对该脉冲进行脉冲累计，当误差信号大于零，即>0，计数器累加；当误差信号小于零，即<0，计数器递减，以此改变计数器的频率和计数方向。由于整个系统是跟踪补偿系统，最终会使得sin(-)=0，即=，完成模拟角到TTL电平输出数字角的转换。2.3.3 AD2S83芯片管脚功能表表 2.1 AD2S83

24、芯片管脚功能表编号管脚助记符描述1DEMOD O/P解调输出2REFERENCE I/P参考信号输入3AC ERROR O/P比率乘法器输出4COS余弦输入5ANALOG GND电源接地6SIGNAL GND分解信号接地7SIN正弦输入8+VS正电源10-25DB1DB16并行输出数据26+VL逻辑电源27ENABLE逻辑高-输出数据引脚在高阻态逻辑低-数据可以输出到引脚28BYTE SELECT逻辑高-最高有效位输出到DB1 - DB8逻辑低-最低有效位输出到DB1 - DB830INHIBIT逻辑低时抑制数据传输到输出锁存31DIGITAL GND数字地面续表 2.1 AD2S83芯片管脚

25、功能表编号管脚助记符描述32，33SC2SC1选择转换器分辨率34DATA LOAD 逻辑低DB1-DB16输入逻辑高-DB1-DB16输出35COMPLEMENT 逻辑低，补码输出36BUSY忙输出，数据无效当busy为高电平时37DIRECTION 逻辑状态定义的输入信号方向旋转38RIPPLE CLOCK 正脉冲当转换器输出从1变化为0 ，反之亦然39VS 负电源40VCO I/P 振荡器输入41VCO O/P VCO的输出42INTEGRATOR O/P集成输出43INTEGRATOR I/P集成输入44DEMOD I/P解调器输入2.3.4 AD2S83时序图图2.5 AD2S83时

26、序图表2.2 时序图表参数（ns）最小时间最大时间状态t1150350忙宽度VHVHt21025脉动时钟信号VH到忙信号VHt3470580脉动时钟信号VL到下一个忙信号VHt41645忙信号VH到数字信号VH5325忙信号VH到数字信号VLt670140抑制输出信号VH到忙信号t7485625最小方向信号VH到忙信号t8515670最小方向信号VH到忙信号VHt9490抑制输出信号VL到数据稳定t1040110使能端信号VL到数据信号VHt1135110使能端信号VL到数据信号VLt1260140字节选择信号VL到数据稳定t1360125字节选择信号VH到数据稳定2.3.5 AD2S83输出

27、分辨率的选择因为本次设计的最大指标是跟踪6000转每分钟的旋转速度，所以每秒是100转每分钟。使用AD2S83时，+Vs和-Vs引脚分别接直流稳压电源的+12V和-12V电压，要求在+Vs和-Vs电源线和模拟地（ANALOG GROUND）二者之间分别接去耦电容，去耦电容分别用一个陶瓷电容（典型值0.1uF）和一个钽电容（典型值10uF）并联而成。在+5V引脚和数字地（DIGITAL GROUND）之间也应连接去耦电容，该去耦电容同样由0.1uF的陶瓷电容和10uF的钽电容并联组成。SIN和COS引脚分别接经调理过的旋变SIN和COS信号的高端，而分解器的SIN和COS信号的低端分别接到信号地

28、（SIGNALGND）引脚上，这样可以消除测量误差。DATA LOAD引脚是加载数据的控制端，当逻辑低时，16位可逆计数器DB1DB16输人数据，逻辑高时，DB1DB16输出数据。由于AD2S83的分辨率是由它的两个管脚SC1 SC2决定的，依据下表：表2.3 输出分辨率与最大跟踪速率表SC1SC2输出分辨率最大跟踪速率（转/秒）001010400112260101465111616.25当每秒钟转100转的时候，12位的分辨率就够了，所以我们选用SC1为0，SC2为1的12位分辨率。3 硬件电路设计被测物的转动作为旋变的激励和AD2S83的参考信号输入。由旋变输出的正、余弦波分别经放大器放大

29、至合适幅值后送入AD2S83。AD2S83将正、余弦波转换后得到位置信号、转速信号，提供给单片机24。用微机编写程序通过单片机控制AD2S83的寄存器，而后由被测出来的信号输出到显示管供用户使用25。3.1 旋转变压器的参数计算当定子侧加正弦电压励磁时,输出绕组电压分别为: （3.1） （3.2）式中: 为放大倍数； 为峰值；为定子轴与转子轴之间的角度。由以上两式可以看出，转子绕组的两相输出之间并无相位上的移动，而只有幅值大小的变化。3.2 AD2S83芯片及其外围参数的设计与计算 AD2S83及其外围电路图图3.1 AD2S83及其外围电路图 比例乘法器比例乘法器主要用来产生交流误差信号,由

30、象限选择开关、R-2R DAC 和放大器组成。由旋变输出的信号分别送到AD2S83 正余弦输入端,经过放大后，分别与可逆计数器中数字输出角的余弦和正弦值相乘，相减后经放大器输出到交流误差O/P脚，假设输入AS2S83 的正余弦信号有效值为2V，则: (3.3)为比例乘法器总的放大倍数 高频滤波器为减少交流误差信号中高频干扰信号的影响，可在交流误差O/P 与DEMODI/P 之间设置高频滤波器。高频滤波器的参数如下: (3.4)式中:为参考频率。交流误差信号经过高频滤波后，峰值大大减小。若系统的高频干扰很小，也可省去高频滤波器，直接将ACERRORO/P 与DEMODI/P 相连。这样会使系统的

31、增益发生改变，影响的阻值。 相敏检波器相敏检波器可从交流误差信号中检出直流误差信号(即DEMODO/P ) 。交流误差信号经高频滤波器后进入相敏检波器。在正余弦信号与参考信号同相位的情况下，相敏检波器可根据参考信号检测出交流误差信号。跟踪闭环时,若位置角不变或匀速变化，则数字输出角始终能够跟踪上, 因此交流误差和直流误差均为零。只有当以一定加速度变化时，才会由于不能跟踪上而产生误差信号。这个误差信号经积分后即可得到转速信号。为了保证参考信号经 、 后不发生相移,应选取合适的 、 参数: = 100 k (3.5)若此时正余弦信号和参考信号间有相移，可通过小范围调节使之同相。 增大10 %使正余

32、弦信号滞后2度; 减小10 %可使正余弦信号超前2度。大范围改变时将会影响的选择，并可能引起“闪烁”，建议不使用。 积分器直流误差经进入积分器，积分器积分后即得到转速模拟量信号。该环节可通过调节、和来改变系统闭环带宽。高于闭环带宽的高频信号被衰减。选择闭环带宽时应该不小于表3.1中的参考频率与闭环带宽之比，还应注意闭环带宽取得过高，抑制高频干扰的能力将减弱。因此: （3.6） 若无调节措施，当的变化小于一个LSB 时，为使交流误差和直流误差为零，可逆计数器将会不停的加1、减1 计数。但由于的变化小于一个LSB，始终不能与相等，造成计数器不停的加减计数，即“闪烁”。为防止转换器“闪烁”，芯片内部

33、从VCO引出反馈信号给积分器。这样，只要输入积分器的电流是100nA/bit，那么VCO就只在的变化大于一个LSB 时才计数，有效避免了闪烁现象。若省去了高频滤波器: （3.7）否则： （3.8）取值如表3.1所示。 表3.1 对应表分辨率10121416参考频率与闭环带宽之比2.5:14:16:17.5：1（V/bit）0.160.040.010.0025（r/s）10402606516.25 压控振荡器(VCO)转速信号控制压控振荡器发出计数脉冲，使可逆计数器计数，计数方向由输入VCO的电流方向来决定，计数脉冲频率由流入VCO的电流大小来决定，为8.5kHz/ A。假设的最大变化速率为，此

34、时希望模拟转速输出为U (不得超过8V) ，选取的是n位分辨率，可按如下公式选取: （3.9） 偏置调整积分器输入侧的漂移和偏移电流引起的位置偏移量最大为5.3 。若这个误差可以忽略不计，则可省略 和，否则，可通过调节 来校正位置偏差:(可调电阻) （3.10）3.3 单片机及其外围电路的设计与计算 单片机在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51、AT89S51更实用，因它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89xx 做的编程器都带有这些功能。显而易见

35、，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。再者，AT89C51、AT89S51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足17。而8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入18。 8051片内有4k ROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。但是编的程序无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代烧写，并是一次性的，今后和芯片厂

36、都不能改写其内容19。综合以上比较所以选择其中的89C51作为设计的单片机。 89C51单片机介绍图3.2 89C51芯片图3.3.2 AD2S83芯片与单片机的连接直接将AD2S83的数据接口通过电压匹配电路与单片机相连，连接电路参见图3.3。一旦单片机捕捉到BUSY信号由高变低，就知道AD2S83完成了1次跟踪过程，此时AD2S83的输出数据有效，单片机执行读数中断，开始读取已经转换完成的数据26。图3.3 AD2S83芯片与单片机连接示意图3.3.3 晶振电路图3.4 晶振电路图晶振电路在单片机电路中作用是提供给单片机的整体时钟，两个电容容值一样且都不得大于47PF，以帮助晶振起振。Y为

37、晶振，值一般为11.0592MHZ。两边如图分别连接到单片机的XTAL1和XTAL2端口。3.3.4 复位电路图3.5 复位电路当开关被摁下一次，使单片机中寄存器处于特定状态，即数据被复位。显示电路及其驱动的设计 器件选择在显示器件选择方面，LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为10:1，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现，能提供宽达160°的视角，而且LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。利用LED技术，可以制造比

38、LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有广泛的应用前景23。而且由于LED八段数码显示管有以下主要特点： （1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与cmos、itl电路兼容。 （2）发光响应时间极短（<01s），高频特性好，单色性好，亮度高。 （3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。 （4）寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。（5）成本低。 所以此设计中选用LED八段数码显示管作为显示器件。图3.6 LED八段数码显示管 显示电路八段数码显示管： 图3.7 显示电路此设计中P0接数码管的段选端，P1接位选端。八段数码显示管用的是共阳极的，单片机的低电平的驱动能力为10ma

39、左右，而高电平则为500ua，数码管的每一段的驱动电流至少要达到2ma，所以单片机直接驱动数码管是不可能的，这里采用PNP三极管在饱和和截止两种状态来驱动数码管，驱动电流又Vcc提供。例如P10输出0时，三极管处于深度饱和状态，C极和E极之间的电压基本为0，而E极接的是Vcc,此时段选输出0即可点亮相应的段。当P10输出1时，三极管处于截止状态，Ib为0，无论段选输出0还是1，都不会把数码管点亮。4 系统软件设计4.1 程序流程图 此软件在系统设计中能够依据AD2S83芯片的时序控制AD2S83的运行，同时它可以通过驱动电路控制八段数码显示管的显示。上电（时钟信号开始）系统初始化函数While

40、=（1）判断BUSY如果BUSY信号为0，表示转换结束控制INHIBIT和ENABLE信号读取高八位数据控制BYTE信号读取低8位数据，共同构成16位数据分辨率为12位，计算相应的角度。显示数据更新图4.1 程序流程图4.2 软件编程#include<reg52.h>#include<intrins.h>sbit busy=P37;sbit enable=P36;sbit inhibit=P34;sbit byteselect=P35;/*void delay500(uint a)/(a*0.5)suint b,i;for(b=a;b>0;b-)for(i=575

41、72;i>0;i-)/uint的i，小/心范围*/*定义放在了main前面所以无需声明，b和i在调用的时候分配空间。*/*void delay100(uint a)/(a*0.1)suint b,i;for(b=a;b>0;b-)for(i=11515;i>0;i-)*/void delay1(uint a)/(a*1)msuint b,i;for(b=a;b>0;b-)for(i=112;i>0;i-)/*void delay10(uint a)/(a*10)usuint b,i;for(b=a;b>0;b-)for(i=1;i>0;i-)*/uch

42、ar code table12=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09,0XFF;/可以加回车void display(uchar *,uchar );void display(uchar *p,uchar n)/显示子函数，应该接收指针 /数组的地址uchar i,temp;temp=0xfe;for(i=n;i>0;i-)P1=temp;P0=255;P0=table*p;/table几就是取出几的段码值p+;/ai=2,即table2,将2的段码赋给P0即可delay1(1);temp=_crol_(temp,1);voi

43、d main()float jiaodu;uint jiaodu1;uchar a4;uchar readdat1=0;uchar readdat2=0;uint dat;while(1)if(busy=0)P2=255;inhibit=0;enable=0;byteselect=1;readdat1=P2;byteselect=0;readdat2=P2;dat=readdat1*256+readdat2;jiaodu=(dat*360)/4096;jiaodu1=jiaodu*10;a3=jiaodu1/1000;a2=jiaodu1/100%10;a1=jiaodu1/10%10;a0=

44、jiaodu1%10;display(a,4);5 结论本文采用硬件和软件结合的方法设计了角位置和角速度的测量系统。硬件方面采用旋转变压器和专用的模数转换芯片AD2S83；软件方面通过单片机编程来控制AD2S83芯片和显示电路。很好地实现了数据采集，数据转化，数据显示为一体化的应用。通过各项数据的计算分析，误差完全在可以接受的范围内，能够达到旋转体在6000转/分钟状态下角位置和角速度测量的指标。本次设计的优点为：（1）本测量系统可以满足在高速旋转状态下的测量，精度较高。（2）旋变无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。（3）由于系统可以集成在一个小壳体里，所以简单轻巧，容易携带。（

45、4）可以工作在恶劣的环境下而不影响测量的准确度。缺点为：显示电路部分只能显示单调的数字，数据的显示不能像电脑一样一目了然。附录参考文献1 王宏. 基于AD2S83 的角位置检测系统及其在雷达伺服系统中的应用J.电子工程师，2002, 28 (5) : 19-24.2 曲家骐，王季秩.伺服控制系统中的传感器.北京：机械工业出版社，1998.3 李开生.定位传感器及其融合技术综述J.计算机自动测量与控制，2001（5）.4 刘继荣，沈安俊.现代直流伺服控制技术机器系统设计M.北京：机械工业出版社，1993.5 陈遵银，葛银茂.基于光码盘传感器的直流电机测速J.测量与设备，2002，（1）：29-3

46、0.6 叶瑰昀.自动控制元件.哈尔滨工程大学出版社，2002.7 武纪燕.现代控制元件M.北京：电子工业出版社，1995.8 谭建成.电机控制专用集成电路.北京机械工业出版社，2005.9 刑传鼎.人工智能原理及应用M.上海：华东大学出版社，2004.10 江苏自动化研究所自动控制器件研究中心. 轴角型转换模块产品使用手册Z.电子工业出版社，2005.11 刘和平.TMS320LF240x DSP结构原理与应用M.北京航空航天大学出版社，2002.12 黄贤武，郑悠霞.传感器原理与应用.电子科技大学出版社，1999.13 郁有文，常 健.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社，2000.

47、14 高光天.模数转换器应用技术M.科学出版社，2001.15 李广弟.单片机基础(修订本)M.北京航空航天大学出版社，2001.16 周航慈.单片机应用程序设计技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2002.17 张龙德.单片微型机原理应用与实验M.上海：复旦大学出版牡，1992.18 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社，1996.2.19 胡辉，李叶紫，胡力平.单片机原理与应用.中国水利水电出版社，2007.20 徐淑华.单片微型机原理及应用.哈尔滨工业大学出版社，1994:17.21 陈汝全.电子技术常用器件应用手册.机械工业出版社，2004.22 吴智量，

48、陈智昌，陈烘华等.语音识别控制在音频视频系统中的应用J.微计算机信息，2004.1-3:p113-114.23 蔡美琴. MCS - 51 系列单片机系统及其应用. 高等教育出版社，2002.24 赵锡钧.基于RS-485接口的单片机串行通信J.兵工自动化，2000(4).25 余永权.89系列Flash单片机的原理及应用M.电子工业出版社，1997.26 任仲岳.电机电工的微机测试.上海交通大学出版社，1986.5.27 康华光, 邹寿彬.电子技术基础M.北京: 高等教育出版社，2000.28 孙传友.测控电路及装置M.北京航空航天大学出版社，2002.29 ANALOG DEVICESAp

49、plication manual for SDC170430 Lizhi Sun，Jing Shang，and Jibin Zou，“New Absolute Rotor-PositionSensors For InverterDriven Motors一，IEEE，200531 AD公司.Resolver to Digital Converter AD2S83 DatasheetM.Analog Device Inc，1998.32 Analog Devices AD2S83_C_Resolver to Digital Converter，2000.33 M.F.Mar,R.W.Broder

50、sen. A Design system for on-chip oversampling A/Dinterfaces.VLSI systems,IEEE Transations on，1995,3(3):345-354致谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师汪俊。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期电路图详细设计等整个过程中都给予了我悉心

51、的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是汪俊老师仍然细心地纠正电路图中的错误。除了敬佩汪俊老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 然后还要感谢大学四年来，为我打下光电专业基础知识的老师；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。 最后再一次感谢我的所有老师大学四年来对我的大力栽培。毕 业 论 文论文题目学 院专 业年 级姓 名指导教师职 称（200 年 月）教务处制毕业设计说明书与毕业论文撰写的规范化要求一篇完整的毕业设计说明书或毕业论文有题目、摘要及关键词、目录、引言（前言）、正文、结论、谢辞、参

52、考文献、附录等几部分构成。要求理工科专业不少于4000字，文科专业不少于6000字。一、毕业设计说明书撰写的主要内容与基本要求一份完整的毕业设计说明书应包括如下主要内容：1题目设计课题名称，要求简洁、确切、鲜明。2中外文摘要及关键词应扼要叙述本设计的主要内容、特点，文字要简练。中文摘要约300字左右；外文摘要约250个实词左右。关键词35个。3目录主要内容的目录。4前言应说明本设计的目的、意义、范围及应达到的技术要求；简述本课题在国内（外）的发展概况及存在的问题；本设计的指导思想；阐述本设计应解决的主要问题。 5正文（1）设计方案论证：应说明设计原理并进行方案选择。应说明为什么要选择这个方案（包括各种方案的分析、比较）；还应阐述所采用方案的特点（如采用了何种新技术、新措施、提高了什么性能等）。（2）设计及计算部分：这是设计说明书的重要组成部分，应详细写明设计结果及计算结果。（3）样