摘 要： 介紹了12 bit同步高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器THS1207的基本原理及工作特性,，重點(diǎn)對(duì)THS1207在電動(dòng)車無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用做了具體研究，給出了相關(guān)硬件電路圖和軟件設(shè)計(jì)流程,，為電動(dòng)車無(wú)刷直流電機(jī)控制器的性能測(cè)試做了很好的準(zhǔn)備,。
關(guān)鍵詞： 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器；THS1207,；無(wú)刷直流電機(jī)
伴隨著城市化進(jìn)程,，人們生活的交通距離不斷擴(kuò)大，代替自行車的電動(dòng)車的普及大幅度地提高了電力資源的利用效率,，促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展,。電動(dòng)自行車以電力作動(dòng)力，騎行中不產(chǎn)生污染,，無(wú)損于空氣質(zhì)量,。而控制器是電動(dòng)車控制系統(tǒng)的核心，控制器性能的好壞直接影響電動(dòng)車的質(zhì)量,。為了能夠正確評(píng)價(jià)電動(dòng)車控制器的性能,，就需要設(shè)計(jì)出一種能夠檢測(cè)控制器相關(guān)參數(shù)的采集系統(tǒng)，為電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展和改善提供科學(xué)依據(jù),。
目前,，大部分電動(dòng)車所配的電機(jī)是無(wú)刷直流電機(jī)，本文以STC12C5A60S2單片機(jī)作為檢測(cè)系統(tǒng)的CPU,，它具有高速,、低功耗和超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,，但速度卻比普通8051單片機(jī)快8~12倍,。THS1207是TI公司生產(chǎn)的高速多通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），配合STC12C5A60S2單片機(jī)可以采集到無(wú)刷直流電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的相關(guān)參數(shù),。
1 采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 基本設(shè)計(jì)思想
本系統(tǒng)是以電動(dòng)車無(wú)刷直流電機(jī)控制器檢測(cè)為背景,，經(jīng)研究證明，電動(dòng)車無(wú)刷直流電機(jī)在空載情況下,，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到450 r/min,，電動(dòng)車PWM頻率為15 kHz，要想在這么快的情況下采集到電動(dòng)車運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，就必須利用多通道高速ADC進(jìn)行同步采樣,。本系統(tǒng)的“同步”包括兩點(diǎn)：（1）對(duì)多路輸入信號(hào)在同一時(shí)刻進(jìn)行采樣,；（2）針對(duì)周期信號(hào)，得到周期波形同步信號(hào),，以此同步信號(hào)為基準(zhǔn),，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行N點(diǎn)均勻采樣。
本系統(tǒng)先是利用磁粉制動(dòng)器搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),，利用光電碼,、扭矩傳感器盤和霍爾電流傳感器等來(lái)采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩,、控制器的輸入總電流和總電壓,；采集完成后，傳感器將電流電壓等信號(hào)送入前端信號(hào)調(diào)理電路,，由信號(hào)調(diào)理電路完成對(duì)信號(hào)的放大和濾波等,；然后將數(shù)據(jù)送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由單片機(jī)控制讀入并進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波預(yù)處理,；待采集完成后,，通過串口將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示,。
1.2 STC12C5A60S2芯片介紹
STC12C5A60S2單片機(jī)是STC Micro公司推出的完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng),，是一種針對(duì)電機(jī)控制的增強(qiáng)型8051單片機(jī)。它的主要特性有：（1）工作電壓：3.3 V~5.5 V,；（2）高速：1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期,；（3）工作頻率為0~35 MHz，相當(dāng)于普通8051的0~420 MHz,；（4）片上集成12 080 B RAM,；（5）有EEPROM功能；（6）通用I/O口,，可設(shè)置成4種模式：準(zhǔn)雙向/弱上拉，強(qiáng)推免/強(qiáng)上拉,，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)到20 mA,，但整個(gè)芯片最大不能超過55 mA；（7）4個(gè)16位定時(shí)器,，8通道,、10 bit高速ADC，2路PWM,，還可以當(dāng)DAC使用,，2通道捕獲單元和2通道比較單元；（8）加密性強(qiáng)，無(wú)法解密,；（9）超強(qiáng)抗干擾,，整機(jī)通過20 kV靜電測(cè)試；（10）超低功耗：掉電模式可由外部中斷喚醒,，適用于電池,。STC12C5A60S2單片機(jī)管腳圖如圖2所示。
1.3 高速ADC THS1207
1.3.1 ADC選型
采樣保持器的同步是采集的關(guān)鍵點(diǎn),。多通道同步采樣有兩種采樣方式,。一種方式是利用外部采樣保持電路，采用同一個(gè)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)采樣保持器同步控制,。這種方法的缺點(diǎn)是不易滿足同步采樣的要求,，而且采樣保持電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)抗干擾能力差,，精度不夠高,。另一種方式是選用帶有內(nèi)部采樣保持器的ADC。這類芯片可以滿足系統(tǒng)同步采樣的要求,，抗干擾能力和精度較第一種方式而言要高,。因此本設(shè)計(jì)選用第二種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[1]。
由于電動(dòng)車PWM波頻率為15 kHz,，如果要在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)采集到控制器的相關(guān)參數(shù),，則所選ADC所有通道轉(zhuǎn)換時(shí)間必須在1 μs內(nèi)，但轉(zhuǎn)換時(shí)間不能過快,，因?yàn)檫^快會(huì)對(duì)采集系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾,，應(yīng)該在20 MHz以內(nèi)；為了滿足采樣的精度,，ADC位數(shù)不能小于12 bit,；ADC通道至少為4通道。
TI公司所生產(chǎn)的THS1207是一種流水線結(jié)構(gòu)型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，12 bit數(shù)高精度,、4通道同步采樣，轉(zhuǎn)換速率為6 MHz,，4通道同步采樣時(shí),，每個(gè)通道速率為1.5 MHz。因此,，本設(shè)計(jì)選用THS1207高速ADC作為采樣芯片,。
1.3.2 THS1207基本特性
THS1207基本特性有以下幾點(diǎn)：
（1）同時(shí)采樣,，采樣信號(hào)可以是4個(gè)單端信號(hào)或者差分信號(hào),，也可以是兩種信號(hào)的結(jié)合；
（2）低功耗：216 mW,，+5 V電源供電,；
（3）具有高速并行接口,；
?。?）微分非線性誤差為±1 LSB，積分非線性誤差為 ±1.5 LSB,。
1.3.3 THS1207管腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
THS1207管腳圖如圖3所示,，下面對(duì)THS1207管腳描述。
AINP,、AINM,、BINP、BINM為模擬輸入端,，可以是單端輸入,，也可以是差分輸入；AVDD,、AGND分別為模擬電源和模擬地,；BVDD、DGND分別為數(shù)字電源電壓緩沖和數(shù)字地緩沖,；CONV_CLK是時(shí)鐘輸入,；CS0和CS1均為片選信號(hào)；DVDD,、DGND分別為數(shù)字電源和數(shù)字地,；D0~D9為數(shù)字輸入輸出口；D10/RA0,、D11/RA1分別為數(shù)字輸入輸出口,；REFIN是共模模擬輸入通道的參考輸入；REFP和REFM為參考輸入,；REFOUT為參考輸出,；RD、WR為數(shù)據(jù)讀寫輸入輸出口,；SYNC為同步輸出[2],。
THS1207的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，它由采樣保持器,、邏輯控制單元、控制寄存器,、12 bit流水線ADC和緩沖器等組成,。THS1207有4路采樣保持器，可同時(shí)對(duì)4路信號(hào)進(jìn)行采樣保持，并按順序依次對(duì)各通道的采樣保持值進(jìn)行轉(zhuǎn)換[3],。
1.3.4 THS1207與單片機(jī)的連接
THS1207與單片機(jī)的連接如圖5所示,。讀寫信號(hào)RD、WR分別連接單片機(jī)的RD,、WR引腳,，同步信號(hào)SYNC與單片機(jī)P2.1口連接，片選信號(hào)CS1與單片機(jī)P2.2口連接,，12個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)D0~D11分別連接到單片機(jī)的P0.0~P0.7和P2.4~P2.7,。THS1207有4種采樣模式，本設(shè)計(jì)采用4通道連續(xù)采樣的模式,。THS1207在4通道同步采樣工作方式下的時(shí)序圖如圖6所示,。
2 采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的方案是：讓THS1207在某個(gè)時(shí)鐘頻率下一直連續(xù)采樣，利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生中斷,，在一個(gè)周期內(nèi)采樣8次,，單片機(jī)再響應(yīng)內(nèi)部中斷，最后THS1207讀SYNC上的信號(hào),，當(dāng)SYNC信號(hào)有效后,，單片機(jī)讀取THS1207的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理[4]。這種設(shè)計(jì)使得軟件執(zhí)行效率高,，能夠保持每個(gè)通道采樣數(shù)據(jù)的同步,，實(shí)時(shí)性好。軟件流程圖如圖7所示,。
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表1所示為控制器限流30 A所測(cè)的一組數(shù)據(jù),。電機(jī)穩(wěn)定在某個(gè)固定轉(zhuǎn)速時(shí)，負(fù)載以線性方式逐步增加時(shí),，控制器的輸入電流跟隨負(fù)載扭矩的變化而線性增加,。當(dāng)負(fù)載大到一定程度時(shí)，電流不隨負(fù)載扭矩的增加而增加,，而是穩(wěn)定在某一固定的值上,。
本文詳細(xì)介紹了高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器THS1207的基本特性，重點(diǎn)介紹了THS1207在電動(dòng)車無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用,，實(shí)現(xiàn)了在電機(jī)運(yùn)行過程中對(duì)控制器相關(guān)參數(shù)的同步實(shí)時(shí)采集,。
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