MAX504型數(shù)/模轉(zhuǎn)換器在無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制裝置中的應(yīng)用

1 引言

無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制裝置主要應(yīng)用于df11型和df8b型鐵路內(nèi)燃干線機(jī)車的交流輔助傳動(dòng)系統(tǒng)。無刷勵(lì)磁控制裝置和交流輔助發(fā)電機(jī)共為一體，對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的目的，通過無刷勵(lì)磁控制裝置的控制信號(hào)，使交流輔助發(fā)電機(jī)在不同工況下保證u/f比恒定。當(dāng)負(fù)載突然變化時(shí)，勵(lì)磁控制裝置能迅速調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)輸出特性變硬，保證輔助系統(tǒng)穩(wěn)定工作。無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制裝置需采集發(fā)電機(jī)輸出交流電壓va、vb、vc等模擬量，經(jīng)過信號(hào)測量電路取得電壓信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入到80c196mc型單片機(jī)，通過max504變換成模擬基準(zhǔn)電壓信號(hào)，此信號(hào)即為上述電壓檢測信號(hào)與經(jīng)過pi計(jì)算后輸出的控制信號(hào)，控制無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)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(chǎn)的一種低功耗、電壓輸出型10位串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。max504既可用＋5v單電源工作，也可用±5v雙電源工作。該電路采用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(jié)構(gòu)框圖，max504內(nèi)部的運(yùn)算放大器增益可以設(shè)置成1或2，還可設(shè)置成單極性或雙極性輸出電壓，max504利用1個(gè)帶有單電源供電的運(yùn)算放大器“倒轉(zhuǎn)的”r－2r梯形網(wǎng)絡(luò)，將10位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，由于電流輸出型數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的refin引腳是運(yùn)算放大器求和的連接點(diǎn)或虛地，因此用“倒轉(zhuǎn)的”這個(gè)術(shù)語描述該梯形網(wǎng)絡(luò)，然而，相對(duì)參考電壓來說，這種應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致輸出電壓反向，max504的拓?fù)涫沟幂敵龅臉O性與參考電壓輸入極性相同。上電時(shí)，內(nèi)部復(fù)位電路使dac寄存器復(fù)位為零，此外，當(dāng)clr引腳保持低電平時(shí)，使寄存器都置零，clr引腳的工作異步并獨(dú)立于片選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(zhuǎn)換器可工作于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，然后再用偏移二進(jìn)制數(shù)字模式，電源供電，或在vss＋2v至vdd－2v范圍內(nèi)由refin輸入雙極性模擬信號(hào)，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(xiàn)[2]。

4 工作時(shí)序

max504的工作時(shí)序如圖4所示，最大時(shí)鐘頻率由1/（tch＋tcl）決定，大約是14mhz，數(shù)據(jù)更新率受片選周期限制，其周期為16×（tch＋tcl）＋tcsw，相當(dāng)于1.14μs，或者877khz的更新率。然而，10位d/a轉(zhuǎn)換的建立時(shí)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(biāo)準(zhǔn)兼容，通過寫入2個(gè)8位字節(jié)對(duì)dac進(jìn)行編程（如圖2所示）,16位串行數(shù)據(jù)按下列順序進(jìn)入d/a轉(zhuǎn)換器：4位填充（啞元）位、10位數(shù)據(jù)位、2位“0”。4位啞元位數(shù)據(jù)通常是無用的，然而2位“0”數(shù)據(jù)是需要的，這是因?yàn)橐笃溆布蛙浖仨毰c12位max531/max538/max539兼容。sclk為低電平時(shí)，應(yīng)該出現(xiàn)cs跳變，cs為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)在sclk的上升沿出現(xiàn)時(shí)輸入，串行輸入數(shù)據(jù)保持在16位串行移位寄存器中。cs出現(xiàn)上升沿時(shí)，10位數(shù)據(jù)被傳輸?shù)絛ac寄存器，更新dac。隨著cs變?yōu)楦唠娖?，?shù)據(jù)不能進(jìn)入max504。max504以16位數(shù)據(jù)塊輸入數(shù)據(jù)，spi和microwire接口以8位數(shù)據(jù)塊輸出數(shù)據(jù)，因此，要求在2個(gè)寫周期輸入數(shù)據(jù)至dac，qspi接口要求8位到16位可變的數(shù)據(jù)輸入，且以一個(gè)寫周期載入dac。

5 max504的應(yīng)用

根據(jù)max504的工作原理及上述工作時(shí)序，采用max504（單極性輸出方式）增益為1的工作模式，可以設(shè)計(jì)無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制裝置中80c196mc與max504的硬件接口電路，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(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)fcpu輸入80c196mc后，經(jīng)過控制軟件處理，然后通過p2.5/compare1將數(shù)字信號(hào)輸出至max504的din，使max504產(chǎn)生所需電壓基準(zhǔn)信號(hào)vout，使之與實(shí)際檢測電壓進(jìn)行pi計(jì)算后產(chǎn)生無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁控制信號(hào)，接口控制軟件如下：

　　　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(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制裝置現(xiàn)已應(yīng)用于df8b型內(nèi)燃機(jī)車的交流輔助傳動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)行試驗(yàn)證明該控制裝置能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求。