《电子技术应用》

高速ADC THS1207在电动车无刷直流电机中的应用

来源:微型机与应用2013年第5期 作者:王 琪,张腾飞
2013/4/11 14:14:20

摘  要: 介绍了12 bit同步高速模数转换器THS1207的基本原理及工作特性,重点对THS1207在电动车无刷直流电机中的应用做了具体研究,给出了相关硬件电路图和软件设计流程,为电动车无刷直流电机控制器的性能测试做了很好的准备。
关键词: 高速模数转换器;THS1207;无刷直流电机

 伴随着城市化进程,人们生活的交通距离不断扩大,代替自行车的电动车的普及大幅度地提高了电力资源的利用效率,促进了国民经济的健康发展。电动自行车以电力作动力,骑行中不产生污染,无损于空气质量。而控制器是电动车控制系统的核心,控制器性能的好坏直接影响电动车的质量。为了能够正确评价电动车控制器的性能,就需要设计出一种能够检测控制器相关参数的采集系统,为电动车驱动系统的发展和改善提供科学依据。
 目前,大部分电动车所配的电机是无刷直流电机,本文以STC12C5A60S2单片机作为检测系统的CPU,它具有高速、低功耗和超强抗干扰等优点,指令代码完全兼容传统8051,但速度却比普通8051单片机快8~12倍。THS1207是TI公司生产的高速多通道同步采样模数转换器(ADC),配合STC12C5A60S2单片机可以采集到无刷直流电机在高速运转情况下的相关参数。
1 采集系统总体设计
1.1 基本设计思想

 本系统是以电动车无刷直流电机控制器检测为背景,经研究证明,电动车无刷直流电机在空载情况下,最高转速可以达到450 r/min,电动车PWM频率为15 kHz,要想在这么快的情况下采集到电动车运行时的参数,就必须利用多通道高速ADC进行同步采样。本系统的“同步”包括两点:(1)对多路输入信号在同一时刻进行采样;(2)针对周期信号,得到周期波形同步信号,以此同步信号为基准,在一个周期内对信号进行N点均匀采样。
 本系统先是利用磁粉制动器搭建的实验平台,利用光电码、扭矩传感器盘和霍尔电流传感器等来采集电机转速、扭矩、控制器的输入总电流和总电压;采集完成后,传感器将电流电压等信号送入前端信号调理电路,由信号调理电路完成对信号的放大和滤波等;然后将数据送入ADC进行转换,转换后的数据由单片机控制读入并进行实时滤波预处理;待采集完成后,通过串口将数据送入上位机实时显示。系统总体框架图如图1所示。

1.2 STC12C5A60S2芯片介绍
 STC12C5A60S2单片机是STC Micro公司推出的完全集成的混合信号片上系统,是一种针对电机控制的增强型8051单片机。它的主要特性有:(1)工作电压:3.3 V~5.5 V;(2)高速:1个时钟/机器周期;(3)工作频率为0~35 MHz,相当于普通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,可设置成4种模式:准双向/弱上拉,强推免/强上拉,每个I/O口驱动能力可达到20 mA,但整个芯片最大不能超过55 mA;(7)4个16位定时器,8通道、10 bit高速ADC,2路PWM,还可以当DAC使用,2通道捕获单元和2通道比较单元;(8)加密性强,无法解密;(9)超强抗干扰,整机通过20 kV静电测试;(10)超低功耗:掉电模式可由外部中断唤醒,适用于电池。STC12C5A60S2单片机管脚图如图2所示。

1.3 高速ADC THS1207
1.3.1 ADC选型

 采样保持器的同步是采集的关键点。多通道同步采样有两种采样方式。一种方式是利用外部采样保持电路,采用同一个控制信号实现对多个采样保持器同步控制。这种方法的缺点是不易满足同步采样的要求,而且采样保持电路设计比较复杂,系统抗干扰能力差,精度不够高。另一种方式是选用带有内部采样保持器的ADC。这类芯片可以满足系统同步采样的要求,抗干扰能力和精度较第一种方式而言要高。因此本设计选用第二种方式进行数据采集[1]。
 由于电动车PWM波频率为15 kHz,如果要在电机高速运转时采集到控制器的相关参数,则所选ADC所有通道转换时间必须在1 μs内,但转换时间不能过快,因为过快会对采集系统产生很大的干扰,应该在20 MHz以内;为了满足采样的精度,ADC位数不能小于12 bit;ADC通道至少为4通道。
 TI公司所生产的THS1207是一种流水线结构型的模数转换器,12 bit数高精度、4通道同步采样,转换速率为6 MHz,4通道同步采样时,每个通道速率为1.5 MHz。因此,本设计选用THS1207高速ADC作为采样芯片。
1.3.2 THS1207基本特性
 THS1207基本特性有以下几点:
 (1)同时采样,采样信号可以是4个单端信号或者差分信号,也可以是两种信号的结合;
 (2)低功耗:216 mW,+5 V电源供电;
 (3)具有高速并行接口;
 (4)微分非线性误差为±1 LSB,积分非线性误差为 ±1.5 LSB。
1.3.3 THS1207管脚及内部结构
 THS1207管脚图如图3所示,下面对THS1207管脚描述。

 AINP、AINM、BINP、BINM为模拟输入端,可以是单端输入,也可以是差分输入;AVDD、AGND分别为模拟电源和模拟地;BVDD、DGND分别为数字电源电压缓冲和数字地缓冲;CONV_CLK是时钟输入;CS0和CS1均为片选信号;DVDD、DGND分别为数字电源和数字地;D0~D9为数字输入输出口;D10/RA0、D11/RA1分别为数字输入输出口;REFIN是共模模拟输入通道的参考输入;REFP和REFM为参考输入;REFOUT为参考输出;RD、WR为数据读写输入输出口;SYNC为同步输出[2]。
THS1207的内部结构框图如图4所示,它由采样保持器、逻辑控制单元、控制寄存器、12 bit流水线ADC和缓冲器等组成。THS1207有4路采样保持器,可同时对4路信号进行采样保持,并按顺序依次对各通道的采样保持值进行转换[3]。
1.3.4 THS1207与单片机的连接
 THS1207与单片机的连接如图5所示。读写信号RD、WR分别连接单片机的RD、WR引脚,同步信号SYNC与单片机P2.1口连接,片选信号CS1与单片机P2.2口连接,12个数据信号D0~D11分别连接到单片机的P0.0~P0.7和P2.4~P2.7。THS1207有4种采样模式,本设计采用4通道连续采样的模式。THS1207在4通道同步采样工作方式下的时序图如图6所示。

 

 

2 采集系统的软件设计
 本系统软件设计的方案是:让THS1207在某个时钟频率下一直连续采样,利用单片机内部定时器产生中断,在一个周期内采样8次,单片机再响应内部中断,最后THS1207读SYNC上的信号,当SYNC信号有效后,单片机读取THS1207的数据并进行处理[4]。这种设计使得软件执行效率高,能够保持每个通道采样数据的同步,实时性好。软件流程图如图7所示。

3 实验数据
 表1所示为控制器限流30 A所测的一组数据。电机稳定在某个固定转速时,负载以线性方式逐步增加时,控制器的输入电流跟随负载扭矩的变化而线性增加。当负载大到一定程度时,电流不随负载扭矩的增加而增加,而是稳定在某一固定的值上。

 本文详细介绍了高速模数转换器THS1207的基本特性,重点介绍了THS1207在电动车无刷直流电机中的应用,实现了在电机运行过程中对控制器相关参数的同步实时采集。
参考文献
[1] 覃利秋.流水线结构A/D转换器THS1206及其应用[J].陕西科技大学学报,2006,24(4):110-114.
[2] 赵延安,张效民.基于THS1206的水下多路数据采集系统设计与实现[J].电声技术,2006(11):29-32.
[3] 赵延安,张效民,于洋,等.一种低功耗水下目标被动定位系统设计[J].鱼雷技术,2010,18(5):346-351.
[4] 阎振华,黄建国,何成兵.阵列多通道同步采集系统与多处理器结构的数据采集方法实现[J].测控技术,2007,26(9):23-25.

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