电器转正总结范文

电器转正总结篇1

关键词：联锁；正反转

三相异步电动机全压启动时，电动机定子绕组直接接入额定电压的电网上，这是一种简单的启动方法，不需要复杂的启动设备，但是全压启动的起动电流大，对电网电压和电动机本身会带来不利影响，因此，全压启动只在小容量电动机中使用。

一、接触器无互锁正反转控制线路

生产机械往往要求运动部件能实现正反两个方向的运动，这要求电动机能做正反向旋转。对于5.5KW以上的电动机，我们可通过接触器来控制电动机的运转。

1. 主电路换相：通过KM1、KM2主触头实现

KM1主触头闭合，电动机正转

KM2主触头闭合，电动机反转

2. 控制电路：

按下SB1KM1线圈得电KM1自锁触头闭合自锁电动机M启动连续正转运转

按下SB2KM2线圈得电KM2自锁触头闭合自锁电动机M启动连续反转运转

3.强调特别注意：KM1和KM2线圈不能同时通电，否则造成三相电源短路

生产实际中没有这样的正反转电路，那么如何解决这个电路的缺点呢？

如何在按下SB1时，KM1通电，KM2不能通电？可以将接触器KM1的动断辅助触点串入KM2的线圈回路中。同理也可以将接触器KM2的动断辅助触点串入KM1的线圈回路。

二、接触器互锁正反转控制线路

1.联锁定义：利用接触器动断辅助触点串联在另一个接触器电路中，使其不能得电动作，这种控制方式称为接触器互锁。

2.工作原理 先合上电源开关QS。

⑴正转控制：

按下SB1KM1线圈得电KM1自锁触头闭合自锁电动机M启动连续正转运转

┖KM1主触头闭合───┚

┖KM1联锁触头分断对KM2联锁

⑵反转控制：

先按下SB3KM1线圈失电KM1动合辅助触头断开┒

┖KM1主触头断开── 电动机M停转。

┖KM1联锁触头恢复闭合，解除KM2联锁

再按下SB2KM2线圈得电KM2自锁触头闭合自锁电动机M启动连续反转运转

┖KM2主触头闭合────┚

┖KM2联锁触头分断对KM1联锁

3.总结线路特点：

电动机从正转变为反转时，必须先按下停止按钮后，才能按反转启动按钮，否则由于接触器的联锁作用，不能实现反转控制。

4、分析寻求解决方法：

接触器联锁正反转控制线路虽然工作安全可靠但操作非常不方便，那么能不能想一种方法解决这个缺点呢？

如果把KM2和KM1常闭触点换成SB1、和SB2复合按钮的常闭触点，如何？（由接触器联锁正反转控制线路的缺点引出按钮联锁正反转控制线路。

三、按钮互锁正反转控制线路

1、工作原理

这个电路是把上个电路中的KM2和KM1动断触点换成SB1、和SB2复合按钮的动断触点。

⑴正转控制：

按下SB1KM1线圈得电KM1自锁触头闭合自锁电动机M启动连续正转运转

┖KM1主触头闭合───┚

┖SB1动断触头断开

⑵反转控制：

按下SB2KM2线圈得电KM2自锁触头闭合自锁电动机M启动连续反转运转

┖KM2主触头闭合────┚

┖SB2动断触头断开

2、总结线路特点：

若使电动机从正转运行变为反转运行时，只要直接按下SB2即可。若使电动机从反转运行变为正转运行时，也只要直接按下SB1即可。得出结论：操作方便

此电路当KM1主触头熔焊或杂物卡住等故障时，即使KM1线圈失电，主触头也分断不开，这时，若按下SB2，KM2得电，主触点闭合，必然造成电源两相短路故障。得出结论：容易产生电源两相短路

3、分析寻求解决办法：

以上两种电路各有其优缺点，，我们做任何事都希望尽量完美，当然设计电路也不例外。能否根据前面两种电路设计一个没有缺点相对完善的电路来实现正反转。把上述两种联锁控制线路看嫩那个否结合在一起在一起？由此引出按钮接触器双重联锁正反转控制线路。

四、按钮接触器双重互锁正反转控制线路

1.工作原理

⑴正转控制：

按下SB1KM1线圈得电KM1自锁触头闭合自锁电动机M启动连续正转运转

┖KM1主触头闭合───┚

┖SB1动断触头断开切断反转控制线路

┖KM1动断触头断开切断反转控制线路

⑵反转控制：

按下SB2KM2线圈得电KM2自锁触头闭合自锁电动机M启动连续反转运转

┖KM2主触头闭合────┚

┖SB2动断触头断开切断反转控制线路

┖KM2动断触头断开切断反转控制线路

2、总结线路特点：

为了避免正转和反转两个接触器同时动作造成相间短路，在两个接触器线圈所在的控制电路上加了电气联锁。即将正转接触器KM1的动断辅助触头与反转接触器KM2的线圈串联；又将反转接触器KM2的动断辅助触头与正转接触器KM1的线圈串联。这样，两个接触器互相制约，使得任何情况下不会出现两个线圈同时得电的状况，起到保护作用。

复合启动按钮SB1，SB2具有机械互锁作用。SB1的动断触头串接在KM2线圈的供电线路上，SB2的动断触头串接在KM1线圈的供电线路上，这种互锁关系能保证一个接触器断电释放后，另一个接触器才能通电动作，从而避免因操作失误造成电源相间短路。按钮和接触器的复合互锁使电路更安全可靠。■

参考文献

1、 王正茂、阎治安、崔新艺、苏少平 电机学 西安：西安交通大学出版社 2000年9月

2、 吴丽 电气控制与PLC应用技术 北京：兵器工业出版社 2001年8月

电器转正总结篇2

1　概述

LM12H458是高集成度的数据采集系统DAS芯片，它将采样保持、A／D转换集成在一块芯片内，从而大大减少了电路的设计。其8路模拟信号输入既可作为单端输入，又可两两组成差分输入。器件内部提供的一个2．5V参考电压、8×48bit指令RAM和32×16bit的FIFO大大减小了微处理器的负担。LM12H458的工作电压为3～5．5V，功耗小于34mW，待命模式下的功耗只有50μW。此外，LM12H458还有如下主要性能：

有三种工作模式：分别为带符号的13位模式、带符号的9位模式和看门狗模式；

有8个模拟信号输入通道，模拟信号可单端输入，也可差分输入；

内置采样保持和2．5V参考电压；

内含32×16bit的FIFO；

采样时间和转换速率可编程；

具有自校准和诊断模式；

带有8位或16位数据总线。

2 引脚功能和功能说明

LM12H458的引脚功能如表1所列。图1为其内部功能框图。LM12H458是一个多功能数据采集系统，其内部的电荷重分配ADC采用电容梯形网络代替普通的电阻梯形网络，并使用逐步逼近寄存器的DAC使VREF－和VREF＋之间产生一个中间电压，该电压与输入的采样电压相比较可产生数字输出的每一位，中间电压的个数和比较的次数对应于ADC的分辨率，通过校准ADC中的电容网络可校准数字输出的每一位精度。LM12H458有两种不同的校准模式：一种是补偿偏移电压或零误差，在该模式下只测量一次偏移误差，并依此建立修正系数；另一种为修正偏移误差和ADC线性误差，称为全校准。将该模式下的偏移误差测量八次，并取平均值即可建立修正系数。上述两种模式的修正系数被存贮在内部的偏移修正寄存器中。LM12H458的线性修正是通过修正内部DAC的失配电容获得的，在LM12H458内部ROM中存有校准算法，可对每一个电容校准8次并取平均值，从而产生线性修正系数。一旦校准后，内部算术逻辑单元（ALU）即可使用偏移误差修正系数和线性修正系数来修正每一次的转换结果。看门狗模式用于监控单端输入或差分输入信号的幅值。每个采样信号都有上下两个门限，输入信号高于或低于某一门限值都会产生中断。

表1 LM12H458的脚符号及功能

引脚号符 号功 能1，12VA+，VD+模拟电源和数字电源2～11，13～18D0～D15双向数据总线，总线宽度由BW决定。BW=1，总线宽度为8bit，BW=0，总线宽度16bit19RD读信号输入20WR写信号输入21CS片选输入22WR地址锁存，用于总线复用的系统中23ALE外部时钟输入，频率范围为0.05MHz～10MHz24～28A0～A4地址线29SYNC同步输入/输出，当配置寄存器的“I/O选择”位清零时，SYNC为输入；而当“I/O选择”位置为1时，SYNC为输出。30BW总线宽度设定位，BW=1时，总线宽度为8bit，BW=0时，总线宽度为16bit31INT中断输出，低电平有效32DMARQDMA请求输出，高电平有效33GND接地34～41IN0～IN7模拟信号输入通道42VREF-负参考电压输入，电压范围为0～VREF-43VREF+正参考电压输入，电压范围0～VA+44VREFOUT内部2.5V参考电压输出LM12H458是一个多功能数据采集系统，内部有28个16bit的寄存器，各个寄存器的功能如下：

配置寄存器是DAS的控制中心，可用于控制序列器的启动和停止、复位RAM指针和标志、设置待命状态、校准偏移和线性误差、选择RAM区等。

指令RAM分为三个区：指令区、门限1区、门限2区。每一条指令（48bit＝3X16bit）分散在三个16比特字宽的RAM区中，三个区的选择可由配置寄存器2bit的RAM指针来控制。指令区可设置通道的选择、工作模式、采样时间和循环位。其它两个区用于设置上下门限值。DAS可从指令0连续执行所有设置的指令，执行的最后一条指令的循环位为1时，再返回到指令0。指令执行期间，微处理器不能访问指令RAM，只有处理器终止指令循环后才可访问。

FIFO为只读寄存器，可用于存储转换结果。

中断使能寄存器可使用户激活8个中断源，该寄存器的高字节与中断1、2有关。

图2 LM12H458与80C51的接口电路

中断状态寄存器和门限状态寄存器用于指示DAS中断源和输入信号是否超过上门限或下门限。

定时寄存器用于设置指令执行前的等待时间。而指令寄存器的bit9可使能或禁止插入等待时间。

LM12H458有8个中断源，各中断具有同等的优先级别，中断使能寄存器可使能或禁止相应的中断，当发生中断时，中断状态寄存器相应的位置1。各个中断对应的功能如下：

INT0：模拟输入信号在规定的门限值以外产生中断。

INT1：序列发生器执行到某条指令时，该指令地址等于中断使能寄存器中bit8～bit10设定的值时，产生中断。

INT2：A／D转换的结果保存在FIFO，当FIFO中转换结果的个数等于中断使能寄存器比特11～15中设定的值时，产生中断。

INT3：完成单次采样自动校准后产生中断。

INT4：完成一次完整的自校准后产生中断。

INT5：执行时，指令暂停位为1时产生中断。

INT6：电源指示中断，当芯片供电电压小于4V时，产生中断。

INT7：在从等待模式返回10ms后产生中断。

图3 编程流程图

3　应用

3．1 硬件电路设计

LM12H458灵活的总线接口简化了与多种微处理器的接口，它既可与8位处理器相连，又可方便地与16位微处理器相连。图2为AT89C51与DAS的接口电路图。该电路采用全地址译码方式来产生DAS的片选信号CS，其DAS映射的地址空间为0000－001F，数据总线宽度为8bit。图中的74HC373用于锁存低8位地址，而8bit幅度比较器则可用来对高8位地址进行译码，通过比较地址与地址范围所选择的输入逻辑可产生U5（74HC138）的选通信号，74HC138的Y0可作为DAS的片选信号。DAS的INT端口用于驱动AT80C51的中断INT0，同时它还允许DAS请求中断服务。

3．2 软件编程

LM12H458虽然应用灵活、广泛，但基本的工作流程不变，图3为其典型的编程流程。在处理器初始化后，应向DAS写入合适的指令以初始化DAS，以便设置采样时间、工作模式、通道选择等。完成一次全校准需要4944个时钟周期，若设置中断使能，校准后应产生中断以

通知微处理器。全校准会影响DAS的内部标志和指针，从而影响指令的执行。因此校准后必须复位。将配置寄存器的bit0设置为1可启动序列器。流程图中的p表示用户定义的不同工作模式。图3（a）为DAS的初始化和序列器的启动流程，图3（b）为中断服务例程。当进入中断服务后，配置寄存器的bit0应清零以停止A／D转换，然后处理中断事务。4　结论

电器转正总结篇3

关键词:DSP;TMS320LF2407A;CAN;ADS7864;节点

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)24-6828-02

CAN(Controller Area Network)即控制器局域网, 是一种多主方式的串行数控通信总线, 具有实时性、高可靠性和灵活性等优点, 现已广泛应用到汽车工业、航空工业、工业控制、自动控制、智能大厦、电力系统、安全防护等各个自动化控制领域,成为国际上应用最广泛的现场总线之一。

数字信号处理器(DSP) 是一种运算速度快、数值处理能力强的微型处理器,目前已经在通讯、图像处理、工业控制等领域得到广泛应用,CAN总线是一种通信速率高、抗干扰能力强、使用成本低的现场总线,已广泛应用于控制系统中的检测和执行机构之间的数据通信。他特别适用于系统分布比较分散、实时性要求高、现场环境干扰大的场合。

该文将TMS320L F2407A芯片和CAN总线等技术应用于系统的数据采集中,基于对转换时间和转换精度的考虑,本系统还采用了ADS7864 作为模数转换芯片。ADS7864是TI公司推出的专为高速同步数据采集系统设计的高速6通道同步采样、12位的模/ 数转换芯片。将ADS7864与TMS320L F2407A DSP 芯片构成数据采集部分,是一个较好的数据采集方案。该系统可以快捷地实现对生产过程中的电压、电流、功率、功率因数和频率等重要的参数进行实时检测、处理和传输。

1 DSP技术在通信工程上的应用

DSP技术已勇于信息技术领域,尤其在通信领域获得广泛应用。在通信与网络设备方面产品有呼叫处理系统、语音信箱系统、音频/语音处理系统、高速调制/解调器、卫星调制解调器、远程访问服务器、分享式调制解调器、多信道调制解调器、综合业务数字网、远程访问集线器、网络计算机系统、语音识别与合成系统等。

目前DSP技术正朝着进一步提高速度、降低功耗及缩小体积等方面发展。DSP器件已能在3.3V工作电压下达到执行一条指令只需几十纳秒的运行速度。这种高速工作的低功耗DSP特别适用于数字式便携电话。目前一般的处理能力为100MIPS,而内含有多个DSP的多处理型和采用VLIW结构的DSP, 其处理能力已达到1600MIPS。这可使Internet上的用户将原需10分钟下载的文件缩短为不到5秒种。

当前DSP市场有从廉价型到超高性能各类品种, 引人注目的是这些产品均以通信和多媒体应用为中心。美国德州仪器公司提出“DSP解决方案”。其含义是不仅提供分立的DSP产品也提供综合解决方案, 包括不可缺少的混合信号存储器、ASIC乃至系统软件。其背景在于支撑数字联网多媒体。

随着计算机技术、通信技术和电子技术的迅猛发展,工业生产自动化程度也日益提高,通过现场总线技术和数字信号处理技术的应用提高了系统的可靠性和可维护性。基于DSP的CAN总线通信系统在工业生产控制中起着越来越重要的作用。

2 系统硬件电路设计

2.1 TMS320L F2407A 的主要特点

美国德州仪器公司生产的TMS320LF2407A芯片将实时信号处理能力和控制器外设功能集于一身,特别适合于工业控制应用。内核采用哈佛结构,运算速度块,最高可达40MIPS的执行速度。具有丰富的通用输入/ 输出引脚。该芯片供电电压为3.3V,降低了控制器的功耗;还提供了符合CAN2.0B规范要求的CAN通信模块;一个16位的同步串行接口和串行通信接口模块;具有低成本、低功耗、高速运算能力和高性能处理能力等优点,因此该DSP芯片可以满足此系统要求。

2.2 最小系统节点设计

TMS320LF2407A的CAN控制器模块是一个完全的CAN控制器,该控制器是TMS320LF2407A的一个16位外设模块,它完全符合CAN总线的CAN210B技术规范,只需要一个CAN 驱动芯片PCA82C250,就可以很容易地使DSP芯片接入CAN总线。

图为n(最大为110)个节点控制器在CAN总线上的连接情况,构成了CAN 总线控制的局域网,如图1所示。

PCA82C50是CAN协议控制器和物理总线间的接口,它是Philip s Semiconductors公司专门为汽车中高速通讯(高达1Mbps)应用而设计的。此器件对总线提供差动发送能力,对CAN控制器提供差动接收能力,实际上担负着节点逻辑电平和CAN总线差动电平之间的电平转换任务。

在本设计方案中采用了CAN总线技术。该总线技术具有独特的机制,其主要有以下几个优点:网络节点不分主动主从;采用非破坏总线仲裁,支持竞争;传输距离远,通信速度较高,组网灵活;其报文采用短帧结构,传输时间短,受干扰小,具有自己的协议等,所以现场总线CAN 以其自身的优点有效支持分布式控制系统或成为实时控制的串行通信网络。考虑到CAN总线数据传输的高速率和抗干扰性,CAN通信方案做了如下几方面设计:DSP的CANRX和CAN TX先通过74LVC04A进行3.3V与5V的电平匹配,然后再通过高速光隔TL P113与TJA1050连接,实现了总线的电气隔离;采用了TJA1050作为驱动器代替以往的PC82C250,TJA1050的优点是完全符合ISO11898标准;高速率最高达1Mbit/s;电磁抗干扰性能好;不上电的节点不会对总线造成扰动;输出驱动器受到温度保护;至少可以连接110个节点。数字电源VCC和GND是用小功率隔离模块DC/DC进行一次隔离后得到的,增加了通信的抗干扰能力。CAN通信接口电路如图2所示。

2.3 采集模块电路设计

该部分电路采用ADS7864作为A/ D转换芯片,ADS7864是一种高速、低功耗、六通道、同时采样保证无失码的双12位A/D转换器,主要应用于电机控制、三相电源控制等领域。信号调理部分采用互感器对电网信号进行隔离变化,所选用的是电流型互感器,既可测电压也可测电流,输入/输出额定电流6mA/6mA,再采用普通运算放大器LM324构成电流电压转换器,运放工作在放大状态,输出-5～+ 5V信号。从调理部分得到的双极性模拟信号经过运算放大器OPA340组成的转换电路变成0～5V的输入信号,接入ADS7864的+IN和-IN端子,如图3所示。

ADS7864使用独立的8MHz有源时钟,由5V电源供电。TMS320LF2407A供电电压是3.3V,而ADS7864供电电压是5V,所以二者接口需电平转换,ADS7864的16位数据线经过SN74LVTH16245A电压转换芯片再与DSP相连,片选信号CS和读信号RD分别由2407A的外部I/O空间选通信号Is和读信号RD经电平匹配模块引入,它的A/D转换结束标志信号BUSY同样须经电平匹配模块引到2407A的XINT1。ADS7864同时采到6路输入信号并将它们保存在保持寄存器,然后顺序启动转换,将转换的结果分别存放在6个寄存器中,转换完后发出BUSY中断信号,DSP响应中断,顺序读出转换结果,然后再进行下一次采样、转换。

3 系统软件设计

CAN通信模块的主程序流程图如图4所示,它有多个控制对象,如电传感器器的控制、开关控制等。 它通过CAN总线发出各种控制指令和数据,总线上的其他节点按照预先的编程获取自己相应的信息。同时其主程序控制中所需的各种变量参数也主要是通过CAN总线来获取。

TMS320LF2407A的CAN控制器模块在有效工作前必须进行初始化。如图5所示,CAN控制器的位定时器初始化工作只有在配置模式下才能完成,通过编程设置主控制器MCR的CCR位为1,可以设置CAN模块为配置模式。只有全局寄存器GSR的状态位CCE置1,确认初始化请求后,才可以进行初始化操作。然后,位定时器BCRn就可以进行写操作,配置正确的CAN通信波特率、同步跳转宽度、采样次数和重同步方式。最后,通过编程将CCR位设置为0后,CAN模块正常工作模式被激活。在对邮箱初始化之前,必须禁止相应邮箱的使能位,设置每个邮箱对应使能位为0。通过编程设置主控制器MCR中的数据域改变请求位(CDR位)为1,对CAN模块发出数据域改变请求。然后,配置邮箱的标识符、控制寄存器和数据区。最后,通过编程将主控制器MCR中的数据域改变请求位(CDR位)清0后,进入正常工作模式,再设置相应邮箱的使能位为1。

4 结束语

该文将DSP和CAN总线等技术可应用在工业生产通信系统模拟量采集和测量中,详细阐述了实际应用中的数据通信节点设计、模数转换和CAN 接口电路。该系统的数据采集的速度和精度使电压、电流和功率等基本遥测量的采集、计算、分析更为快捷,CAN 通信符合现场要求,在实际应用中取得良好的效果,也为相关的工业生产控制系统中的电量检测提供了一定的参考。

参考文献:

[1] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[2] 李正军.计算机测控系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3] 宋琪.CAN-RS-232接口电路及协议转换软件的设计[J].电子工程师,2005(1).

[4] Burr-Brown Corporation,DAC7744,1999.

[5] 广州周立功单片机发展有限公司.PCI-9820双路非智能CAN接口卡用户手册[S].2004.

电器转正总结篇4

关键词：CAN自愈环CPLD接口电路塑料光纤

CAN总线是德国Bosch公司于20世纪80年代初为解决汽车中众多数据交换而开发的一种串行数据通信协议。由于其具有卓越的特性，CAN总线成为目前公认的几种最有前途的现场总线之一。CAN总线的传输介质可以是双绞线、光纤和同轴电缆。目前双绞线CAN总线已得到了广泛应用，各项技术已经成熟。双绞线CAN网络在技术在容易实现、造价低廉，且对环境电磁辐射有一定抑制能力。但是当工作环境特别复杂时，其抗干扰能力并不十分令人满意。如在电动汽车现场，情况较为复杂，车载电气系统会产生强电磁干扰，将导致双绞线CAN网络不能正常工作。与双绞线和同轴电缆相比，光纤的优越性能--强大的抗EMI能力引起人们的关注。为进一步提高CAN网络的性能，应采用光纤作传输介质。由于车载局域网传送距离短，同时为了降低车载光纤CAN网络的成本，可选用塑料光纤(POF)作为传输介质。塑料光纤在高速短距离通信传输中成本低、易连接、可绕性好、重量轻，故组网成本低。德国宝马公司在2002年3月上市的最高级新款轿车"BMW7系列''''''''中采用于50mPOF构筑车内局域网。

光纤CAN网作为一种工业底层控制局域网，其拓扑结构与常用局域网一样，基本拓扑结构有总线形、环形和晕形。在光纤单环CAN网络中，由于器件的延时将导致环路信号自激，使环形CAN网络堵塞(或称为锁死)。为遵守CAN总线控制器在链路层的协议，应设计一种光纤CAN单环网专用逻辑控制单元LCU。该单元的功能是：对CAN总线数据实现收发控制，即主节点对接收到的数据不转发，当数据沿光纤环回到原发送节点时，立即被剔除；从节点对接收数据实现转发。同时还可消除环形光纤CAN总线网络的自激现象，保证环网不被堵塞。

Q光纤单环网络中，节点或链路的故障可能造成网络的瘫痪。为了提高光纤环网的生存性，应构成具有自愈功能的光纤双环自愈网。

图1

1光纤自愈环CAN网总体设计

1．1光纤自愈环结构

光纤自愈环CAN网络如图1所示。该网络有两条光纤环路--顺时针环和逆时针环，各节点CAN控制器SJAl000通过接口电路与双环光纤网相连，接口电路由Altera公司出产的复杂可编程逻辑器件(CPLD)EPM7128S、两个光发送器LEDR和LEDL、两个光接收器PINR和PINL组成。

1．2接口电路的功能

光纤自愈环CAN网接口电路的功能是：(1)当光纤双环通信正常时(如图2(a)所示)，各节点右端光发送器LEDR传送左端光接收器PINL的数据，信号顺时针传送；同理LEDL传送PINR的数据，信号逆时针传送，即发送器选择对侧数据转发。(2)当单根光纤故障时(如图2(b)所示)，下游C节点接口电路实现环回，由于左侧光接收器PINL无信号，右端光发送器LEDR选择同侧光接收器PINR数据转发。(3)当任意节点间两根光纤故障时(如图2(c)所以)，如BC节点间光纤被切断时，则B、C两个节点与光纤切断点相连执行环回功能。此时，从A到C的信号AC则先经顺时针环到B，再经逆时针环过A、D后到达C。而信号CA则仍经顺时针环传输。这种自愈功能保证在故障情况下仍能维持环的连续性。故障排除后，倒换开关自动返回原来位置。(4)实现节点CAN控制器数据选择接收。其原则为：对于各节点接收的顺、逆时针数据，选择PINL、PINR中先到达的数据接收。(5)实现节点数据选择发送。其原则为：当总线空闲时，选择本节点CAN控制器发送端TX发送数据，可消除环形光纤CAN总线网络的自激现象，保证环网不被堵塞；当本节点CAN控制器为接收节点时，选择对侧数据发送；当本节点CAN控制器为接收节点时，且对侧光纤通道故障，则选择同侧数据发送。(6)判别各通道帧起始和帧结束，鉴别总线是否空闲，网络是否故障。如判断到左测光接收器PINL有数据帧正在传送时，产生左侧发送数据标志flag_l和网络通信状态标志sync_l。

2接口电路设计

光纤CAN自愈网的自愈功能及收发控制功能由可编程逻辑器件(ALTERAEPM7128SLC84一15)实现，编程采用VHDL语言。下面进行具体介绍。

2．1输入输出口设置

图3为接口电路CPLD的I／O口示意图。其中，输入输出pin_l、led_l、1ed_r、pin_r分别与光／电转换模块PINL、LEDL、LEDR、PINR相连：txd、rxd分别与CAN痉制器的数据发送端TX、接收端RX相连；flag_txd=1代表本节点CAN控制器TX0正在发送数据帧；flag_l=1代表左侧通道正在发送数据帧；flag__r=1代表右侧通道正在发送单据帧。sync_l为左侧网络通信状态标志，sync_r为右侧网络通信状态标志。当左通道正常时，输出sync_1="l"，驱动网络状态发光二极管D_sl亮；当右通道正常时，输出sync_r="1"，驱动网络状态发光二极管D_sr亮；若网络状态发光二极管D_sr或D_sl灭，表示网络对应光纤通道出了故障。当本节点CAN控制器选择左通道数据接收时，输出端rx_l／r为高电平；当本节点CAN控制器选择右通道数据接收时，输出端rx_l／r为低电平。输入端reset为复位端，低电平有效；clk0为时钟输入端，输入时钟的频率为20MHz。

图2

2．2CPLD功能结构

CPLD为控制环网自愈接口单元，控制电路由分频器、中心状态机、发送数据选择器、接收数据选择器组成，如图4所示。

2．3分频器

通讯接口CPLD时钟频率为20MHz。在光纤CAN自愈环网中，各节点CAN控制器SJAl000和CPLD接口采用独立的工作时钟。为使状态机产生的flag的信号与CAN控制器数据传送同步，以保证两个数据选择器的切换和数据传送同步，应正确选择状态机的时钟。本文中CAN网数据传送波特率是125kbit／s，状态．机时钟rxclk的速率设计为数据传送波特率的8倍，即1Mbit／s，保证在一个CAN数据位周期中可对数据读取多次，提高抗干扰能力。所以分频器的功能为产生1MHz的时钟频率。

2．4中心状态机

依据CAN2．0B协议，CAN网络数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结束。数据场长度可为0～8个字节。帧起始位是一个显性位低电?quot;0"；帧结束是由7个隐性位"1"组成的序列；在数据帧传送中，使用位添充技术编码，保证数据帧位流中不会出现5个连续的"1''''''''或''''''''0"。

中心控制状态机是本设计的核心单元。中心状态机的功能是：(1)，检测CAN数据帧的帧起始和帧结束，产生相应的发送数据标志信号flag_txd、flag_r和flag_l。(2)产生网络通信状态标志sync_r和sync_l。中心状态机由：三个状态机组成：本节点CAN控制器状态机、左通道状态机和右通道状态机。它们分别判别各通道(TX、PIN_L和PIN_R)是否有数据传送。下面对各处状态机的解释均以本节点CAN控制器状态机为例。

各状态机设置了61个状态，即idle、S1、S2、S3…S60。当总线空闲时，状态机处于空闲态idle，此时rxclk上沿到来，检测到txd=0时，状态机转向S1，同时发送数据标志置位信号flag_txd="1"；第二上沿时，状态机无条件转向S2；第三上沿时，状态机无条件转向S3；第四上沿时，状态机无条件转向S4；第五上沿到来时，此时是数据位的中央位置，数据稳定，对数据再次读取，若txd="0"的条件仍成立，表示帧起始到来，状态机转向S5；否则flag_txd="0"，同时状态机转向空闲态idle，等待帧起始的到来。

当状态机处于S5时，此后rxclk(1MHz)每过一个时钟周期，状态机状态前进一步(S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、……、S58、S59、S60)；每过8个时钟周期，对CAN总线上的数据位进行一次检测(S12、S20、S28、S36、S44、S52、S60)，保证每次检测在数据位(位周期)中央。当连续7次txd="1"时，检测到"1"表示"帧结束''''''''到来，发送数据标志复位flag_txd="0"，等待下一次帧起始的到来；否则状态机返回状态S5，等待帧结束的到来。

网络通信状态sync_r、sync_l是进行环网自愈的重要依据。如上所述，当左右通道发送数据状态标志flag="1''''''''时，各通道网络通信状态sync="1"，网络状态发光二极管D_sr、D_sl亮；当帧结束到来时，flag="0"，启动网络通信状态计数群count，其时钟为rxclk=1MHz，当计数器为30000时(30ms)，sync="0"，网络状态发光二极管D_sr、D_sl灭。这表示某数据帧传输后，如果再也检测不到其它数据帧起始，则网络出了故障。如果在30ms内能检测到数据帧起始(flag置位)，网络通信状态标志sync持续为"1"。计数器达到满值的时间应为估算的帧间最短时间间隔。

2．5数据选择器

发送数据选择器和接收数据选择器的功能是实现链路搭建(即通道选择)。为保证网络正常工作，CAN网络延时应小于一个数据宽度(位周期)。为使链路搭建时间尽可能短，使用最高时钟频率(20MHz)控制两个数据选择器。

在发送数据选择器中，CPLD检测三路通道数据txd、pin_l、pin_r。各通道数据具有不同的优先级。优先级的设置为：当本节点发送数据(txd="0"或flag_txd="1'''''''')时，左右通道发送CAN控制鞣⑺投薚X的数据，即led_r=txd，led_l=txd。若本节点不发送数据，则依据sync_r和sync_l选择发送数据，当左右通道均正常时，选择对侧数据发送，led_r=pin_l，led_l=pin_r。如果某通道故障，接收不到对侧数据，则选择本侧数据发送，led_l=pin_l，led_r=pin_r。据此，不仅实现了网络自愈，也消除了环网阻塞问题。

在接收数据选择器中，设定左通道为首选接收通道；当左通道数据未到时(flag_l="0'''''''')或左通道故障时，不需人为干预，自动选择右通道接收。据此实现了接收优化(选择优先到达通道数据接收)以及光纤CAN总线双环网的自愈功能。

电器转正总结篇5

Abstract: In order to achieve smooth speed process, DC drive electric control system mainly adopts DC motors, because of convenient DC motor speed control, as long as the input voltage or the motor excitation current is changed, variable speed control can be achieved within a wide range scope and under certain conditions in the magnetic field, it is proportional to the torque and current, making it easy to control torque, torque regulation performance and control performance are ideal.

关键词：直流调速；电流变化率调节器；电流调节器

Key words: DC speed regulate；current rate of change regulator；current regulator

中图分类号：TM92 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）03-0294-01

0引言

电气传动是现代最主要的机电能量变化形式之一。在直流电气传动系统中，由于直流电机本身在结构上存在问题，它的机械接触换向器不但结构复杂，制造费时，价格昂贵，而且在运行中容易产生火花，特别是由于换向器强度不高等问题的存在，直流电动机无法做成高速大容量的机组；此外，由于电刷易于摩擦等问题存在，在运行中需要有经常性的维护检修，以上这些缺陷造成了直流电气传动不尽理想。

1调速方案的选择

1.1 多闭环直流驱动器的原理直流电动机的转速和其它参量的关系可用下式表达：

n= （1）

式中，

n-转速，单位为 r/min；U-电枢电压，单位为V；I-电枢电流，单位为A；R-电枢回路总电阻，单位为Ω；Φ-励磁磁通，单位为Wb；Ke-由电机结构决定的电动势常数。

由式（1）可以看出，有三种方法可调节电动机的转速。

1.2 主电路的选择主电路采取三相桥式晶闸管整流装置，在二十世纪五十年代广泛采用旋转变流机组，其变流装置为两台与拖动电机容量相当的直流发电机与交流原动机组成，它占地大，效率低，噪音大，目前已被晶闸管变流装置取代。

2控制电路的设计

2.1 三闭环系统的总体设计三闭环系统的设计顺序是先设计电流变化率环，然后是电流环，最后是转速环。三闭环系统结构图如图2。

2.2 电流变化率调节器的工作原理采用机组供电的调速系统时，由于发电机的励磁惯性的作用，无论怎么控制，电枢电流的变化率都是能够容许的，只恨它不够快。采用晶闸管整流装置的调速系统，整流装置本身的惯性降低了几个数量级，电枢电流的快速变化能力便能充分发挥出来，电流变化率的瞬时值甚至高达100～200Inom/s以上。这样以来，快速性是满足了，但同时又出现了另外的问题。这样高的电流变化率会使直流电动机产生很高的换向电动势，使换向器上出现不能容许的火花等级。电机容量越大，问题越严重，有时不得不为此而设计专用的电机。但是，即使电机的问题解决了，过高的电流变化率还伴随着很大的转矩变化率，会在机械传动机构中产生很强的冲击，从而加快其磨损，缩短了设备的检修周期甚至使用寿命。如果单纯延缓电流环的跟随变化率，以充分发挥其效益，这恰好是前面总结的内环的一种作用。因此，设计出来一个电流变化率环。

2.3 调速系统输入放大器的设计

3总结

电器转正总结篇6

本文以电机控制专用DSP和FPGA作为控制核心，设计了一种新型的步进电机双内核控制结构，此方法将数据采集、数据处理和电机控制执行流程分别在2个处理器中进行，使DSP全力进行算法运算，减少由于采集数据而引起的时间延迟。从而提高整个控制系统的动、静态性能。

1系统硬件构成及其原理

1.1 系统的硬件构成

本系统由核心控制器TMS320LF2407A和EP2C20、步进电机驱动电路和增量式光电编码器等部分组成。

根据TMS320LF2407A DSP和Cyclone II FPGA的特点，本文将双核控制器的职能划分为：FPGA同步采集两相步进电动机轴上的增量式光电编码器的编码信号，以及电机驱动端的电流传感器、电压传感器信号，据此获得电机转动时轴上的转速和位置信息。TMS3201F2407A处理器芯片读取FPGA采集的两相步进电动机反馈信号，对电机的转速和位置信号进行相关的控制算法运算，并通过SPWM算法产生PWM驱动信号。驱动信号经光耦隔离后发送到功率模块的驱动端，产生两相激励电压，实现对步进电机的控制。系统的硬件结构如图1所示：

图1 双内核系统硬件结构

1.2 工作原理

步进电机的控制算法包括位置、速度、电流三个控制器和SPWM 调制算法，其中电流控制和SPWM的运算要在100us内完成，这些算法都由DSP来完成。同时，DSP电机控制专用的事件管理模块使电机使能控制和PWM信号输出简单易行。由SCI模块设计了系统和PC机的接口软件，方便参数管理和生产调试；SPI接口的E2PROM 用于系统参数保存；数字IO接口传输上位机的一些开关控制信息，方便了控制状态的改变也缓解了FPGA接口有限的问题。

FPGA承担系统大部分的数字电路以及模拟转换的工作，使系统电路的设计集成化，这种控制结构增强了系统的稳定性。FPGA所实现的功能包括：光电编码器信号的处理、上位机位置脉冲计数、模拟信号AD采集和处理、键盘的定时扫描、显示器的动态刷新、保护电路的快速锁存。这些信号按不同的功能模块由FPGA 的不同进程实现既提高了系统的实时性，又方便了软件的编制和系统维护。这些信号经过FPGA处理后，保护信息根据级别的不同以外部中断的方式通知DSP，其他信息则等待DSP读取。

TMS320LF2407A工作频率为40 MHz，为保证DSP和FPGA在工作时序上的一致性，FGPA的时钟源由DSP的CI KOUT脚提供，使FGPA同步工作在40MHz。DSP地址线A0~A15和数据线D0~DIS分别于FGPA的I/O相连，IS为I/O地址空间扩展选通脚，该引脚总保持为高电平，当需要访问I/O空间时，引脚输出低电平选通FPGA。RD和WE分别为读写控制信号。FGPA所需完成数据显示、键盘扫描、采集电流和电压A/D转换结果、采集光电编码器数据和位置传感器数据等功能，所有控制信号和采集信号的储存在0x0000~0x03FF地址范围之内。

1.3 DSP和FPGA的通信方式

DSP和FPGA 的数据交换是任务细分和协作的基础。利用数据、地址总线，以及读信号RD)、写信号(WR)和IO空间控制信号(IS)，根据DSP的IO空间控制时序设计。总线通信时，DSP把FPGA 映射成通过IS信号扩展的IO空间，当运行IN和OUT两条IO空间操作指令时，IS输出低电平， 同时根据读写的状态，RD、WR也输出有效电平，地址和数据总线输出操作指令相关的地址、数据信息。把DSP的IS、RD、WR 以及16位数据总线、低8位地址总线和FPGA直连，根据DSP对IO空问的操作时序编写FPGA的通信进程。

2系统软件设计

2.1 步进电机控制方案设计

PI调节器是自动控制系统中最常用的一种控制器，使用PI调节器可使系统稳定，并有足够的稳定欲度，同时还能满足稳态精度指标，达到消除稳态速差的目的。

当输入是误差函数e(t)、输出函数是u(t)时，PI调节器的传递函数为：

式中---调节器比例部分的放大系数；

---PI调节器的积分时间常数。

按式(1)，u(t)和e(t)关系的时域表达式可以写成：

其中，=为比例系数，=为积分系数。将上式离散化成差分方程，其第k拍输出为：

则第k-1拍输出为：

由(3)式减去(4)式得：

式(5)就是本系统采用的增量式光电编码器的PI调节器算法公式。可以看出，增量式算法只需要当前和上一拍的偏差就可计算输出的偏差量。PI调节器的输出可由下式求得：

比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史，在控制的快速性上，积分控制不如比例控制，在消除无静差的角度上，积分控制又优于比例控制，因此比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，即比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差。

2.2 DSP软件设计

DSP软件设计编程采用C语言与汇编语言混合编程，程序主体用C语言编写，对于占用处理器时间较多的算法程序和I/O接口操作则采用汇编语言编程，汇编代码可以以C语言可调用的函数或内联代码的形式出现，把C语言和汇编语言的优点有机结合起来。通过读取状态寄存器ST0和ST1来判断电机的旋转方向，然后输出相应的控制脉冲个数；判断要求的脉冲信号是否输出完毕。首先根据步进电机运行控制表来建立控制数组，该数组中存放电机转动时DSP端口的状态值。以上述接口电路为例，数组中应存放OxBF，0XBB，0xB3，0xB7，0XBF。电机正转时，数组正序调用；反转时，数组反序调用。为了实现这一功能，可以定义一个指针变量指向数组地址，单片机就根据指针变量指向的内容在定时中断到来时进行控制输出。软件程序由主程序和中断程序组成。

2.3 FPGA软件设计

EP2C20将DSP的地址总线以及数据总线定义为SINGAL类型变量。由于LF2407A拥有l6位的地址及数据总线，在FPGA中定义的addr_dsp和data_dsp都为l6位变量，其定义方式都为由低到高的方式。在每个时钟信号的上升沿，FPGA判断DSP是否访问I/O地址空问，下降沿即对IS引脚的状态进行判别。如果DSP正在请求访问I/O地址空间，FPGA还需判断读写控制信号引脚WE和RD。FPGA将所访问的地址空间映射到内部的RAM空间，然后访问相应的地址，即可实现对FPGA的操作。

3 仿真与实验分析

为了分析系统双核控制结构的运行结果，在步进电机的运行状态下，把要采集的数据存储在DSP外扩的64KB数据存储区，然后由仿真器导出处理。步进电机的参数：额定功率1.5KW，额定转速4000r/min，通信频率9600bps，光电编码器的规格是200P/R。仿真结果显示，系统运行时位置跟随的偏差稳定为500个脉冲左右，速度稳定值为4000r/min，达到稳定值的时间为40ms。系统位置运行状态正常，满足控制要求。

4 结语与展望

本文设计的步进电机控制系统的双内核控制结构， 能够充分利用DSP和FPGA芯片的内部资源，任务分配合理，方便了系统控制算法和电路的实现。系统运行的实验证明，这种双核控制系统切实可行，在减少了系统元件的数量的基础上，

实现了高速运动的稳定控制。

电器转正总结篇7

摘要：本文作者结合工作经验，针对全控型电力电子开关、变换器电路、交流调速控制、通用变频器、单片机、集成电路及工业控制计算机的发展几方面论述了电气自动化在电力系统中的应用。

关键词：电气自动化；技术；设计思想；未来发展

一、 前言

文章通过介绍电气综合自动化系统的功能，讨论了目前电气自动化控制系统的设计思想（以发电厂为例子），展望了将来电气自动化控制系统的发展趋势。设备智能化水平的提高使得对现场设备状况的精确掌握成为可能，通讯技术的发展则为大容量的数据传输提供了平台。在工业自动化领域，基于Pc的控制系统以其灵活性和易于集成的特点正在被更多的采纳。

二、电气自动化控制系统的设计思想

（一）集中监控方式

这种监控方式优点是运行维护方便，控制站的防护要求不高，系统设计容易。但由于集中式的主要特点是将系统的各个功能集中到一个处理器进行处理，处理器的任务相当繁重，处理速度受到影响。由于电气设备全部进入监控，伴随着监控对象的大量增加随之而来的是主机冗余的下降、电缆数量增加，投资加大，长距离电缆引入的干扰也可能影响系统的可靠性。同时，?隔离刀闸的操作闭锁和断路器的联锁采用硬接线，由于隔离刀闸的辅助接点经常不到位，造成设备无法操作。这种接线的二次接线复杂，查线不方便，大大增加了维护量，还存在由于查线或传动过程中由于接线复杂而造成误操作的可能性。

（二）远程监控方式

远程监控方式具有节约大量电缆、节省安装费用、节约材料、可靠性高、组态灵活等优点。由于各种现场总线(如Lonworks总线，CAN总线等)的通讯速度不是很高，而电厂电气部分通讯量相对又比较大，所有这种方式适合于小系统监控，而不适应于全厂的电气自动化系统的构建。

（三）现场总线监控方式

目前，对于以太网(Ethernet)、现场总线等计算机网络技术已经普遍应用于变电站综合自动化系统中，且已经积累了丰富的运行经验，智能化电气设备也有了较快的发展，这些都为网络控制系统应用于发电厂电气系统奠定了良好的基础。现场总线监控方式使系统设计更加有针对性，对于不同的间隔可以有不同的功能，这样可以根据间隔的情况进行设计。采用这种监控方式除了具有远程监控方式的全部优点外，还可以减少大量的隔离设备、端子柜、I/0卡件、模拟量变送器等，而且智能设备就地安装，与监控系统通过通信线连接，可以节省大量控制电缆，节约很多投资和安装维护工作量，从而降低成本。另外，各装置的功能相对独立，装置之间仅通过网络连接，网络组态灵活，使整个系统的可靠性大大提高，任一装置故障仅影响相应的元件，不会导致系统瘫痪。因此现场总线监控方式是今后发电厂计算机监控系统的发展方向。

三、探讨电气自动化控制系统的发展趋势

（一）OPC(OIJEforProcessControl)技术

OPC(OIJEforProcessControl)技术的出现，IEC61131的颁布，以及Microsoft的Windows平台的广泛应用，使得未来的电气技术的结合，计算机日益发挥着不可替代的作用。IEC61131已成为了一个国际化的标准，正被各大控制系统厂商广泛采纳。Pc客户机／服务器体系结构、以太网和Internet技术引发了电气自动化的一次又一次革命。正是市场的需求驱动着自动化和IT平台的融和，电子商务的普及将加速着这一过程。Internet／Intranet技术和多媒体技术在自动化领域有着广泛的应用前景。企业的管理层利用标准的浏览器可以存取企业的财务、人事等管理数据，也可以对当前生产过程的动态画面进行监控，在第一时间了解最全面和准确的生产信息。虚拟现实技术和视频处理技术的应用，将对未来的自动化产品，如人机界面和设备维护系统的设计产生直接的影响。相对应的软件结构、通讯能力及易于使用和统一的组态环境变得重要了。软件的重要性在不断提高。这种趋势正从单一的设备转向集成的系统。

（二）变换器电路从低频向高频方向发展

随着电力电子器件的更新，由它组成的变换器电路也必然要换代。应用普通晶闸管时，直流传功的变换器主要是相控整流，而交流变频船动则是交一直一交变频器。当电力电子器件进入第二代后，更多是采用PWM 变换器了。采用PWM方式后，提高了功率因数，减少了高次谐波对电冈的影响，解决了电动机在低频区的转矩脉动问题。

但是PWM 逆变器中的电压、电流的谐波分量产生的转矩脉动作用在定转子上，使电机绕组产生振动而发出噪声。为了解决这个问题，一种方法是提高开关频率，使之超过人耳能感受的范围，但是电力电子器件在高电压大电流的情况下导通或关断，开关损耗很大。开关损耗的存在限制了逆变器工作频率的提高。

1986 年美国威斯康星大学 Divan 教授提出谐振式直流环逆变器。传统的逆变器是挂在稳定的直流母线上，电力电子器件是在高电压下进行转换的‘硬开关’，其开关损耗较大，限制了开关在频率上的提高。而谐夺式直流环逆变器是把逆变器挂在高频振荡过零的谐振路上，使电力电子器件在零电压或零电流下转换，即工作在所谓的‘软开关’状态下，从而使开关损耗降低到零。这样，可以使逆器尺寸减少，降低成本，还可能在较高功率上使逆变器集成化。因此，谐振式直流逆变器电路极有发展前途。

(三)交流调速控制理论日渐成熟

1971年，德国学者F.Blaschke阐明了交流电机磁场定向即矢量控制的原理，为交流传动高性能控制奠定了理论基础。矢量控制的基本思想是仿照直流电动机的控制方式，把定子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来，分别加以控制。这种解耦，实际上是把异步电动机的物理模型设法等效地变换成类似于直流电动机的模式，这种等效变换是借助于坐标变换完成的。它需要检测转子磁链的方向，且其性能易受转子参数，特别是转子回路时间常数的影响。加上矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难于达到分析的结果。

1985 年德国鲁尔大学的 Depenbrock 教授首次提出了直接转矩控制的理论，接着 1987年又把它推 广到弱磁调速范围。大致来说，直接转矩控制，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下分析计算与控制电流电动机的转矩。采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band 一 Band 控制）产生 PWM 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动数学模型的简化处理，大大减少了矢量控制中控制性能参数易受参数变化影响的问题，没有通常的 PWM 信号发生器，其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处物理概念明确，转矩响应迅速，限制在一拍之内，且无超调，是一种具有高静动态性能的新型交流调速方法。

参考文献：

[1]贺家李、沈从炬，电力系统继电保护原理，北京:中国电力出版社，1994.

[2]范辉、陆学谦，电气监控系统纳入DCS的几点体会，电力自动化设备，2001,21(3):52-54.

电器转正总结篇8

关键词 转角测量；转角传感器；游标法；KMZ60

中图分类号U46 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）112-0091-03

0 引言

为了使汽车更加节能、安全、环保，越来越多的汽车开始装配电动助力转向系统(EPS)和车身电子稳定系统(ESP)。传统的有刷电机EPS只装配转矩传感器，转向盘转速信号主要依靠估算的方法获得。但这种方法的误差较大，限制了EPS性能的进一步提高。将方向盘转角传感器引入EPS，能够有效提升EPS的回正和摩擦补偿性能，改善汽车的操作稳定性。此外，ESP等底盘电控系统需要从EPS共享转角信号，实现各自的控制功能，从而实现底盘一体化控制。

经过多年的研究和发展，方向盘转角传感器从最初的电位计式、单圈测量的传统角度传感器，发展到能够非接触式、多圈测量的智能传感器。以博世公司LSW3为代表的游标法转角测量方案是一种比较理想的多圈测量方案，因而被多家公司应用于各自的转角传感器中。国内高校在其基础上做过多种仿制和改进，且大多采用集成CORDIC模块的角度测量芯片，该类型芯片通常成本较高，因而难以控制转角传感器的成本。本文借鉴LSW3的机械结构，自行开发传感器的硬件电路，设计信号的软件处理流程，研发了一款结构简单、价格低廉、精度适中、能够实现多圈测量的方向盘转角传感器。

1 测量原理

通常轿车方向盘的机械行程为3圈，即1080°左右。通用的磁场角度传感器包含各向异性磁阻型(AMR)、巨磁阻型(GMR)以及霍尔型(Hall)等类型，三者的量程通常是180°(AMR型)和360°(GMR型、Hall型)，因此，转角传感器的核心在于扩展传感器量程，采用小量程的磁场角度传感器实现多圈测量。

LSW3转角传感器的结构如图1所示，传感器主要由壳体、齿轮组、AMR芯片、微控制器等部分组成。大齿轮安装在转向轴上，其旋转的角度等于方向盘转角，两个小齿轮通过外齿与大齿轮啮合。两个AMR芯片安装在PCB板上，与固定在小齿轮上的磁铁相对，磁铁表面磁力线旋转的角度等于小齿轮围绕中心轴线旋转的角度，微控制器根据AMR芯片的输出值测量两个小齿轮的转角，进而推算大齿轮的绝对转角。

本文参考LSW3的转角测量方案，保留其机械结构和测量原理，自行设计硬件电路和信号处理方案。齿轮组采用LSW3的齿数设计，即大齿轮齿数为42，小齿轮的齿数分别为26、28。

图1 博世LSW3结构图

设大齿轮的绝对转角为θ，两个小齿轮的转角为φ1和φ2。依照θ、φ1、φ2的传动关系，φ1、φ2的表达式如式1所示。

式1

则两个小齿轮的转角差Δφ的表达式如式2所示。

式2

由式2可知，方向盘转角θ变化时，两个小齿轮的转角以不同的速度线性变化，二者之间的转角差Δφ与θ成线性关系，且比例系数为(26÷3)。当方向盘旋转1080°时，两个小齿轮的转角差Δφ小于125°。游标法测量方向盘绝对转角的基本原理就利用幅值较小的小齿轮转角差Δφ唯一地表征量程较大的方向盘转角θ。

本文采用AMR型磁场角度传感器KMZ60来测量两个小齿轮的转角， KMZ60的量程只有180°， 它输出信号是以磁场角度为自变量，180°为周期的函数。实际测得的φ1和φ2的表达式如式3所示。

式3

因此，两个小齿轮之间的转角差的表达式如式4所示。

式4

结合式2和式4，可以得出，方向盘绝对转角θ的实际计算表达式为：

式5

由式3可得，小齿轮1每旋转180°，对应的KMZ60输出的信号重复一个周期，对应方向盘旋转的角度约为111.4°；小齿轮2旋转180°，对应的方向盘旋转的角度为120°，二者的最小公倍数为1560°。即大齿轮旋转1560°的范围内，两个小齿轮对应的KMZ60的输出信号的组合具有唯一性，依据式5计算的转角差能够唯一地表示大齿轮的转角，因此，本文设计的转角传感器的量程为1560°。φ1、φ2和Δφ随方向盘转角θ的变化规律如图2所示。

图2 φ1、φ2和Δφ随方向盘转角θ的规律

3硬件电路结构

由传感器的工作原理可知，转角传感器的输入量是两个角位移信号，即小齿轮的转角，而传感器的输出量则是数字化的方向盘绝对转角θ。硬件的硬件电路需要感应因两个小齿轮的旋转而引起的磁场角度变化，并将其转换成方便进行信号运算的电信号，单片机通过对传感器输出的电信号，推算出方向盘的绝对转角θ，并通过总线网络向外发送计算结果。

本文提出的转角传感器的硬件结构如图3所示。转角传感器由电源模块、AMR测量模块、低通滤波、单片机以及CAN通讯模块等五部分组成。

图3 转角传感器硬件结构图

1）电源模块：车载电源的电压通常为12V左右，其电压随着发动机、车载电气设备、蓄电池状态等因素而波动。电源模块采用稳压芯片将纹波较大的12V输入电压调节为稳定的5V输出，为AMR测量模块、单片机等传感器硬件电路提供稳定的能量供应；

2）AMR测量模块：本文设计的转角测量方案采用两个AMR型磁场角度传感器KMZ60作为磁场检测芯片。KMZ60是NXP公司于2011年针对汽车和工业应用的无刷直流电机(BLDC)控制而推出的AMR型磁场角度传感器，它内部集成了两个AMR电桥和放大器。两个AMR电桥的输出电压随磁场角度φ的变化而变化，输出两路关于2φ的正弦和余弦信号。而内部集成放大器对两路正余弦信号进行幅值放大，使KMZ60输出V级的模拟信号，保证模/数转换器(ADC)能够直接对两路信号进行模/数转换；

3）低通滤波：转角传感器的工作环境较为恶劣，会受到多种干扰，KMZ60的输出信号的有效部分是关于2φ正余弦分量，而外部的干扰信号会叠加到有效信号中，为转角计算引入偏差。方向盘转角信号属于低频信号，KMZ60的输出信号经过一阶低通滤波器，高频的干扰信号被滤除，有效的低频信号进入单片机的ADC输入端；

4） 单片机：本文采用Freescale公司的MC9S08DZ60单片机作为转角传感器的运算核心。MC9S08DZ60单片机的片内外设包含精度高达12bit的ADC和MSCAN模块。单片机通过ADC将两个KMZ60输出的4路正余弦模拟信号转换为CPU可以处理的数字信号，经过CPU对4路信号进行数字信号处理，推算出方向盘转角，并通过MSCAN模块将方向盘转角信号打包成数据帧，加载到CAN网络；

5）CAN收发器：CAN网络有严格的总线仲裁机制以及物理层定义，CAN收发器实现MSCAN模块和CAN网络之间的电平转换，保证转角传感器与电控系统的正常通信。

4 软件处理流程

传感器的硬件电路实现了4路模拟信号的幅值放大和低通滤波，4路信号以模拟量的形式进入单片机。单片机需要完成4路模拟信号模/数转换，并对4路数字化的正余弦信号进行信号处理，得到方向盘的绝对转角。本文的软件处理流程如图4所示。

图4 软件处理流程图

单片机上电后，首先配置系统的GPIO、ADC、MSCAN等外设资源，保证外设正常的工作时序。之后，单片机开始对两个KMZ60输出的4路信号进行A/D转换，并等待A/D转换完毕。由于制造工艺等问题，KMZ60输出的正余弦信号是包含直流偏置，且幅值不相等。小齿轮1对应的KMZ60输出的正余弦信号的表达式为：

式6

磁阻式角度传感器通常需要进行软件补偿，软件补偿包含两个步骤，即直流偏置补偿和幅值补偿，直流偏置补偿的作用是滤除正余弦信号中的直流偏置offset，使每路正余弦信号正比于正弦或余弦函数。经过直流偏置补偿的正余弦信号再经过幅值补偿，保证二者的幅值相等，其表达式为：

式7

单片机对4路正余弦信号进行软件补偿后，采用CORDIC算法分别对经过补偿的4路正余弦信号进行反正切运算，得到小齿轮1的转角φ1和小齿轮2的转角φ2，利用式4和式5计算出大齿轮转角，并通过CAN总线向外部控制器发送转角信号。单片机通过while循环不断执行采集、处理、发送的过程，更新转角信号，实现方向盘转角的实时测量。

5 结论

本文采用专用的转向传感器测试平台对转角传感器的性能进行测试，利用测试平台高精度的标准转角传感器标定自行设计的转角传感器。图5为转角传感器测试的误差结果，在全量程范围内，转角的测量误差在10°左右，能够基本满足EPS回正性能的要求。

图5 转角传感器转角测量误差

本文设计的转角传感器采用了成熟的游标法测量方向盘绝对转角的方案，综合国内外转角测量方案的特点，设计了基于磁阻式角度传感器KMZ60和单片机MC9S08DZ60为核心的硬件电路，结合KMZ60信号处理的算法和游标法测量转角的机理，完成了转角传感器的软硬件设计；并通过专用的转向传感器测量平台，对设计的传感器进行了标定，测量得到转角传感器的静态误差。本文设计的转角传感器硬件结构简单，具有很强的成本优势，同时，传感器的精度适中，能够基本满足EPS及其他电控系统的测量需求。

参考文献

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