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基于STM32的多通道PWM旋变信号发生器

发布时间:2024-11-07   来源:未知    
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基于STM32的多通道PWM旋变信号发生器

93

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)

rotary

transformeris

common

sensor

elementintheautomaticcontrolsystem.it’Smainly

usedforanglemeasurementandtransmission.andiSwidelyappliedintheindustrialanddefonsefields.Ac—cording

to

thecharacteristicthatSTM32seriesmicroprocessor

digitalsignal

can

generatemulti—channelpulse—wid山modula—

on

tion(PWM)signal,oneconverter(DSC)circuitisdesigned,whichisbased

structure

PWMandused

to

simulateandgeneraterotarytransfornlersignal.andthehardwareiSsimplethantraditionalDSCcircuit.

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

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:

PWM波与其逆变正弦波的对应关系图

×.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)

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。

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

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

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

王启超.无线局域网在工业控制中的应用和研究[D].广州:华南理工大学,2011.

王家乐,程健,刘怡,等.基于CAN总线的低温等离子体设备系统[J].仪表技术与传感器,2012(1):49—52.

列1J弗尔曼,扎什京.低温等离子体——等离子体的产生、工

艺、问题及前景[M].邱励俭,译.北京:科学出版社,

2011.

叫杨水清,张剑,施云飞.ARM嵌入式Linux系统开发技术详解[M].北京:电子工业出版社,2008.

任哲.嵌入式实时操作系统p。C/OS-.II原理及应用[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社,2009.

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

"引

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.

(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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渊骥篾

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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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二。

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图4实测系统办理出的调制波波形

万方数据

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