基于dsPIC33Fj12MC202-I/SP的轴角数字转换器的实现
摘要：从同步机角度的数字化基本原理和角度的周期性出发，考虑到角度的极限和软件实现的的因素，给出了一种新的优化算法，根据此算法可以利用硬件将同步机角度信号进行数字化，利用先进的单片机片上的资源和功能支持，通过高速的软件计算，从而得到数字化的角度，试验表明，该算法利用了片上的资源，因此软件的工作量小，数字化精度高，速度快，实时性强，系统模块化程度高，文护方便。
1、引言
轴角数字转换器也称自整角机，它是一种感应式机电元件，它广泛用在飞行器姿态控制、导弹控制、雷达天线跟踪、智能仪表角位置控制系统中，以完成角位移的检测、传输、接收和变换等功能。近年来，出现的数字信号处理器（digital signal processor，DSP）发展迅速，其以具有高速数字信号处理功能和实时性强、功耗低、集成度高和具有丰富的片上资源而著称，而且，完全胜任发动机分布式控制系统的要求。因此，对自整角机信号数字化作了研究后，提出一种基于dsPIC33Fj12mc202单片机的新型数字化自整角机的设计；经过AD采样自整角机的电压信号及激励信号的处理后，通过软件计算得到比较精确的角位置信号。极大地简化了系统电路组成，降低了开发成本，而且，提高系统的可靠性。
2、传感器的工作原理：
传感器的类型为控制式自整角机。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,测量角位移随动系统在机械上不相联接,并且,可以相距较远的转轴组成的系统中的2个转轴的转角差。我们只是测量角位置输出，并不作控制，只是使用控制式自整角发送机作为传感器，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
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本文来自优*文*论*文|网
E1 =Emsinωtcos(θ+120°),
E2 =Emsinωtcosθ ,
E3 =Emsinωtcos(θ-120°),
经过变换有
E21=E2-E1=Emsinωt[cosθ-cos(θ+120°)];
E23=E2-E3=Emsinωt[cosθ-cos(θ-120°)].
这样，自整角机就把角度信号转换为2 个感应电势差，它们是同频率但幅值各随角度变化的电压信号，通过对这2 个电势差信号的处理后便得到了角度值。测量传感器的转角实际上就是测量2 个同频信号幅值之间的变
化规律。
3、系统组成：
本系统由微处理器dsPIC33FJ12MC202，信号检测处理部分、数码显示部分、电源管理部分等组成，如图2所示。本系统工作原理为：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，把感应信号处理为3.3伏以下，在进行AD的采样后，由单片机进行计算，将计算后的角度值通过数码管指示出来，做到跟踪测量和显示。毕业论文http://www.youerw.com
图2 系统组成原理框图
3.1微处理：
DsPIC33FJ12MC202是美国MICROCHIP公司生产DSC CPU ，它具有：
16位宽数据总线， 24位宽指令，可寻址最大4M 指令字的线性程序存储空间可寻址最大64 KB 的线性数据存储空间
16 x 16 位小数/ 整数乘法运算，32/16 位和16/16 位除法运算
DSP运算的累加器回写操作
定时器/ 捕捉/ 比较/PWM功能
中断、数字i/o使用方便
灵活的时钟选择，具有外部振荡器、晶振、谐振器和内部RC 振荡器， 全集成锁相环，
10位1.1 Msps 或12 位500 KspsA/D
工业级和扩展级温度、低功耗
在本系统里，主要使用该芯片A/D,灵活的时钟选择、中断的管理以及丰富的库函数。
该微处理器中断控制器具有多达8 个处理器异常和软件陷阱， 7个可由用户选择的优先级， 具有多达118 个向量的中断向量表， 每个中断或异常源对应一个唯一的向量，这种中断处理方式，可以减少现场运行过程中，出现异常错误。灵活的时钟选择，在设计过程中，避免了引入高频信号源，用低信号源，达到高信号源的目的，根据不同设计方案选择内部时钟还是外部时钟，故障保护时钟检测器，在强干扰运行系统下，起到积极的作用。
本设计运用该款单片机最大的特色， 10位1.1 MspsA/D，最大4通道同步采样的功能、自动通道扫描模式、 可选的转换触发源、• 可选的缓冲器填充模式，及丰富的库函数，尤其是数学三角函数多样支持。
4、软件算法
由自整角机原理可知，采样到的三相定子电压数字量与位置量信号θ、时间t之间的数量关系为
E1 =Emsinωtcos(θ+120°),
E2 =Emsinωtcosθ ,
E3 =Emsinωtcos(θ-120°),
由上式可知，三相电压数字量的大小，既与位置角θ有关，也与时间t相关。其实，三相电压就是以400 Hz频率交变(本文考虑的是中频自整角机)，幅值与θ角成正弦关系的交流信号。由于自整角机三相定子绕组在空间上各差1200，故三相电压的幅值与θ的正弦函数在相位上各差1200由于无法精确计算sinwt的大小，即无法从三相定子电压信号中去除时间t的影响，故无法直接利用三相定子电压信号来计算θ角。
通过AD 采样到自整角机的定子三相电压的数字信号后，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。本设计使用软件处理，充分利用片上的资源和速度经过角度变换，经过公式转换后得到两相电压的的关系后进一步运算变换得到采样值只与角度信号θ有关的联系，去除了时间t的影响，但是由于三角函数不是单值函数，计算到的结果并不能正确反映角度值，所以要检测信号的正负和 进行激励信号的检测来推断出角度信号θ值。
根据试验及图形分析，角度在0≤θ≤30°范围内，曲线线性比较好，而在
θ=60°或240°时曲线的变化率最大，因此，利用0-30°区间线性好的特点，将整个角度空间（360°）等分成12份，每份占30°，保证 ≤1，考虑u1,u2的周期性，给出新的算法：
（1） 当u1≥0, 当u2≥0时
θ=30°±arctan .
其中u1>u2时，取“+”；u1<u2时，取“-”。
（2） 当u1≥0, 当u2≤0时，1451