基于STM32H7的旋變解碼試驗(yàn)板設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

何凡鋒，張振

（首都航天機(jī)械有限公司，北京，100076）

0 引言

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種可以適用于高溫、高濕、高速等惡劣環(huán)境工作場合的角度傳感器，應(yīng)用范圍十分廣泛。不同于普通角度傳感器，旋轉(zhuǎn)變壓器的角度信息無法直接讀取，必須配備專門的解碼裝置。這種解碼裝置有兩種解碼方式[1～4]，一種是硬件解碼方式，另一種是軟件解碼方式。硬件解碼方式解碼速度快，但是，參數(shù)固化，無法修改，欠缺靈活。軟件解碼方式相對靈活，可以根據(jù)需要修改各種參數(shù)，非常適合個人學(xué)習(xí)測試各種解碼算法。然而，軟件解碼方式對主控芯片的運(yùn)算速度要求較高，需要使用高性能控制芯片。STM32的H7系列芯片性能卓越，在工業(yè)自動控制、物聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)電子等方面應(yīng)用廣泛[5～6]。這種芯片采用ARM Cortex M7架構(gòu)，工作頻率高達(dá)480MHz，可以滿足各種復(fù)雜場景應(yīng)用，而且價格適中，適合作為旋變解碼主控芯片。本文將采用軟件解碼方式設(shè)計解碼試驗(yàn)板，以STM32H750VBT6作為主控芯片，分別設(shè)計相關(guān)外圍電路與控制程序，并測試試驗(yàn)板的使用效果。

1 解碼原理

旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理是通過給勵磁繞組施加穩(wěn)定的正弦波激勵信號，同時，在輸出繞組分別感應(yīng)出正弦和余弦電壓信號，如圖1所示。R1-R2勵磁繞組施加高頻激勵信號，S1-S3感應(yīng)出余弦信號，S2-S4感應(yīng)出正弦信號，轉(zhuǎn)子位置θ與S2-S4、S1-S3輸出繞組的電壓幅值成正余弦關(guān)系。解碼方法就是通過ADC采樣獲取輸出繞組的電壓信號，轉(zhuǎn)換為控制芯片內(nèi)部的數(shù)字信號，然后通過各種算法進(jìn)行反向計算便求解出轉(zhuǎn)子的實(shí)際角度θ。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖

2 硬件設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)板的整體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，如圖2所示。設(shè)計了四個模塊，分別是DC-DC電源模塊、MCU模塊、ADC采樣模塊和勵磁模塊。DC-DC電源模塊的主要功能是將輸入的+15V電壓轉(zhuǎn)換為MCU的工作電壓3.3V，同時，為勵磁模塊提供+15V電壓輸入。MCU模塊提供DAC激勵信號、ADC采樣、數(shù)值計算、程序調(diào)試、串口通訊等功能。ADC采樣模塊用于旋轉(zhuǎn)變壓器輸出繞組的信號濾波、放大、傳遞等用途。勵磁模塊用于增強(qiáng)DAC信號，以便輸出足夠功率的正弦波激勵信號。下面分別介紹各模塊的電路設(shè)計。

圖2 試驗(yàn)板結(jié)構(gòu)圖

2.2 DC-DC電源電路

DC-DC電源電路采用MP1584降壓芯片，將+15V電壓轉(zhuǎn)換為+3.3V電壓。這種降壓芯片價格便宜，性能穩(wěn)定，已經(jīng)被廣泛使用。這里的+3.3V輸出僅為MCU提供電流，功率不大，發(fā)熱小，足以滿足使用，其電路圖如圖3所示。

圖3 DC-DC電路圖

2.3 勵磁電路

勵磁的目的是要給旋轉(zhuǎn)變壓器輸入一個固定周期的正弦波信號。這里采用兩路幅值與周期相同，但波形相反的正弦波信號，即通過勵磁電路在勵磁繞組R1與R2兩端分別輸入正向正弦波與反向正弦波信號，形成2倍幅值的合成正弦波信號。電路圖如圖4所示，圖中只給出了一路電路圖，因?yàn)閮陕穭畲判盘柕碾娐肥窍嗤摹．?dāng)MCU輸出的DAC信號為sin正向波形時，激勵信號輸出正向正弦波信號，當(dāng)DAC信號為sin反向波形時激勵信號輸出反向正弦波信號。圖中，U2為LM2904運(yùn)放，D3、D4為LL4148二極管，Q1為MMBT4401三極管，Q2為MMBT4403三極管。

圖4 勵磁電路圖

2.4 ADC采樣電路

采樣電路的工作原理是先將旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組感應(yīng)出來的兩種信號進(jìn)行濾波，然后經(jīng)過運(yùn)放放大，再傳遞到MCU的ADC采樣端口。電路圖如圖5所示，左側(cè)連接S1、S3、S2、S4四個端口，右側(cè)連接MCU的PC5端口與PB1端口。圖中，U4為LMV358系列運(yùn)放，20k電阻采用±1%精度的電阻。

圖5 ADC采樣電路圖

2.5 MCU電路

主控芯片電路如圖6所示，芯片型號是STM32H 750VBT6。芯片外圍電路設(shè)置了SWD調(diào)試接口、USART接口、啟停按鍵、外部晶振電路。圖中，X1晶振類型為25MHz貼片無源晶振，D1為ESD靜電管。

圖6 MCU電路圖

3 控制程序

控制程序是基于HAL庫開發(fā)，由STM32CubeMX軟件生成程序控制框架，再通過Keil 軟件進(jìn)行調(diào)試并添加所需代碼。串口通信部分用到USART1外設(shè)，波特率115200；ADC采樣用到ADC1、TIM3和DMA1的Stream3，采樣頻率10kHz；數(shù)模轉(zhuǎn)換部分用到DAC1、TIM2、DMA1的Stream1和Stream2，轉(zhuǎn)換頻率500kHz。ADC采樣與USART1編程相對容易，這里不做介紹，下面僅對DAC輸出部分代碼與解碼代碼進(jìn)行介紹。

3.1 DAC輸出部分

SinData_LENS為宏定義，值為50。內(nèi)部波形數(shù)據(jù)與實(shí)際電壓的對應(yīng)關(guān)系： 744*2/4096*3.3=1.2V（Vp-p） 。數(shù)據(jù)初始化函數(shù)及代碼如下：

函數(shù)中offset變量用于調(diào)節(jié)DAC輸出波形的起點(diǎn)，這里滯后90度，正好在波形頂端觸發(fā)ADC采樣，避免波形干擾。

3.2 解碼算法部分

依據(jù)解碼算法的原理[1]，這里定義跟蹤誤差：

Us是sin信號的電壓采樣值，Uc是cos信號的電壓采樣值，這兩個信號反映出旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子位置角度。sin(θ)與cos(θ)是解碼角度θ的三角函數(shù)值。用公式(1)計算的結(jié)果趨近于0時，旋轉(zhuǎn)變壓器的實(shí)際轉(zhuǎn)子角度就是θ角。這里采用αβ濾波[7-8]相關(guān)理論進(jìn)行解碼，并通過試驗(yàn)的方法確定參數(shù)數(shù)值。程序內(nèi)容如下：

由試驗(yàn)得出相關(guān)參數(shù)的初值：N_Ts=10000，M1=800000，M2=1。另外，解碼函數(shù)DeCode_Angle(void)應(yīng)該放在DMA1_Stream3_IRQHandler(void)中斷函數(shù)中調(diào)用，每次ADC采集完畢后進(jìn)行解碼運(yùn)算。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)板測試

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建如圖7所示，由旋轉(zhuǎn)主軸、旋轉(zhuǎn)變壓器、直流電源、串口通信模塊與試驗(yàn)板五個部分組成。旋轉(zhuǎn)主軸用于拖動旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)；直流電源用于提供+15V電壓輸入；串口通信模塊用于采集的波形數(shù)據(jù)與解碼角度數(shù)據(jù)并傳遞給上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：勵磁信號10kHz，Vp-p=2.4V，勵磁繞組電感2mH，ESR等于28Ω；輸出繞組電感5.5mH，ESR等于75Ω；額定轉(zhuǎn)速230r/min。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

4.2 結(jié)果分析

測試結(jié)果如圖8所示，圖中展示1.045s時間內(nèi)4個旋轉(zhuǎn)周期的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括解碼角度與輸出繞組的采樣信號。圖中縱坐標(biāo)的數(shù)值范圍為-32768～+32767，這是MCU內(nèi)部程序變量的數(shù)值范圍，采用的是C語言程序int16_t型數(shù)據(jù)類型。可以從圖中看到，輸出繞組的sin信號與cos信號均是4個完整波形周期，解碼角度也是4個完整周期，兩者周期完全一致，成功實(shí)現(xiàn)角度解碼。

圖8 解碼角度與采樣信號圖

關(guān)于實(shí)際速度，其計算結(jié)果為：4/1.045×60=229.67r/min，轉(zhuǎn)速誤差為：(230-229.7)/230=0.14%。角度誤差如圖9所示，其幅度在600以內(nèi)，誤差百分比大小為：±600/32767=±1.8%。

圖9 角度誤差圖

5 結(jié)束語

本文完成了一種旋變變壓器解碼試驗(yàn)板方案的電路設(shè)計與測試。從測試結(jié)果可以看出，試驗(yàn)板的解碼角度誤差與轉(zhuǎn)速誤差較小，滿足了解碼算法的測試使用。