《电机数字控制系统集成设计》系列讲座（十五） 第7章基于FPGA架构交流电机数字控制系统集成设计

本节介绍一种低成本、高集成度的全数字轴角变换系统。使用△∑调制技术构建了频率、幅值连续可调的激磁信号发生器,对采样点进行优化控制及滤波处理。使用CORDIC算法进行鉴相,通过PI调节器实现快速闭环跟踪,实现了一种基于FPGA的全数字闭环角度解算算法。     

全数字轴角变换器系统设计

本文介绍了旋转变压器的工作原理,提出一种全数字轴角变换器的系统设计方法,采用过采样和频移技术,基于锁相环的同步旋转参考系,设计了一种精确快速的轴角变换器。利用Matlab/Simulink对所设计的轴角变换系统进行了仿真分析,仿真结果验证了系统设计的正确性。     

一种高精度全数字跟踪型轴角-数字转换系统

应用自整角机/旋转变压器信号到数字量的转换(S/R-D转换)原理,依据变换系统性能要求,构建了Ⅱ型控制系统模型,研究了数据采集算法和变换算法,设计完成系统的软、硬件,研制出了基于DSP和∑-△型ADC的高精度全数字跟踪型轴角-数字转换系统.     

全数字角度解算芯片误差分析及优化设计

为了研究高性能磁编码器角度解算芯片优化设计的相关问题,建立了采用数字坐标旋转机(CORDIC:)算法和数字Ⅱ型系统实现的全数字跟踪型角度解算芯片的误差模型,在此基础上推导出CORDIC数字算法和Ⅱ型系统的误差表达式,然后根据此表达式对芯片内部的运算字长进行优化,最后采用 Verilog HDL 硬件描述语言建立了全数字角度解算芯片的验证系统.仿真和实验结果验证了芯片误差模型的正确性以及优化设计的可行性,当采用12Bits的A/D转换器时,其解算精度可以达到±0.042°.     

全数字转差轴角变换器

针对双转子电机在实现精确矢量控制时需要其内外转子的相对转速/相对转角信息的问题,提出一种基于旋转变压器测量双转子电机内外转子的相对转速/转角的方法。首先,基于坐标变换对旋转变压器的全数字轴角变换算法进行改进,设计一种全数字转差轴角变换算法,使改进后的算法可对相对转速/相对转角进行精确闭环跟踪,而且轴角变换算法的复杂度较直接求差获得相对转速/转角可以减少一半,使其易于实现。其次,通过仿真分析验证全数字转差轴角变换算法的正确性,并基于TMS320F2812设计相对转速/转角测量系统,进行相关的硬件设计和软件设计。最后,通过实验验证了所设计系统的可行性。     

《电机数字控制系统集成设计》系列讲座（十三） 第6章 基于MCU架构交流电机数字控制系统集成设计

本节介绍基于Infineon 32位嵌入式微处理器XMC4500在全数字轴角变换（RDC）系统中的应用。重点分析基于ΔΣ调制原理的旋转变压器数字转换实现方法,完成基于XMC4500的低成本、高性能全数字轴角变换电路设计。     

数字RDC在PMSM控制系统中的应用

为构造结构简单、成本低廉、可靠性高的全数字化永磁同步电动机(PMSM)驱动控制系统,提出了一种具有隆伯格(Luenberger)观测器结构的数字轴角变换算法.利用Matlab/Simulink进行软件仿真,并据此搭建了基于数字RDC的PMSM矢量控制平台.仿真和实验结果表明,这种算法抗干扰能力强,能够实现精度较高的电机转子磁极位置检测,改善了伺服控制系统的运行性能.     

一种高精度、多通道的角度位置指示器

提出了一种新型角度位置指示器的设计与实现.该指示器应用数字式RDC解算原理,研究解决了角度数据处理及解算算法,完成了硬件电路结构设计、软件功能及界面设计.该仪器具有多通道输入,可编程设置组合速比、角度实时显示及保存等功能.经测试表明:单通道最大误差<24",双通道最大误差<1.5",可广泛应用于高精度轴角变换控制系统的...     

机械臂角度传感器的电路设计与信号处理

针对月面采样机械臂中的角度传感器——旋转变压器,设计了数字解码电路。为解决电路中数字解码芯片AU6802N1的不足,提出一种可直接给出当前位置相对参考位置的角度解算方法。详细介绍了数字解码电路和角度解算方法的实现过程。通过机械臂腕关节的角度检测试验,验证了电路设计的合理性及角度转换方法的可行性。     

过采样提高单对磁极编码器分辨率

采用标定查表处理方式能提高单对磁极编码器的分辨率。但从处理原理上可以看出:分辨率取决于电路中采用的ADC位数和原始信号的信噪比。要实现高分辨率的角度输出,只能采用高分辨率的ADC和提高电路设计质量。在信号处理上,摒弃了传统的模拟差分而采用数字差分,在效果上相当于增加了1位ADC的有效位数。在模拟信号采样上采用过采样方法,以4倍奈奎斯特频率进行采样,信号SNR增加6 dB,在效果上相当于增加了1位ADC有效位数。实验中用10位的ADC实现了分辨率为12.5位的绝对式角度输出。     

625 MS/s、12 bit双通道时间交织ADC的设计研究

基于40 nm CMOS工艺,设计了一款625 MS/s、12 bit双通道时间交织模数转换器(ADC)。单通道ADC采用了前端无采保模块的流水线架构以降低系统功耗。系统采用了宽带高线性度前级驱动电路以及高速高精度栅压自举开关以保证交织系统的有效输入带宽。一种基于辅助通道的后台校正算法被用于校正通道间采样时间失配,该后台校正方法可适用于完全随机输入信号。芯片核心面积为0.69 mm~2。后仿真结果表明,该625 MS/s、12 bit时间交织ADC在全速率下进行奈奎斯特采样,系统无杂散动态范围(SFDR)为67 dB,信号-失真噪声比(SNDR)为58.5 dB,功耗为295 mW,满足设计指标,证明了设计的有效性。     

直流漏电检测中的数字锁相放大技术

在介绍直流系统漏电检测原理的基础上，提出一种全新的微弱信号检测法。该方法采用DSP（数字信号处理器）和采样ADC（模数转换器）实现数字锁相放大器。在整数个周期内对被测信号进行采样得到信号序列，由数学运算得到参考序列，通过计算信号序列和参考序列的互相关函数就可实现数字相敏检测，同时还对数字相敏检测的频率特性进行了分析，给出了实际设计的数字锁相放大器。     

陀螺测斜仪井下数据采集与传输系统

本文介绍了基于DSP技术的陀螺测斜仪井下数据采集与传输系统,采用CAN总线与前端陀螺电路通讯,完成对陀螺数据的接收与控制。DSP内部的ADC模块用来转换加速度计模拟信号及其它电压、电流监控信号,采样精度为12b。软件实现曼彻斯特码的编码/解码,数据通过单芯电缆发送到地面仪器,经计算机解算可得出井眼的精确位置信息。系统软硬件设计相对简单,经测试表明该方案的可行性,满足系统要求,且具有一定的通用性。     

基于DSADC的旋变位置解码系统设计与研究

传统电机旋变位置检测需专用解码芯片对信号解码,得到电机转子位置,或利用DSP产生激励信号,并设计相应调理电路,对返回信号调制滤波,得到包含转子位置信息的正余弦信号,再由DSP采样计算转子位置。DSADC (Δ-Σ模数转换)外设模块含有高频激励产生以及对高频信号采样、调制、滤波、积分等硬件功能,可在芯片内部实现旋变信号解码。分析了旋变的基本工作原理,利用TC275 DSADC产生旋变激励信号,并对旋变返回信号进行调制滤波,通过角度辨识算法解算出转子位置信号,并以旋变解码芯片解码结果为基准,对旋变解码系统功能进行验证,实验结果证明了该系统的正确性和实用性,避免了专用解码芯片的使用,可减少开发成本。     

风力发电厂发电频率实时监测系统

设计了一种软硬件结合的频率实时监测系统。系统主要由信号调节、抗混叠低通滤波、模数转换(ADC)接口、电压比较、ADC、信号处理、ARM管理模块等组成。首先通过变压器、互感器、信号调理电路将220 V交流电转换成5 V内的单极性同频率正弦波和方波。用数字信号处理器(DSP)的脉冲捕获单元测量方波周期进而得到信号频率。将方波锁相倍频后作为高速ADC的采样频率。ADC采集变换后的正弦波,将采样数据用并行口输入DSP进行傅里叶变换,分析出频率特征和谐波。在完成Multisim仿真和实物平台搭建调试后,测量结果的精度、测量速度满足设计要求。     

流水线模数转换器设计

设计了一款14位、125MS/s流水线模数转换器(ADC)。通过前端采样/保持电路(SHA)消除对输入信号采样的孔径误差,采用4位结构的首级转换电路提高ADC线性性能,设计了带输入缓冲的栅压自举开关以缓解首级转换电路输入采样开关中自举电容对SHA的负载效应,流水线ADC级间通过逐级按比例缩减策略使功耗得到节省。该设计采用0.18μm 1P5MCMOS工艺,ADC版图面积2.3 mm×1.4 mm。Spectre后仿真结果显示,采样频率125 MHz、输入信号在接近Nyquist频率(61MHz)处时信号噪声畸变比(SNDR)和无杂散动态范围(SFDR)可分别达到75.7 dB和85.9 dB。在1.8V电源电压下,ADC核心部分功耗为263 mW。     

基于FPGA的GHz宽带中频数字采集系统的设计

针对大带宽复杂电磁信号的测试分析,介绍了一种基于FPGA的GHz带宽中频数字采集系统的设计,论述了系统的硬件总体设计和信号处理算法设计方案。采集系统ADC以1.6GHz采样率对中频信号进行采样,然后通过FPGA进行数字信号处理,通过对传统多相滤波算法的改进,设计了FPGA的高速大带宽信号的数字滤波方案,并采用多路并行处理的方法设计了高速数字正交混频算法,实现了最大为640 MHz的分析带宽和带内多路信号分析的功能。     

基于龙伯格观测器的RDC磁极位置检测方法

介绍一种用于永磁同步电机控制的转子磁极位置检测方法,提出了一种应用软件算法实现的全数字的RDC(轴角变换器)。将传统的RDC重构为龙伯格(Luenberger)观测器的形式,应用这种重构软件算法实现的RDC具有高精度、较小的相位滞后、高可靠性和稳定性的特点。并利用Visual Model Q软件实现了整个系统的仿真,仿真结果验证基于龙伯格观测器的RDC磁极位置检测算法的正确性。     

超低频信号测量中ADC系统的设计与实现

本文分析了超低频交流信号的测量方法,设计了一种基于采样计算方式的ADC采集系统,设计了ADC采样电路及单端转差分驱动电路,分析了ADC量化误差对交流信号测量准确度的影响,提出了交流信号有效值测量准确度与ADC分辨率位数和采样点数的定量关系式。对所设计并实现的ADC采集系统进行了测试,测试数据经线性修正后的相对误差小于等于0.0011%,满足设计目标要求。     

500 MS / s 12 位流水线 ADC 的设计研究

在超高速高精度模数转换器(ADC)设计中,低压运算放大器及其数字辅助校准算法至关重要。基于40 nm CMOS工艺、工作电压1.1 V,设计了一款500 MS/s、12位流水线ADC。系统采用前端无采保结构及低压级间运算放大器以降低系统功耗。本文提出了一种基于数字检测的算法校准级间增益和电容失配误差,使用较小的面积和功耗有效提高了ADC的整体性能。本数字校准方案将ADC的差分非线性(DNL)和积分非线性(INL)从2.4 LSB和5.9 LSB降低为1.7 LSB和0.8 LSB。对于74.83 MHz的正弦信号,校准技术分别实现了63.14 dB的信号-失真噪声比(SNDR)和75.14 dB的无杂散动态范围(SFDR),功耗为123 mW,满足设计指标,证明了带有数字校正的低压流水线ADC设计的有效性。