一種基于ARM 單片機(jī)與CPLD的數(shù)字軸角轉(zhuǎn)換方法（一）

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為軸角粗精角度分離取整.占空比計(jì)算以及PWM 信號(hào)生成三部分.系統(tǒng)工作流程如圖3所示.

3.1 軸角粗精分離設(shè)粗精同步機(jī)系統(tǒng)表示的軸角為θ，根據(jù)粗精傳動(dòng)比例k將其分為精確同步機(jī)軸角度θ精和概略同步機(jī)軸角度θ粗，這一過(guò)程稱(chēng)為軸角粗精角度分離.實(shí)際中，概略同步機(jī)軸角度θ粗=θ，精同步機(jī)的軸角度計(jì)算公式為：

3.2 查表法計(jì)算占空比根據(jù)公式(1)，以正弦調(diào)制波為例，其輸出式子為：

URS = KRUmsinωtsinθ，PWM 波形頻率為f1 =20kHz,DSC角度更新速率為f2 =50Hz,因此在每個(gè)調(diào)制波周期內(nèi)有N1 =f1/f2=400個(gè)PWM信號(hào).CPLD采用時(shí)鐘計(jì)數(shù).CPLD采用時(shí)鐘計(jì)數(shù)方法產(chǎn)生不同占空比的PWM 信號(hào)，由于CPLD的時(shí)鐘頻率為f3 =32.768 MHz,因此產(chǎn)生20kHz的PWM 信號(hào)時(shí)，最大計(jì)數(shù)值為N2 =f3/f1=1638,以中間數(shù)值為零值點(diǎn)，即為Z0 =819.

為了減小計(jì)算量及加快反應(yīng)速度，需建立sinωt 值對(duì)應(yīng)占空比的表格，表中

間正整數(shù).同時(shí)，將sinθ值存于另一表，表中

間正整數(shù)，表示0~6000mil間的正弦值對(duì)應(yīng)的占空比值，在粗精分離后，將粗精角度取整后即可通過(guò)查此表得到對(duì)應(yīng)θ的正弦值.

由以上兩表值，可得調(diào)制波URS的對(duì)應(yīng)占空比計(jì)算公式為;

3.3 PWM 信號(hào)生成

STM32F4單片機(jī)通過(guò)總線(xiàn)方式向CPLD發(fā)送占空比及選通通道信息，其總線(xiàn)寫(xiě)操作時(shí)序如圖4所示.

根據(jù)寫(xiě)時(shí)序，在整個(gè)寫(xiě)時(shí)序中，地址信號(hào)常有效，數(shù)據(jù)信號(hào)出現(xiàn)在R/W#信號(hào)拉低后，因此可用此信號(hào)作為CPLD程序中時(shí)鐘計(jì)數(shù)開(kāi)始標(biāo)志位，通過(guò)對(duì)地址譯碼，進(jìn)行通道選擇.

在QuartusⅡ中利用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)CPLD程序，在R/W#的下降沿讀取地址，在R/W#的上升沿讀取數(shù)據(jù)，而后進(jìn)行時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)以得到對(duì)應(yīng)占空 比的PWM 信號(hào).程序仿真結(jié)果如圖5所示，由圖中可以看出，對(duì)應(yīng)不同地址和占空比，不同通道輸出相應(yīng)的PWM 信號(hào) .

4 誤差分析及測(cè)試

4.1 響應(yīng)實(shí)時(shí)性分析

PWM 信號(hào)頻率為20kHz,步長(zhǎng)為50μs,因此，系統(tǒng)響應(yīng)總時(shí)延必須遠(yuǎn)小于50μs.系統(tǒng)總時(shí)延主要包括三個(gè)部分：

MCU內(nèi)部運(yùn)算時(shí)延.總線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延以及CPLD邏輯電路產(chǎn)生PWM 信號(hào)時(shí)延.全橋電路中MOS管開(kāi)斷時(shí)延非常小，基本可忽略，此處不予考慮.

圖6 (a)為STM32F4做20萬(wàn)次乘法運(yùn)算所用時(shí)間，經(jīng)測(cè)算時(shí)間大約為20ms,每次運(yùn)算時(shí)間約為0.1μs;圖6 (b)為STM32總線(xiàn)操作時(shí)間，經(jīng)測(cè)算時(shí)間大約為250ns.二者總時(shí)間延遲約為350ns左右.本著減小時(shí)延的原則，CPLD型號(hào) EPM7512AETC144-7,綜合時(shí)延為7ns左右.由上所述，總時(shí)延不會(huì)超過(guò)400ns,相較于50μs基本可忽略，故可滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，可 準(zhǔn)確反應(yīng)實(shí)時(shí)軸角信息.

4.2 動(dòng)態(tài)精度分析

DSC軸角度以50Hz的速率更新數(shù)據(jù)，與其相連的隨動(dòng)系統(tǒng)或同步機(jī)具有慣性平滑作用，可將步進(jìn)階梯平滑濾除，但是會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差，它與角度的變化率有關(guān)，可通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)量，計(jì)算角度變化率的方法以軟件方式補(bǔ)償.

設(shè)ti時(shí)刻考慮動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)腄SC輸出角度為θ′i ,ti+1時(shí)刻不考慮動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)腄SC輸出角度為θi+1 ,則角度變化率ωi為：

則考慮動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后ti+1時(shí)刻應(yīng)向DSC輸出的角度為：

4.3 測(cè)試結(jié)果

圖8為實(shí)測(cè)輸出調(diào)制波結(jié)果，從圖中可以看出，輸出信號(hào)波形較好，頻率穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性較好，動(dòng)態(tài)精度良好，滿(mǎn)足使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè) 計(jì)了一種以ARM Cortex-M4內(nèi)核的新型STM32F4微控制器和可編程邏輯器件CPLD為核心的數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換系統(tǒng).利用PWM 信號(hào)控制全橋橋電路提供大功率輸出，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)同步機(jī)指向?qū)?yīng)軸角.經(jīng)高炮系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，效率高，改進(jìn)了原系統(tǒng)功耗較高.發(fā)熱量大的缺 點(diǎn)，且具有較高精度及效費(fèi)比，實(shí)測(cè)靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差小于0.5密位(20:1粗精組合)，達(dá)到實(shí)際要求，為其它數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供了一種新的方法，具 有一定推廣價(jià)值.