基于ＳＴＭ３２的多通道ＰＷＭ旋变信号发生器

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基于ＳＴＭ３２的多通道ＰＷＭ旋变信号发生器

刘江义，孙书鹰

（军械工程学院光学与电子工程系，河北石家庄０５０００３）

摘要：正余弦旋转变压器是自动控制系统中的常用传感器元件，主要用于角度测量和传输，在＿ｒ－，＿ｌｋ、国防等领域中应用广泛。利用ＳＴＭ３２Ｆ４系列微控制器可输出多路脉冲宽度调制（ＰＷＭ）信号的特性，设计了一种基于ＰＷＭ的数字轴角转换（ＤＳＣ）电路，模拟产生旋转变压器信号，较之传统ＤＳＣ电路硬件结构

得以简化。

关键词：正余弦旋转变压器；ＰＷＭ；数字轴角转换；ＳＴＭ３２Ｆ４微控制器

中图分类号：ＴＭ３８３．２

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００—８８２９（２０１４）０６—００９３—０３

Ｍｕｌｔｉ－ＣｈａｎｎｅｌＰＷＭ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳｉｎＣｏｓ

Ｒｏｔａｒｙ

ＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＳｉｇｎａｌｓＧｅｎｅｒａｔｏｒＢａｓｅｄ

ＬＩＵＪｉａｎｇ—ｙｉ，ＳＵＮＳｈｕ—ｙｉｎｇ

ｏｎ

ＳＴＭ３２

ｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＯｒｄｎａｎｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５０００３，Ｃｈｉｎａ）

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳｉｎＣｏｓｒｏｔａｒｙｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｐｕｌｓｅ—ｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＳＴＭ３２ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ

正余弦旋转变压器（简称旋变）是自动控制系统中的常用传感器元件，主要用于角度测量和传输。旋转变压器因其使用可靠、寿命长、能适应恶劣的工作环境、抗冲击、测量精度高等优点。１Ｊ，在工业、国防等领域中应用广泛。除了直接采用旋变元件完成相应功能以外，有时需要模拟产生旋变信号，实现所谓的数字轴角转换（ＤＳＣ，ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）。传统的ＤＳＣ通常由数据锁存器、ＲＯＭ正余弦表、相乘型数字模拟转换器和放大器等组成，电路复杂，模拟功放电路损耗大，需要散热器。设计了一种基于ＳＴＭ３２系列微控制器可输出多路ＰＷＭ信号的特性的ＤＳＣ电路，采用Ｈ桥放大ＰＷＭ信号，实现了无需散热器的高效率ＤＳＣ功放。较之传统ＤＳＣ电路硬件结构得以简化。

１

１．１

在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相

等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效

果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指该环节的输出相应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有不同。２Ｊ。

利用上述原理的ＰＷＭ控制技术已经广泛应用于

开关电源、电源逆变和电机控制等领域。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出

电压的大小，也可改变输出频率。例如，逆变应用中就

ＰＷＭ产生多通道旋变信号原理

ＰＷＭ简介

是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等、脉冲宽度按正弦规律变化的脉冲，即按正弦规律变化的ＰＷＭ脉冲，如图１所示。通常上述ＰＷＭ信号的高频分量与正弦波的频率相差较大，通过简单滤波电路，很容易从中提取所需正弦波。

ＰＷＭ控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好

的优点而成为电力电子技术中应用广泛的控制方式，

收稿日期：２０１３—０３—０３

作者简介：刘江义（１９８８一），男，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向为控制系统仿真；孙书鹰（１９５７一），男，山东烟台人，硕士，副教授，主要研究方向为导航、制导与控制。

也是利用微控制器的数字信号对模拟电路进行控制的

一种非常有效的技术。

１．２

ＰＷＭ产生正余弦旋变信号原理

１．２．１概述

万方数据

９４

《测控技术）２０１４年第３３卷第６期

（２）正余弦旋变信号占空比计算。

激磁信号在工程上是由外部电源提供的，如２２０Ｖ或１１０Ｖ正弦交流市电，并不需要变换产生，ＤＳＣ变

口０００口口口口００１０ｌｌ０ｌ０口口口口８００Ｉ－．

／＼／＼＼。／＼＼／Ｖ

图１

换的关键是与激磁信号同步，并按式（２）所确定关系产生ＰＷＭ信号，即旋变的正、余弦两相信号，该两相

信号是被轴角的正弦和余弦函数进行幅度调制的激磁正弦信号。则正余弦旋变的两相ＰＷＭ调制信号的占空比按如下方程计算：

Ｄ

＝

＋

ＰＷＭ波与其逆变正弦波的对应关系图

洫

石

×．吼ｎ

础础

×

豳坩

（ｋ＝０，５０，…，１９９５０汕ｓ）（４）

∞的

旋变信号由激磁正弦交流信号

ｔｔ＝％ｓｉｎｗｔ

号的两相幅度调制信号

（１）

Ｄ

＝

Ⅳ一Ⅳ一＋

／Ｌ洫、Ｊ戈×．吼ｎ×

以及以此信号为载波、以轴角的正弦和余弦为调制信

与式（３）一样，式（４）中ｋ为离散的时问变量，即５０斗ｓ

采样对应时间，必须每５０¨ｓ变化一次，而轴角０是根

｛Ｍｕ。ｓ＝：Ｕ嘶．，ｓｉｎ。ｗ娥ｔｓｉ硎ｎＯ

组成的。

（２）

按照上述原理，让ＰＷＭ的占空比按正弦函数规

律改变，经过滤波后即可得到正弦波Ｕ＝Ｕ。ｓｉｎｗｔ。如

果在此过程中让ＰＷＭ的占空比，按被某信号调制的正弦（或余弦）函数规律改变，如Ｕ。＝ＵｍｓｉｎｗｔｓｉｎＯ（或Ｕ。＝％ｓｉｎｗｔｃｏｓ０），经过滤波后就应得到Ｕ。＝％ｓｉｎｗｔｓｉｎ０

（或Ｕ。＝ＵｒｎｓｉｎｗｔｃｏｓＯ），其前提是ｓｉｎ０（或ｃｏｓ０）的变化

据实际的轴角值变化的，相对变化比较慢。这样就得到了激磁信号一个周期内的４００个点对应的正余弦旋变的两相信号的占空比的值，该值在０～Ｎ范围内。

激磁信号的周期是靠外部实际激磁信号同步的，例如按５０Ｈｚ的交流激磁每周期（２０ｍｓ）同步一次。

２

应用ＳＴＭ３２微控制器产生多通道

ＳＴＭ３２微控制器简介

ＰＷＭ旋变信号

２．１

率远小于ｓｉｎｗｔ。而旋变信号正是满足上述条件的信

号，所以，理论上可以实现用ＰＷＭ技术实现ＤＳＣ变换。

１．２．２激磁信号一个周期内采样点的确定

为了实现ＰＷＭ方式产生正弦波，必须保证在一个正弦波周期内有足够多的采样点，以保证精度。若

选用２０ｋＨｚ为ＰＷＭ波的频率，则，占空比刷新周期为

ＳＴＭ３２系列微控制器（ＭＣＵ）是ＳＴ公司推出的一款基于Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ内核的新型ＡＲＭ处理器。本文采用的微控制器是ＳＴＭ３２Ｆ４０７芯片，ＳＴＭ３２Ｆ４０７芯片是基于Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ４的３２位ＡＲＭ处理器，拥有１ＭＢ闪存程序存储器和１９２ＫＢ的ＳＲＡＭ，系统时钟高达１６８ＭＨｚ。ＳＴＭ３２Ｆ４０７芯片内部包含１７个定时器，每个定时器有４个用于输入捕获／输出比较／ＰｗＭ或脉冲计数的通道一ｏ。

２．２用ＳＴＭ３２Ｆ４微控制器的ＰＷＭ产生多通道旋变信号

５０¨ｓ。由于激磁信号Ｕ＝Ｕｍｓｉｎｗｔ的频率为∞＝２Ⅳ，

若，＝５０Ｈｚ，则其周期Ｔ＝２０ｍｓ，所以，一个正弦波周

期内的采样点为器＝等学＿４０刚口正弦波

ｓｉｎｗｔ的一个周期内（２０ｍｓ）有４００个样本点。

１．２．３

占空比的计算

要用ＰＷＭ技术实现ＤＳＣ变换，需要根据轴角大小和激磁信号的周期等信息改变占空比，即按式（２）

的规律改变ＰＷＭ的占空比。

某伺服控制系统共有４组自整角机信号，由于自整角机信号（三相）与正余弦旋转变压器信号（两相）

可以经过ＳＣＯＴＴ变换进行互相转换，所以，数字轴角

（１）激磁信号占空比的计算。

设ＰＷＭ波的占空比范围为０一Ｎ，其中Ⅳ为正整数，占空比５０％对应Ｎ／２，是正弦（或余弦）函数的过零点。对于激磁信号可通过下式得到一个周期内

ＰＷＭ波的占空比的值：

转换通常先将数字信号转换为正余弦旋转变压器信号，如果需要再转换为自整角机形式的信号。本例共需要产生４组旋变信号，由于旋变为两相信号，因此，共需８个通道ＰＷＭ信号，用来产生正余弦旋变信号。上述信号是以ＰＷＭ形式表示的，是数字形式的，经过

Ｈ桥功率放大驱动、滤波和ＳＯＣＴＴ变换后，即可得到

所需的自整角机形式的信号。

Ｄ＝｝＋（ｉｎｔ）｝Ｘ

ｓｉｎ（ｏｋ（ｋ＝０，５０，…，１９９５０斗ｓ）（３）

其中，ｋ为离散的时问变量，即５０斗ｓ中断对应时问。

这样就得到了激磁信号一个周期内的４００个点对应的占空比的值，且在０一Ｎ范围内。

ＳＴＭ３２Ｆ４０７微控制器中的１２个定时计数器，每个均有４个独立可编程通道输出的ＰＷＭ信号。用其中两个定时计数器即可产生上述所需的８个通道的

ＰＷＭ信号，如图２所示。本系统选用定时器ＴＩＭｌ和

万方数据

基于ＳＴＭ３２的多通道ＰＷＭ旋变信号发生器

９５

ＴＩＭ８，两个定时器均由ＡＰＢ２总线提供时钟，默认频率为１６８ＭＨｚ，便于同步和编程控制，时钟频率高，控制更加精确。Ｈ桥芯片选用ＵＢＡ２０３２，通过该芯片，即可驱动Ｈ桥功率放大电路，Ｈ桥选用４片ＩＦＲ３２０５型ＭＯＳＦＥＴ管组成。设计采用的是ＬＣ低通滤波器。

［６０００］，同样，按上述分度，离线计算出各点的值预置

到数组中。

Ｓｃｏｔｔ

稚露辍毯窨

ｔｒ［－

一羔一

斟

蔓日∽

羔一

—恒莅阳

；

图２多通道旋变信号产生原理方框图

变压器

（３）调制信号生成程序设计。

微控制器接收外部给定的轴角信息，通过查表调用激磁正弦信号和轴角正余弦值，利用公式（４）计算轴角和时间蠡对应的ＰＷＭ占空比，更改定时器设置刷新输出的８个通道ＰＷＭ信号的占空比。

８个通道旋变信号是由外部实际激磁信号同步的，激磁信号选用２２０Ｖ正弦交流市电，信号周期为

２０

Ｓｃｏｔｔ

ｍｓ，利用移相和比较器等电路使其在交流电的过零点触发中断，该中断是∞蠡的起始点（后＝０），每２０ｍｓ重复一次，以保证产生的８个通道旋变信号与外部激

磁信号同步。

变压器

应用ＳＴＭ３２微控制器的ＰＷＭ产生多通道旋变信号的软件设计流程如图３所示。

２．３软件设计

设计上将ＳＴＭ３２Ｆ４０７作为嵌入式系统，利用其丰富的通信接口，接收外部给定的角度信息，然后通过ＭＣＵ及上述外围电路转换为轴角信号，系统软件设计

主要包括以下３个部分。４。：

（１）ＰＷＭ信号产生程序设计。

由于ＴＩＭｌ和ＴＩＭ８由ＡＰＢ２提供时钟，ＡＰＢ２时

钟的默认频率为１６８ＭＨｚ，为使ＴＩＭｌ和ＴＩＭ８均产生频率为２０ｋＨｚ的ＰＷＭ波，设置两个定时器输出ＰＷＭ波的占空比的取值范围为０～８４００，其中，占空比５０％，取值为４２００，对应正弦波的过零点，编程时，即按式（４）的值每５０¨ｓ改变一次ＰＷＭ波的占空比。

（２）表征激磁正弦信号和轴角正余弦值的函数表设计。

根据以上设计，ＰＷＭ信号输出必须按照５０¨ｓ的周期刷新，由式（４）可见，占空比取值Ｄ。和Ｄ。的计算需要进行正、余弦三角函数运算，运算工作量大而频

繁，影响微控制器ＳＴＭ３２Ｆ４０７芯片的执行效率。为

此，将相应的三角函数按照特定的离散点，离线计算出其值，并按数组存储为函数表格备查。由于ＣＯＳＯｇ＝ｓｉｎ（“＋９０。），所以，只制作正弦表即可。根据式（４），应制作两个正弦函数表，一个是针对激磁频率ｃｃ，后的正弦表；另一个是针对轴角０的正弦表。

针对激磁频率ｏ）ｋ的正弦表一个周期的点数由ＰＷＭ的频率和激磁频率决定，为２０ｋＨｚ／５０Ｈｚ＝４００个点。编程定义数组ＳＷ［４００］，并将离线计算的各点值，预置其中。

对于轴角０的正弦表，则按要求的实际角度分辨

３

图３软件设计流程图

实验验证

图４为按上述设计电路输出实测波形，该波形是角度按线性变化、任意一相正余弦旋变信号的波形。其中上面是调制波形，下面是是调制波中选中部分的放大波形。从图中可以看出，输出信号波形平滑稳定，没有明显畸变，波形频率稳定，输出信号波形达到了预

期目标。

（下转第９９页）

率确定其存储的数组大小，例如，按一个圆周角的１／６０００分度，则数组为６０００个点。编程定义数组ｓｓ

万方数据

基于ＷＬＡＮ的低温等离子体设备测控系统

９９

收到请求帧到发送响应帧之问的时问差而获得，其精度可达微秒；Ｚ值则同样通过ｇｅｔｔｉｍｅｏｆｄａｙ函数计算系统轮询一周的时问差而获得。

单个设备节点的ｆ。和ｔ：。测试结果如表２所示，该数据是通过１０００次测试求平均的结果。从结果可知：节点的轮询时间ｔ。主要受设备响应时间ｔ。的影响；请求帧和响应帧的传输时间（即ｔ。一ｔ。）稳定在９～１３ｍＳ。

表２设备节点的屯和ｔ。值测试

单位：ｍｓ

供了实际有效的案例。同时，基于该平台对ＷＬＡＮ应

用于工业测控系统的实时陛进行了研究和测试，结果

表明：对于实时性要求不高的系统，可以通过应用层的

带宽分配调度协议来保证系统的实时性能；而要根本性地解决ＷＬＡＮ实时性低的问题还需要从数据链路层以及ＴＣＰ／ＩＰ协议层进行研究和改进。

参考文献：

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［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００４．纠纠卅

曾鹏．工业无线技术的标准化与应用［Ｊ］．中国仪器仪表，

２００８（３）：４０—４４．

轮询周期Ｚ值测试结果为：１７０～１９０ｍｓ。由图５可知疋的理论值等于所有节点ｔ。值之和（１６２ｍｓ），而实际测试值比该值略大，这主要是由主控制器轮询程序和无线路由节点管理造成的时问开销。从测试结果看，基于ＴＤＭＡ的轮询协议一定程度上保证了系统的实时性能，使得ＷＬＡＮ可以应用于一些实时要求不高

的测控系统。４

１ｊ

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ＧａｍｂａＧ，ＳｅｎｏＬ，ＶｉｔｔｕｒｉＳ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｆｏｒｗｉｒｅ．１ｅｓｓｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎａｔｉｏｎａｌ

结束语

利用嵌入式ＷＬＡＮ技术对传统的低温等离子体

１ｊ

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ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／８”ＩＥＥＥ

Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

Ｉｎｔｅｒ．

Ｗｏｒｋｓｈｏｐ

ｏｎ

ＦａｃｔｏｒｙＳｙｓｔｅｍｓ．

系统进行智能无线网络扩展，提高了系统的运行效率

和安全性能，为ＷＬＡＮ技术在工业测控领域的应用提

２０１０：３—１２．

口

（上接第９５页）

经实际驱动ＳＳ－４０４自整角机试验，转换的角度误

差不超过１／６０００圆周角。满足对某伺服控制系统驱动的精度要求。

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４结束语

设计了一种基于ＳＴＭ３２系列微控制器可输出多路ＰＷＭ信号的特性的ＤＳＣ电路，模拟产生旋转变压器信号，采用Ｈ桥放大ＰＷＭ信号，实现了无需散热器的高效率ＤＳＣ功放，较之传统ＤＳＣ电路硬件结构得以简化。经过试验验证，模拟产生的旋转变压器信号波

形能够达到预期目标。参考文献：

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图４实测系统办理出的调制波波形

万方数据