MAX504型數/模轉換器在無刷同步發電機勵磁控制裝置中的應用

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1 引言

無刷同步發電機勵磁控制裝置主要應用於df11型和df8b型鐵路內燃幹線機車的交流輔助傳動系統。無刷勵磁控制裝置和交流輔助發電機共為一體，對發電機的勵磁機勵磁進行控制，從而達到控制發電機勵磁的目的，通過無刷勵磁控制裝置的控制信號，使交流輔助發電機在不同工況下保證u/f比恆定。當負載突然變化時，勵磁控制裝置能迅速調節勵磁電流，使發電機輸出特性變硬，保證輔助系統穩定工作。無刷同步發電機勵磁控制裝置的結構如圖1所示，無刷同步發電機勵磁控制裝置需採集發電機輸出交流電壓va、vb、vc等模擬量，經過信號測量電路取得電壓信號和轉速信號，發電機轉速信號輸入到80c196mc型單片機，通過max504變換成模擬基準電壓信號，此信號即為上述電壓檢測信號與經過pi計算後輸出的控制信號，控制無刷同步發電機勵磁機的勵磁，從而控制其輸出電壓。

2 max504的引腳排列及功能

max504是由美信（maxim）公司生產的一種低功耗、電壓輸出型10位串行數/模轉換器。max504既可用＋5v單電源工作，也可用±5v雙電源工作。該電路採用14引腳dip型或so型封裝，圖2示出它的引腳排列，表1介紹它的引腳功能。

圖3示出max504的結構框圖，max504內部的運算放大器增益可以設置成1或2，還可設置成單極性或雙極性輸出電壓，max504利用1個帶有單電源供電的運算放大器「倒轉的」r－2r梯形網絡，將10位數位訊號轉換為模擬電壓信號，由於電流輸出型數/模轉換器的refin引腳是運算放大器求和的連接點或虛地，因此用「倒轉的」這個術語描述該梯形網絡，然而，相對參考電壓來說，這種應用會導致輸出電壓反向，max504的拓撲使得輸出的極性與參考電壓輸入極性相同。上電時，內部復位電路使dac寄存器復位為零，此外，當clr引腳保持低電平時，使寄存器都置零，clr引腳的工作異步並獨立於片選cs端。

3 max504的工作模式

3.1 單極性配置

將bipoff和rfb連接到vout，max504可被配置成增益為1（0v到vrefin的單位極性輸出）的模式，此配置中，d/a轉換器可工作於單電源或雙電源供電方式，將bipoff連接到agnd和rfb，則可被配置成增益為2（0v至2vrefin的單極性輸出）的模式，在本模式中，max504既可以單電源工作，也可以雙電源工作。

3.2 雙極性配置

將bipoff連接到refin和rfb，雙電源（±5v）供電，使max504成為雙極性配置。

3.3 四象限乘法器

將bipoff連接至refin，rfb連接至vout，然後再用偏移二進位數字模式，電源供電，或在vss＋2v至vdd－2v範圍內由refin輸入雙極性模擬信號，這樣，max504就可以作四象限乘法器。工作模式的3種配置具體連線圖可參考文獻[2]。

4 工作時序

max504的工作時序如圖4所示，最大時鐘頻率由1/（tch＋tcl）決定，大約是14mhz，數據更新率受片選周期限制，其周期為16×（tch＋tcl）＋tcsw，相當於1.14μs，或者877khz的更新率。然而，10位d/a轉換的建立時間為25μs，這樣，更新率限制為40khz。

max504使用3線串行接口，這種接口與spitm、qspitm（cpol＝cpha＝0）和microwire標準兼容，通過寫入2個8位字節對dac進行編程（如圖2所示）,16位串行數據按下列順序進入d/a轉換器：4位填充（啞元）位、10位數據位、2位「0」。4位啞元位數據通常是無用的，然而2位「0」數據是需要的，這是因為要求其硬體和軟體必須與12位max531/max538/max539兼容。sclk為低電平時，應該出現cs跳變，cs為低電平時，數據在sclk的上升沿出現時輸入，串行輸入數據保持在16位串行移位寄存器中。cs出現上升沿時，10位數據被傳輸到dac寄存器，更新dac。隨著cs變為高電平，數據不能進入max504。max504以16位數據塊輸入數據，spi和microwire接口以8位數據塊輸出數據，因此，要求在2個寫周期輸入數據至dac，qspi接口要求8位到16位可變的數據輸入，且以一個寫周期載入dac。

5 max504的應用

根據max504的工作原理及上述工作時序，採用max504（單極性輸出方式）增益為1的工作模式，可以設計無刷同步發電機勵磁控制裝置中80c196mc與max504的硬體接口電路，出圖5所示。將max504的din、sclk和cs分別接到80c196mc的p2.5/compare1、p2.6/compare2和p2.7/compare3，無刷同步發電機轉速信號fcpu輸入80c196mc後，經過控制軟體處理，然後通過p2.5/compare1將數位訊號輸出至max504的din，使max504產生所需電壓基準信號vout，使之與實際檢測電壓進行pi計算後產生無刷同步發電機勵磁機的勵磁控制信號，接口控制軟體如下：

　　　ldb wsr，＃7eh

　　　ldb p2_mode，＃00h

　　　ldb p2_dir，＃00h

　　　ldb p2_reg，＃80h

　　　ld data1，＃02h

ad00：ldb reg1，＃16

　　　ld temp，data1

　　　shl temp，＃2

ad01：shl temp，＃1

　　　andb p2_reg，＃00h；

　　　jnc zero1

　　　orb p2_reg，＃20h；

zero1：orb p2_reg，＃40h；

　　　djnz reg1，ad01；

　　　orb p2_reg，＃80h

　　　sjmp ad00
　　　
　　　 ret

6 結束語

筆者設計的無刷同步發電機勵磁控制裝置現已應用於df8b型內燃機車的交流輔助傳動系統，運行試驗證明該控制裝置能夠滿足實際應用要求。