基于CPLD的大功率高精度伺服系統位置信息實時采集系統設計與實現*

虞志源, 魯文其,2, 徐 訊, 袁嫣紅, 張建亞, 胡東軒

(1. 浙江理工大學，浙江 杭州 310018； 2. 浙江大學，浙江 杭州 310018；3. 浙江臥龍控股集團有限公司，浙江 杭州 310000)

基于CPLD的大功率高精度伺服系統位置信息實時采集系統設計與實現*

虞志源1, 魯文其1,2, 徐 訊3, 袁嫣紅1, 張建亞1, 胡東軒1

(1. 浙江理工大學，浙江 杭州 310018； 2. 浙江大學，浙江 杭州 310018；3. 浙江臥龍控股集團有限公司，浙江 杭州 310000)

闡述了旋轉變壓器的工作原理，設計了兩套位置信息采集方案。一種方案在CPLD、DSP、解碼芯片之間采用獨立總線的方式連接，實時地更新位置信息；另一種方案則是在CPLD、DSP、解碼芯片之間采用共用總線的方式，只在需要時讀取位置信息。給出了兩種方案的硬件平臺、設計思路和軟件流程圖，在原理上對其進行了相應的分析，并基于此進行了位置信息讀取的試驗測試。根據試驗測試結果得知，兩種方案都能準確讀取位置信息，精度較高，較適合大功率高精度驅動的場合應用，且共用總線方案相比獨立總線方案響應速度更快。

交流伺服系統； 旋轉變壓器； 位置檢測； 大功率； 高精度

0 引 言

伺服系統因其穩定性好、高速、精度高等優點得到廣泛運用，其運用場合主要在工業及民用領域，包括高精度數控機床、紡織機械、機器人等場合。隨著科技的發展，人們對于系統的精度、性能等方面有了更高的要求。矢量控制算法作為控制策略的核心，其中的坐標變換對于位置檢測精度的要求很高[1-2]。

永磁交流伺服系統中，常用的位置檢測元件編碼器按照工作原理主要分為增量式編碼器和絕對式編碼器[3]。增量式編碼器依靠計數脈沖來計算位置，系統會出現零點偏移，這種偏移發現不了，解決的方法只能是開機找零，比較麻煩。該特性使得其只能應用于性能低、精度低的系統[4]。絕對式編碼器則是一個數字碼對應一個位置，不存在增量式編碼器所帶來的不便。其中光電編碼器是常見的輸出為數字量的絕對式編碼器，這種編碼器雖然分辨率高，但是不能適應復雜多變的環境，抗沖擊、抗干擾能力較弱[5]。旋轉變壓器是輸出模擬量的絕對式編碼器，能運用于較復雜的大功率場合，有很強的抗干擾能力，自帶隔離，使得系統穩定性高[6-7]。由于其輸出返回信號為模擬量，如果不使用解碼芯片，改用解碼算法來實現轉換會比較復雜，所以旋轉變壓器配合解碼芯片能較好地獲取位置信號[8]。

伺服拉床、伺服壓力機、全電注塑機等[9-10]場合存在功率大、電流大、干擾強、振動大等特點，而光電編碼器相較于旋轉變壓器在抗干擾、抗沖擊方面弱勢較明顯。本文采用多摩川旋轉變壓器與AD2S1210解碼芯片組成的反饋裝置來獲取位置信息，并設計了兩種位置讀取方案進行試驗測試。

1 旋轉變壓器工作原理分析

旋轉變壓器的等效原理圖如圖1所示。左側初級勵磁繞組輸入勵磁電壓，右側次級感應繞組輸出為兩相正交的電壓，大小跟其位置角度的正余弦有關，故可以通過返回電壓信號來計算出其位置數據，且這兩個繞組都在定子側。轉子側則是一種特殊結構的線圈繞組，與初級和次級繞組磁通耦合。

圖1 旋轉變壓器原理圖

計算可得，旋變初級與次級電壓關系式為

ER1-R2=E0sinωt

(1)

ES1-S3=KER1-R2cosθ

(2)

ES2-S4=KER1-R2sinθ

(3)

式中:E0——勵磁最大幅值；

ω——勵磁角頻率；

K——旋轉變壓器變比；

θ——轉子旋轉角度。

2 位置檢測方案設計

本文設計了兩種位置檢測方案。方案1為實時更新位置信息方案，需要使用獨立數據總線,原理框圖如圖2所示。其原理是由DSP來負責發送控制信號給CPLD，CPLD負責對DSP的控制信號進行譯碼，從而控制解碼芯片對旋轉變壓器返回的位置信號進行解碼，并將位置信號儲存在CPLD中，DSP在讀位置中斷時間到來時就讀取一次位置數據。

圖2 DSP、CPLD、解碼芯片之間獨立數據總線的位置檢測方案框圖

方案2則是只在需要時讀取位置信息，可以使用共用數據總線，原理框圖如圖3所示。DSP在需要時才會發送控制命令給CPLD，經過CPLD譯碼，控制解碼芯片對旋轉變壓器返回的位置信號進行解碼，并傳給DSP。

圖3 DSP、CPLD、解碼芯片之間共用數據總線的位置檢測方案框圖

此外，由旋轉變壓器原理可知，旋轉變壓器需要外部激勵電壓輸入才能正常工作，DSP才能得到解碼芯片通過對旋變返回的正、余弦信號解碼轉化而來的位置信息數字量。AD2S1210所產生的激勵電壓不足以驅動旋轉變壓器，因此需要搭建一個激勵放大電路來驅動旋轉變壓器。

如圖4所示為設計的激勵放大電路。根據電路原理中放大電路的原理可知，通過采用不同的R1、R2的阻值可以得到不同的輸入輸出電壓的關系[11]。輸出電路部分采用了推挽電路，可有效地消除交越失真。

圖4 激勵放大電路

輸入UEXC與輸出UEXCO的關系為

(4)

3 檢測思路與軟件設計

對于位置檢測這個模塊來說，DSP主要負責完成控制信號的發送和位置數據的讀取，CPLD完成對DSP控制信號的譯碼。系統上電時，DSP給CPLD復位AD2S1210的控制信號，之后DSP發出配置AD2S1210控制寄存器和頻率寄存器的控制信號，CPLD完成譯碼；配置好AD2S1210之后，DSP在需要位置信息時發出位置信號采樣的控制信號，CPLD仍然完成這些信號的譯碼；最后DSP發出讀位置信號，CPLD選通AD2S1210，數據在DSP外部接口XINTF的激活周期進入到DSP。流程框圖如圖5所示。

圖5 軟件設計流程框圖

3.1 配置模式

AD2S1210有兩種工作模式： 配置模式和普通模式。配置模式主要用來配置激勵寄存器、控制寄存器、頻率寄存器及其他寄存器。此模式下也可進行對位置和速度的讀取。因此,AD2S1210可完全工作在配置模式下。如需工作在普通模式，則在初始配置完成后，退出配置模式，進入普通模式。A0、A1兩個信號的邏輯決定了AD2S1210是處于配置模式或者普通模式，以及是否對位置或速度數據進行讀取。

在配置模式下讀取位置信息的程序流程圖如圖6所示。AD2S1210在經過上電復位之后進入配置模式，配置激勵寄存器、控制寄存器及其他寄存器。在需要的寄存器配置完成后進行數據更新，然后就可以進行位置信息的讀取。由解碼芯片AD2S1210手冊得知，在配置模式下，每次只能讀取8bit信息，而位置信息是由地址0x80中的高8bit位置信息與地址0x81中的低8bit位置信息組成的16bit位置信息。因此需要讀兩次，先讀高8bit，后讀低8bit，讀一次位置寄存器的時間間隔為10μs。

圖6 配置模式的流程框圖

3.2 普通模式

AD2S1210在完成所需要的配置之后，配置模式和普通模式下都能讀取位置信息，由于配置模式下讀一次數據要讀兩次，而普通模式下較為簡便只需一次，并且配置模式下更主要的作用是為寄存器配置，因此本文采用普通模式。

3.2.1 方案1普通模式回讀位置或速度信息

獨立總線方式下的流程圖如圖7所示。

圖7 方案1程序流程框圖

在AD2S1210上電之后，先配置功能寄存器，配置好寄存器之后，從配置模式轉換到普通模式。普通模式下，AD2S1210所轉換得到的位置或速度信息在CPLD里面暫存，只要DSP讀位置中斷時間一到，即會讀取位置或速度信息。

3.2.2 方案2普通模式回讀位置或速度信息

共用總線方式下的CPLD程序流程框圖如圖8所示。

圖8 方案2程序流程框圖

可以看出方案2在AD2S1210起動轉換之前跟方案1是相同的，在轉換完成之后，方案2中則是確定有無DSP的讀信號到來，來決定是否讀取位置信號或者速度信號。

AD2S1210允許用戶直接從并行輸出或通過串行接口讀取角位置或角速度數據，利用A0、A1輸入可以選擇所需的信息。這些輸入也可用于使器件進入配置模式。例如，如需要讀取位置信息，則A0置0，A1置0。在配置完寄存器之后，只有在接收到DSP讀信號來臨時才會讀取AD2S1210中的位置或速度數據，存儲在DSP中。

4 試驗測試與分析

圖9為試驗的旋變實物圖。

圖9 旋變實物

采集了旋轉變壓器激勵信號波形，旋轉變壓器在激勵信號之下在某角度返回的SIN和COS信號波形，以及更新解碼芯片信號sample和讀取解碼芯片信號rd_pg的波形。

圖10為旋轉變壓器處于63°下，一路激勵信號EXCO和旋轉變壓器返回的信號SIN的波形，可以看到EXCO的峰峰值約為3.2V，頻率為10kHz，SIN信號的峰峰值約為1.52V。

圖10 63°下激勵EXCO和返回信號SIN波形

圖11為旋轉變壓器處于63°下，一路激勵信號EXCO和旋轉變壓器返回的信號COS的波形，可以看到EXCO的峰峰值約為3.2V，頻率為10kHz，COS信號的峰峰值約為0.92V。

圖11 63°下激勵EXCO和返回信號COS波形

圖12為AD2S1210更新信號sample和讀取芯片信號rd_pg，更新的時間可以自己設置。本文設置其為7.5μs。

圖12 7.5μs更新周期下sample和rd_pg波形

圖13、圖14為方案1和方案2手動逆時針和順時針旋轉旋轉變壓器的位置波形及速度波形。由圖13、圖14中波形可看到： 當逆時針旋轉旋變時，AD2S1210返回給DSP的位置信息解碼數據從0到65535(216)逐漸增加，直到65535該臨界值之后又重新變為0；順時針則剛好相反。兩種方案對比來看，方案1的響應速度比方案2要快。

跟位置信息不同，速度信息是以補碼的形式存儲在AD2S1210中的，當以很小的速度逆時針旋轉旋變時，速度是一個接近于0為正的數據，當順時針以很小的速度旋轉時，則是一個接近于65535的整數。

圖13 獨立總線方案下位置信息波形

圖14 共用總線方案下的位置和速度波形

5 位置檢測精度測試

將旋變固定一個位置，在不同的分辨率下檢測其位置，測試位置精度。一共做了4組測試，分別是分辨率為10、12、14、16bit。對于每組數據，求出平均值，然后將這組數據中的20個數據每個均減去平均值形成圖15中的4條曲線。圖15中的系列1、系列2、系列3、系列4分別代表16、14、12、10bit分辨率下AD2S1210解碼數據在平均值上下的波動情況。可以看到，16bit分辨率下，AD2S1210解碼后的數據波動最小，其次是14bit，接著是12bit，波動最大的是10bit。

圖15 不同分辨率下位置檢測精度對比

根據AD2S1210的手冊得知，通過配置其SC1和SC2引腳邏輯，其分辨率便可設置為10、12、14或16bit。當轉子速度較高時，可以選擇較低的分辨率；反之，轉子速度較低時可以選擇較高的分辨率。根據伺服系統運行速度，選擇不同的分辨率，動態地分析問題，做到具體問題具體分析，便能很好地提高系統性能。

6 結 語

本文利用DSP+CPLD結構控制解碼芯片AD2S1210，使其工作于不同的模式下對旋轉變壓器返回的信息進行解碼，從而獲得位置、速度等信息。采集了旋轉變壓器激勵信號波形等各種試驗波形。研究表明方案1和方案2都有其優缺點。方案1由于其DSP、CPLD、AD2S1210之間總線獨立，造成位置信息響應速度比較慢，且需要把位置信號先存儲在CPLD中，也占用了一定的CPLD資源，但是DSP無須等待，也有相應的算法，只需要切換地址來讀取信息；方案2由于其DSP、CPLD、AD2S1210之間共用總線，位置信息不經過CPLD的暫存，直接由AD2S1210通過轉換送給DSP，其響應速度較方案1而言要快。該方法也不需要解碼芯片時刻放回位置信息的解碼，在DSP的波形觀測器中顯示位置信息，從最后的位置信息波形可以看出，本文中的研究能較好地實現交流伺服位置檢測。

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Location Information Acquisition in Real Time Scheme’s Design and Application in High Response and High Precision Servo Based on CPLD

YUZhiyuan1,LUWenqi1,2,XUXun3,YUANYanhong1,ZHANGJianya1,HUDongxuan1

(1. Zhejiang Sci-tech University, HangZhou 310018, China;2. Zhejiang University, HangZhou 310018, China;3. Zhejiang Wolong Holding Group Limited Company,Hangzhou 310000, China)

Two sets of position detection scheme were designed. One connects CPLD, DSP and decoding chip with the method of independent bus. It could real-time update location information. The other connects CPLD, DSP and decoding chip with the method of shared bus. It only read location information when it need. Both schemes’ hardware platform, design thought, software flow diagram were proposed. Its principle was analyzed. The position information was detected based on these two schemes. According to these experiments, these two solutions all could read location information accurately with high precision, and be used in high power driving situations. Comparing with independent bus solution, Reuse bus solution had the faster response speed.

AC servo system; rotary transformer; position detection; high power; high precision

國家自然科學基金(No.11347125, 51407156，51307151);浙江省自然科學基金項目(No. LY14E070009，LY13E070005); 浙江省科技廳錢江人才項目(No. 2013R10064);中國博士后科學基金(No.2014M551735); 浙江省博士后科學基金(No. BSH1402065)

魯文其

TM 921.54+1

A

1673-6540(2015)05-0011-06

2015-01-23