论文部分内容阅读
【摘 要】自整角机是某型发动机控制系统中重要的测量元件，通过对自整角机原理的分析，根据实际系统的应用环境开发了一套新型的自整角机位置信号数字化模块。本文介绍了利用单片机dsPIC33Fj12GP202实现自整角机位置信号数字化的方法和软件设计程序流程。试验结果表明，完全满足发动机控制系统的性能要求。
【关键词】dsPIC33Fj12GP202；自整角机一数字转换模块
1.自整角机的工作原理
控制式自整角机是由控制式自整角发送机和控制式自整角变压器组成,如图1所示,自整角机发送机都包括2种绕组:整步绕组和单相绕组。图中,S1,S2,S3为三相绕组，左边圈内的为单相绕组。工作时,单相绕组作为转子,通过滑环、电刷外接正弦交流激磁电压Uf,频率为400Hz。整步绕组作为定子,取绕组中的S2绕组为基准绕组或参考绕组,用单相绕组轴线和S2绕组轴线的夹角θ表示某一时刻发送机转轴转角的位置。当单相激磁绕组接正弦电流后,这个电流就产生一个脉振磁场Bf,忽略电枢反应和磁势、电势中的高次谐波影响,三相绕组中的感应电势和单相激磁电压二者的频率、相位相同,而感应电势的幅值(或有效值)取决于夹角θ。
图 1 自整角发送机工作原理图
设正弦交流激磁绕组以nr/min的转速恒速旋转,星型输出绕组感应电势亦为正弦交流电势,则三相感应电势有效值分别为
E1 =Emsinωtcos(θ+120°)
E2 =Emsinωtcosθ
E3 =Emsinωtcos(θ-120°)
其中Em是每相绕组轴线与激磁绕组轴线重合，且激励正弦电压处于峰值时线圈感应电势的最大值；ω=60n是激磁电压的角速度，后同，θ是自整角机角位移， t为时间。
利用这3个数字量计算出此时转子位置角θ，计算方法主要有两种:三相法和两相法。三相法准确度稍高，但较复杂。考虑到单片机计算能力有限，因此，在准确度允许的情况下，通常采用二相法。二相法需要将自整角机定子的三相输出转化为两相电压，在传统的模拟电路测量系统中，这种三相电压到二相的转化由斯科特(Scott)变压器完成，由单片机软件计算。但是传统的斯科特(Scott)变压器不好绕制，价格昂贵，误差比较大，我们用电子式斯科特(Scott)变压器电路来完成这个功能，电路简单，价格便宜，精度高。
2.自整角机模块的硬件设计
自整角机数字转换模块主要有信号调理模块，微控制器处理电路组成。
2.1 信号调理模块
本系统的自整角机的激磁信号为频率400HZ，电压为36伏左右的交流电压，所以感应信号经信号调理电路处理后在3.3伏以下以便进行AD的转换。调理电路有电子斯科特(Scott)变压器电路，信号处理电路（包括过零检测电路，幅值识别电路，参考电压处理电路）,现分述如下：
2.1.1 电子斯科特(Scott)变压器电路分析
电子斯科特(Scott)变压器电路，其功能为将自整角机传感器来的三相电路信号S1，S2，S3转换成正弦、余弦形式，即两相电压：
V1=KE0 sinωtsinθ
V2=KE0 sinωtcosθ
式中 θ 为自整角机轴角；K 为增益系数；E0为电压幅值。
转换后的电路送至信号调理电路。
2.1.2 信号处理电路分析
电子斯科特(Scott)变压器电路输出的信号，分别经过过零检测电路判断出该信号处于正半周还是负半周，经过幅值识别电路处理，送至单片机，结合参考电压基准信号，进行运算。
2.2 微控制器处理电路
本设计采用MICROCHIP公司的dsPIC33Fj12GP202，其具有40MIPS的最高工作速度，16位宽的数据总线，3个16位定时器，26个中断源，I/O口可以任意编程，片上闪存可达32KB,数据SRAM可达2KB,具有多个时钟源， 10位1.1Msps或12位500Ksps的模数转换率，尤其是数学三角函数多样支持和最大4通道同步采样的功能，均使本设计硬件电路相对简单，原理图如图2所示
图2 单片机控制电路
3.自整角机模块的软件设计
本设计的数字化软件主要分为4部分:400Hz信号引起的外部中断程序、AD采样中断程序、通讯中断程序以及主程序。其主程序工作流程如图3所示。
在主程序的工作中，单片机的一个外部中断I/O口连接自整角机励磁信号，即400 Hz的方波信号。该信号的上升沿引起单片机的中断。在这个中断中，程序开始时先对正弦信号和余弦信号的象限和绝对值的大小进行判断，起到相敏整流的作用，送出控制命令，从而让进入单片机AD通道的信号都是正信号并且小于3.3V电压，然后打開AD的中断使能，启动AD模块对自整角机正余弦信号进行多次采样。该外部中断程序结束后AD转换模块开始工作，每次AD结束后，进人AD转换模块的中断程序。在该中断程序中，将每次（下转第227页）（上接第293页）AD结果储存，AD采样次数计数器自动加1，然后判断AD采样次数计数器到规定的采样次数(可以根据需要进行次数增减)，达到了采样次数关闭AD转换模块的中断允许，退出该中断，直到下一个400 Hz方波信号的上升沿再进人AD转换模块中断。
当主程序判断到新的数据标志时，对AD缓冲区的数据首先进行软件滤波，然后通过芯片自带的库函数中的三角函数进行角度计算，从而得到需要的角度值。
该系统的误差主要有三个来源:各个模块电路采用电阻的误差、单片机AD转换模块的误差、以及软件程序计算的误差。前两个误差可以采用选用看高等级的元器件来减小误差，后一个误差来源可以通过优化程序来减小误差，达到更加准确的测量角度的功能。
图3 主程序流程图
4.实验结果
实验结果如下表所示：
表1 实验结果
表1 是自整角机轴角θ 的给定值与实际测量值的对比结果。从表中可以看出，本文设计的自整角机一数字转换模块可以实现解算偏角θ的目的，试验结果表明：其测量精度高，最大绝对误差仅有0. 08°；转换速度快，转换频率每秒在100 次以上；因此，完全满足航空或者要求不高的位置测量控制系统的精度要求。
5.结语
本文提出一种基于dsPIC33Fj12GP202的自整角机数字转换模块的设计方法，讨论了自整角机一数字转换模块的硬件设计和软件实现。该模块具有简单、实时、低价等许多优点。并直接把角度信号转换为数字信号，减少了中央处理器的低级运算任务，因此完全可以代替传统自整角机一数字转换器；利用此方法能节省成本，并且能使电路集成度更高，体积更小。自整角机一数字转换模块在飞机、汽车、船舶导航系统中有着广泛的应用前景。
【参考文献】
［１］谢寿生.某型加力涡扇发动机[M].西安:空军工程学院出版社，2002:166-189.
［２］张永瑞，刘起振，杨林耀，等.电子测量技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社，1994:171-186.
【关键词】dsPIC33Fj12GP202；自整角机一数字转换模块
1.自整角机的工作原理
控制式自整角机是由控制式自整角发送机和控制式自整角变压器组成,如图1所示,自整角机发送机都包括2种绕组:整步绕组和单相绕组。图中,S1,S2,S3为三相绕组，左边圈内的为单相绕组。工作时,单相绕组作为转子,通过滑环、电刷外接正弦交流激磁电压Uf,频率为400Hz。整步绕组作为定子,取绕组中的S2绕组为基准绕组或参考绕组,用单相绕组轴线和S2绕组轴线的夹角θ表示某一时刻发送机转轴转角的位置。当单相激磁绕组接正弦电流后,这个电流就产生一个脉振磁场Bf,忽略电枢反应和磁势、电势中的高次谐波影响,三相绕组中的感应电势和单相激磁电压二者的频率、相位相同,而感应电势的幅值(或有效值)取决于夹角θ。
图 1 自整角发送机工作原理图
设正弦交流激磁绕组以nr/min的转速恒速旋转,星型输出绕组感应电势亦为正弦交流电势,则三相感应电势有效值分别为
E1 =Emsinωtcos(θ+120°)
E2 =Emsinωtcosθ
E3 =Emsinωtcos(θ-120°)
其中Em是每相绕组轴线与激磁绕组轴线重合，且激励正弦电压处于峰值时线圈感应电势的最大值；ω=60n是激磁电压的角速度，后同，θ是自整角机角位移， t为时间。
利用这3个数字量计算出此时转子位置角θ，计算方法主要有两种:三相法和两相法。三相法准确度稍高，但较复杂。考虑到单片机计算能力有限，因此，在准确度允许的情况下，通常采用二相法。二相法需要将自整角机定子的三相输出转化为两相电压，在传统的模拟电路测量系统中，这种三相电压到二相的转化由斯科特(Scott)变压器完成，由单片机软件计算。但是传统的斯科特(Scott)变压器不好绕制，价格昂贵，误差比较大，我们用电子式斯科特(Scott)变压器电路来完成这个功能，电路简单，价格便宜，精度高。
2.自整角机模块的硬件设计
自整角机数字转换模块主要有信号调理模块，微控制器处理电路组成。
2.1 信号调理模块
本系统的自整角机的激磁信号为频率400HZ，电压为36伏左右的交流电压，所以感应信号经信号调理电路处理后在3.3伏以下以便进行AD的转换。调理电路有电子斯科特(Scott)变压器电路，信号处理电路（包括过零检测电路，幅值识别电路，参考电压处理电路）,现分述如下：
2.1.1 电子斯科特(Scott)变压器电路分析
电子斯科特(Scott)变压器电路，其功能为将自整角机传感器来的三相电路信号S1，S2，S3转换成正弦、余弦形式，即两相电压：
V1=KE0 sinωtsinθ
V2=KE0 sinωtcosθ
式中 θ 为自整角机轴角；K 为增益系数；E0为电压幅值。
转换后的电路送至信号调理电路。
2.1.2 信号处理电路分析
电子斯科特(Scott)变压器电路输出的信号，分别经过过零检测电路判断出该信号处于正半周还是负半周，经过幅值识别电路处理，送至单片机，结合参考电压基准信号，进行运算。
2.2 微控制器处理电路
本设计采用MICROCHIP公司的dsPIC33Fj12GP202，其具有40MIPS的最高工作速度，16位宽的数据总线，3个16位定时器，26个中断源，I/O口可以任意编程，片上闪存可达32KB,数据SRAM可达2KB,具有多个时钟源， 10位1.1Msps或12位500Ksps的模数转换率，尤其是数学三角函数多样支持和最大4通道同步采样的功能，均使本设计硬件电路相对简单，原理图如图2所示
图2 单片机控制电路
3.自整角机模块的软件设计
本设计的数字化软件主要分为4部分:400Hz信号引起的外部中断程序、AD采样中断程序、通讯中断程序以及主程序。其主程序工作流程如图3所示。
在主程序的工作中，单片机的一个外部中断I/O口连接自整角机励磁信号，即400 Hz的方波信号。该信号的上升沿引起单片机的中断。在这个中断中，程序开始时先对正弦信号和余弦信号的象限和绝对值的大小进行判断，起到相敏整流的作用，送出控制命令，从而让进入单片机AD通道的信号都是正信号并且小于3.3V电压，然后打開AD的中断使能，启动AD模块对自整角机正余弦信号进行多次采样。该外部中断程序结束后AD转换模块开始工作，每次AD结束后，进人AD转换模块的中断程序。在该中断程序中，将每次（下转第227页）（上接第293页）AD结果储存，AD采样次数计数器自动加1，然后判断AD采样次数计数器到规定的采样次数(可以根据需要进行次数增减)，达到了采样次数关闭AD转换模块的中断允许，退出该中断，直到下一个400 Hz方波信号的上升沿再进人AD转换模块中断。
当主程序判断到新的数据标志时，对AD缓冲区的数据首先进行软件滤波，然后通过芯片自带的库函数中的三角函数进行角度计算，从而得到需要的角度值。
该系统的误差主要有三个来源:各个模块电路采用电阻的误差、单片机AD转换模块的误差、以及软件程序计算的误差。前两个误差可以采用选用看高等级的元器件来减小误差，后一个误差来源可以通过优化程序来减小误差，达到更加准确的测量角度的功能。
图3 主程序流程图
4.实验结果
实验结果如下表所示：
表1 实验结果
表1 是自整角机轴角θ 的给定值与实际测量值的对比结果。从表中可以看出，本文设计的自整角机一数字转换模块可以实现解算偏角θ的目的，试验结果表明：其测量精度高，最大绝对误差仅有0. 08°；转换速度快，转换频率每秒在100 次以上；因此，完全满足航空或者要求不高的位置测量控制系统的精度要求。
5.结语
本文提出一种基于dsPIC33Fj12GP202的自整角机数字转换模块的设计方法，讨论了自整角机一数字转换模块的硬件设计和软件实现。该模块具有简单、实时、低价等许多优点。并直接把角度信号转换为数字信号，减少了中央处理器的低级运算任务，因此完全可以代替传统自整角机一数字转换器；利用此方法能节省成本，并且能使电路集成度更高，体积更小。自整角机一数字转换模块在飞机、汽车、船舶导航系统中有着广泛的应用前景。
【参考文献】
［１］谢寿生.某型加力涡扇发动机[M].西安:空军工程学院出版社，2002:166-189.
［２］张永瑞，刘起振，杨林耀，等.电子测量技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社，1994:171-186.