精粗組合軸角解算實驗教學裝置設計

張 慶，胡文彬，許德新

（哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

“自動控制元件實驗”課程是工科高等院校自動化專業(yè)學生進入專業(yè)學習階段的第一門專業(yè)實驗課程，對學生自主學習能力的培養(yǎng)起到承上啟下的作用[1-2]。實驗內(nèi)容主要包括對直流電機、交流電機、步進電機、自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器等元件的工作特性及技術數(shù)據(jù)測定，訓練學生應用理論知識分析實驗現(xiàn)象的能力[3-4]。

實踐教學是專業(yè)理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，以單片機為核心的綜合設計實驗課程可以將專業(yè)理論、C語言編程、單片機原理等相關課程有機地結(jié)合起來，幫助學生更加深入地理解、掌握和運用專業(yè)課知識。對于實踐教學過程，如何科學合理地利用實驗教學裝置安排實踐教學內(nèi)容，幫助學生在實驗中將更多的相關課程知識融會貫通，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識及工程實踐能力，是實踐教學內(nèi)容改革需要考慮的重要問題[5-7]。

由于現(xiàn)有的自動控制元件實驗室的實驗教學裝置陳舊，課程安排中大部分實驗項目為驗證性和演示性實驗，不利于引導和發(fā)揮學生對課程內(nèi)容理解應用的主動性和拓展性。根據(jù)教學改革需要，針對自動控制元件實驗課程中存在的問題，教研組以自研的方式改進和增加了部分實驗教學裝置，并配套增加了新的實驗教學項目，在滿足課程教學需求的同時，鍛煉了專業(yè)教師的專業(yè)技術水平。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器實驗中軸角解算原理的課程內(nèi)容，本文利用STM32F407 單片機設計開發(fā)了一套雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器軸角解算實驗教學裝置。該裝置可提供開放編程和線路實驗接口，幫助學生在掌握軸角解算原理的同時，更好地將理論與科研實踐相結(jié)合，啟發(fā)學生主動思考，提高自主學習能力。

1 設計原理

1.1 雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器作為自動控制元件中典型的角度測量元件，不僅精確而且經(jīng)濟，自從其誕生以來就在各種類型的控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用[8-9]。隨著高精度自動控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展，單通道旋轉(zhuǎn)變壓器已難以滿足高精度測角要求，兩種不同極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)變壓器（粗機和精機）組成一體的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器逐漸獲得廣泛應用[10-11]。粗機采用單對極旋轉(zhuǎn)變壓器，精機采用多對極旋轉(zhuǎn)變壓器，精機的極對數(shù)為粗機極對數(shù)的N倍（N 為雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的傳動比），因此雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的分辨率是單通道旋轉(zhuǎn)變壓器的N 倍。在雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器中，粗機實現(xiàn)0°～360°范圍內(nèi)的角度粗測量功能，而精機實現(xiàn)(0°～360°)/N 范圍內(nèi)的角度精測量功能，因此雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器又被稱為粗精組合系統(tǒng)。

1.2 粗精數(shù)據(jù)組合原理

以傳動比為1 : 36 的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器為例，精機轉(zhuǎn)動1 圈相當于粗機轉(zhuǎn)動1/36 圈，即粗機角度變化為360°/36=10°。1 : 36 雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器測角粗精數(shù)據(jù)組合運算公式為：

軸角解算處理器將粗機測量角度數(shù)據(jù)除以10，結(jié)果的整數(shù)部分I 為精機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，結(jié)果的余數(shù)部分R 參與角度數(shù)據(jù)糾錯。將精機測量角度數(shù)據(jù)S 除以36，得到商數(shù)部分Q。將粗機數(shù)據(jù)整數(shù)部分I 乘以10 后與精機商數(shù)部分Q 相加，得到對齊的雙通道粗精數(shù)據(jù)組合數(shù)據(jù)。粗機數(shù)據(jù)余數(shù)部分R 參與后續(xù)的組合數(shù)據(jù)糾錯。

1.3 精粗數(shù)據(jù)組合糾錯原理

當雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的粗機和精機轉(zhuǎn)動完全同步時，上述粗精數(shù)據(jù)組合算法是不存在差錯的。但雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器中的粗精兩個通道是相互獨立進行轉(zhuǎn)換的，而且由于變速齒輪存在齒隙等結(jié)構(gòu)誤差，粗機和精機的測角誤差不可能實現(xiàn)完全匹配。如果當精機尚未完整轉(zhuǎn)完一圈時，粗機輸出數(shù)據(jù)的整數(shù)部分I 已經(jīng)加“1”，在本例中即粗機數(shù)據(jù)對應角度比實際被測角度多“10°”。而當精機已經(jīng)完整轉(zhuǎn)完一圈時，粗機輸出數(shù)據(jù)的整數(shù)部分I 還未加“1”，在本例中即粗機數(shù)據(jù)對應角度比實際被測角度少“10°”。因此，在應用雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器進行測角時，必須進行粗精數(shù)據(jù)組合的糾錯。由于精機測角精度要遠高于粗機，糾錯時應基于精機數(shù)據(jù)進行。

在雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器中，粗機和精機的同步誤差不會大于精機轉(zhuǎn)動的1/4 圈（在傳動比為1 : 36 的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器中該值為2.5°）。粗機數(shù)據(jù)的余數(shù)部分R∈[0°, 10°)等分成的4 個區(qū)間在邏輯上對應精機數(shù)據(jù)S∈[0°, 360°)角平面的4 個象限。根據(jù)精機數(shù)據(jù)S 和粗機數(shù)據(jù)余數(shù)部分R 分別所處的區(qū)間情況，來決定組合數(shù)據(jù)是否進行糾錯處理。

（1）粗機數(shù)據(jù)余數(shù)部分R∈[0°, 2.5°)代表粗機角度剛剛轉(zhuǎn)過一個10°區(qū)間，精機數(shù)據(jù)S∈[270°, 360°)代表精機角度即將轉(zhuǎn)完一圈，精粗兩組數(shù)據(jù)的圈數(shù)計算產(chǎn)生誤差，根據(jù)以精機為準的原則，應將粗機數(shù)據(jù)整數(shù)部分I 減去1。

（2）粗機數(shù)據(jù)余數(shù)部分R∈[7.5°, 10°)代表粗機角度即將轉(zhuǎn)過一個10°區(qū)間，精機數(shù)據(jù)S∈[0°, 90°)代表精機角度剛剛轉(zhuǎn)完一圈，精粗兩組數(shù)據(jù)的圈數(shù)計算產(chǎn)生誤差。根據(jù)以精機為準的原則，應將粗機數(shù)據(jù)整數(shù)部分I 加上1。

（3）精機數(shù)據(jù)S∈[90°, 270°)代表精機角度距離整數(shù)圈大于1/4 圈，粗機數(shù)據(jù)不存在進位問題，精粗兩組數(shù)據(jù)的圈數(shù)計算未產(chǎn)生誤差，無需糾錯。

2 實驗裝置設計

2.1 總體設計

對于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的軸角測量解算主要有兩種方式：一是使用兩個單速軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和一個精粗數(shù)據(jù)組合處理器來構(gòu)成雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的軸角測量解算電路；二是采用專用的集成雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)。為了便于引導學生參與甚至自主設計有關實驗環(huán)節(jié)，本文將采用第一種方案，設計一個基于STM32 微控制器STM32F407 的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器軸角解算實驗教學裝置，來處理粗精兩個通道輸出的數(shù)字信號，并且該裝置提供了開放的編程和線路實驗接口。

在該實驗裝置中，粗機角度和精機角度分別經(jīng)過7 位的軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和14 位的軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，分別轉(zhuǎn)換為精粗兩組自然二進制碼， STM32F407通過I/O 口分別讀入精機14 位二進制數(shù)字量和粗機7位二進制數(shù)字量，并進行數(shù)據(jù)組合和糾錯，轉(zhuǎn)換為被測角度的19 位二進制數(shù)字量后，再通過其SPI 口以串行方式輸出到串并轉(zhuǎn)換鎖存器74HC595，以并行方式輸出雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器軸角測量解算的19 位并行數(shù)字量結(jié)果。總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器軸角解算實驗教學裝置框圖

2.2 硬件設計

2.2.1 STM32F407 處理器特點

STM32F407 系列微處理器是意法半導體公司（STMicroelectronics，簡稱 ST）推出的基于 ARM CorteX-M4 內(nèi)核的高端32 位微控制器的代表，具有優(yōu)良的性能、豐富的外設、穩(wěn)定的供貨以及低廉的價格，廣泛應用于工業(yè)控制、安防監(jiān)控、消費電子等領域。其高性價比、入門資料豐富友好、適合手工DIY 等特點，使其適合在校學生群體自主進行嵌入式系統(tǒng)學習和設計開發(fā)[12]。

2.2.2 74HC595 接口

粗精雙通道解算處理器的二進制數(shù)據(jù)需要大量I/O 口資源，單片機STM32F407VET6 的I/O 口數(shù)量不夠。本裝置選用串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行數(shù)據(jù)的專用芯片74HC595 解決這一問題。74HC595 不但能夠?qū)⒋休斎氲臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8 位并行數(shù)據(jù)輸出，還具備輸出數(shù)據(jù)鎖存功能。74HC595 采用CMOS 工藝制作，數(shù)據(jù)輸出速度快，能夠滿足粗精雙通道解算的高速輸出要求。在本文的粗精組合軸角解算實驗教學裝置中，采用三片74HC595 級聯(lián)，將微處理器STM32F407 的SPI 口輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為19 位并行數(shù)據(jù)，作為整個軸角解算裝置的輸出。接口電路如圖2 所示。

圖2 74HC595 與STM32 單片機的接口電路

2.2.3 數(shù)字接口控制信號

為了穩(wěn)定可靠地輸出解算結(jié)果，粗精雙通道解算處理器數(shù)據(jù)輸出需要具備相應的數(shù)字接口控制電路。控制電路具有兩項功能：一是數(shù)據(jù)鎖存功能，確保輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性；二是電平轉(zhuǎn)換功能，在轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的CMOS 電路和外部數(shù)字電路之間起緩沖作用。本文的粗精雙通道解算處理器的輸出過程，是由禁止信號和輸出使能信號（連接方式詳見圖2）兩個數(shù)字信號來控制的。這兩個信號均為低電平有效，兼容5V CMOS 電平，方便與微處理器接口信號與STM32F407VET6 的一個中斷管腳相連，用于控制 STM32F407 是否將數(shù)據(jù)更新到 74HC595；信號用來控制74HC595 鎖存器數(shù)據(jù)的輸出。兩信號接高電平時系統(tǒng)待機，當檢測端口為低電平時，微處理器將當前的粗精雙通道解算數(shù)據(jù)送入到74HC595 中。但此時74HC595 的輸出管腳數(shù)據(jù)不會被刷新，向端口施加低電平信號后，74HC595 輸出管腳數(shù)據(jù)才會被刷新。

2.3 軟件設計

系統(tǒng)軟件采用Keil MDK5 集成開發(fā)環(huán)境編寫和調(diào)試，它是Keil 公司專為ARM 內(nèi)核微處理器應用而設計的集成開發(fā)工具，功能強大，能夠滿足大多數(shù)苛刻的嵌入式應用。Keil MDK5 包含μVision4 IDE 集成開發(fā)環(huán)境，用戶界面友好，采用C/C++語言編寫源程序，具有強大的調(diào)試器和仿真環(huán)境。Keil MDK5 符合CMSIS 規(guī)范要求，具有大量的程序例程，方便用戶進行快速開發(fā)。本實驗教學裝置的軟件設計主要由系統(tǒng)初始化程序和雙速數(shù)據(jù)處理程序兩部分組成，程序流程如圖3、圖4 所示。

圖3 微控制器初始化流程

圖4 雙速數(shù)據(jù)處理程序流程

3 實驗驗證

精粗組合軸角解算實驗教學裝置的實驗驗證包括糾錯算法驗證和轉(zhuǎn)換精度驗證兩方面內(nèi)容。

將傳動比為1 : 36 的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)軸與高精度光學分度頭的轉(zhuǎn)動軸相固連，改變光學分度頭的軸角，雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的精機和粗機的信號輸出線分別接到雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器軸角解算實驗教學裝置的對應輸入端。同時利用微處理器設計角度顯示電路，將解算結(jié)果的19 位并行數(shù)字量轉(zhuǎn)換為0°～360°數(shù)字顯示。

首先，分別按順時針和逆時針方向旋轉(zhuǎn)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)動軸，如果隨著轉(zhuǎn)動軸角度變化，該裝置輸出的角度數(shù)字值變化方向與轉(zhuǎn)動方向一致，而且無突跳現(xiàn)象，則證明精粗數(shù)據(jù)組合糾錯算法正確。然后，在0°～360°角度范圍內(nèi)等間隔改變光學分度頭軸角，記錄該裝置相應的輸出角度值。通過對比發(fā)現(xiàn)，該裝置的軸角測量誤差在±4?以內(nèi)，完全滿足實驗教學需求。

4 結(jié)語

本文以傳動比為1 : 36 雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器為例，設計了精粗組合軸角解算實驗教學裝置，并介紹了軟硬件實現(xiàn)。該裝置能夠幫助學生形象直觀地理解精粗組合軸角解算原理，增加學生學習興趣，使其在實驗中加深對理論的理解。該裝置不但能夠滿足旋轉(zhuǎn)變壓器課程教學實驗需求，還能為學生提供綜合運用相關專業(yè)知識進行實踐創(chuàng)新的應用平臺。