內(nèi)容提要:闡述一種新型的數(shù)字步進(jìn)分羅經(jīng)信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的基本原理,采用VHDL語言設(shè)計基于CPLD的控制器,與單片機(jī)組成了變頻信號源,實現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)字信號-格雷碼的轉(zhuǎn)換,帶動步進(jìn)分羅經(jīng),構(gòu)成完整的傳向系統(tǒng)。同時解決了步進(jìn)電機(jī)的過沖和失步問題,確保主羅經(jīng)與分羅經(jīng)的同步。
關(guān)鍵詞:陀螺羅經(jīng)分羅經(jīng)步進(jìn)電機(jī)CPLD控制器
0 引言
目前光纖陀螺羅經(jīng)和部分電羅經(jīng)采用數(shù)字輸出,可直接與各種導(dǎo)航儀器的微機(jī)接口聯(lián)網(wǎng),能夠適應(yīng)船舶駕駛自動化的發(fā)展要求。但同時給傳向系統(tǒng)帶來了新的問題:大部分船只使用的是步進(jìn)式或同步式分羅經(jīng)(復(fù)示儀),二進(jìn)制數(shù)字信號無法直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或自整角機(jī)。所以就需要一種轉(zhuǎn)換系統(tǒng),將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的步進(jìn)型或者同步型分羅經(jīng)驅(qū)動信號。
關(guān)于數(shù)字—同步分羅經(jīng)的信號轉(zhuǎn)換將另文討論。
數(shù)字—步進(jìn)分羅經(jīng)的信號轉(zhuǎn)換的實現(xiàn),就是將二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為格雷碼的過程。其中變頻信號源是轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心,以往都是通過計數(shù)器來實現(xiàn),但是它占用CPU的時間過多,可靠性不高,難以滿足傳向系統(tǒng)實時性的要求。
本文主要闡述一種新型的數(shù)字—步進(jìn)分羅經(jīng)信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的原理。該系統(tǒng)采用VHDL語言,設(shè)計了基于CPLD器件的信號發(fā)生電路,與單片機(jī)組成了變頻信號源,帶動分羅經(jīng),構(gòu)成完整的羅經(jīng)導(dǎo)航傳向系統(tǒng)。
1 信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的組成及工作原理
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件,實質(zhì)上是數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。它的控制系統(tǒng)主要由信號發(fā)生電路及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器等組成。信號發(fā)生電路包括晶振、CPLD器件、單片機(jī)和接口電路;驅(qū)動器部分由正反轉(zhuǎn)控制電路、脈沖分配器和功率放大電路(圖中未畫出)組成。
如圖1所示,單片機(jī)通過接口電路收到主羅經(jīng)輸出,的數(shù)字信息,運算后將控制信息和航向信息并行傳送給CPLD器件,然后輸出串行驅(qū)動脈沖,由脈沖分配器轉(zhuǎn)化為格雷碼,實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制,使復(fù)示儀刻度盤轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置。
2 信號發(fā)生電路的構(gòu)成及實現(xiàn)
CPLD器件是一種新型的復(fù)雜可編程邏輯器件,適合于時序邏輯電路、組合邏輯電路等應(yīng)用場合。它是實現(xiàn)信號發(fā)生電路的關(guān)鍵,本文用它來設(shè)計變頻信號源。
2.1 CPLD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
以CPLD為核心控制器件的步進(jìn)電機(jī)脈沖發(fā)生器主要包括以下部分:與單片機(jī)接口的數(shù)據(jù)鎖存電路、連續(xù)分頻電路、脈沖產(chǎn)生電路、方向信號產(chǎn)生電路等。CPLD系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
為了實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按照要求的步數(shù)運行,CPLD必須能夠?qū)纹瑱C(jī)傳送過來的并行的二進(jìn)制信息通過一定的實現(xiàn)電路轉(zhuǎn)化為串行的驅(qū)動脈沖送出。此電路的具體實現(xiàn)方法如下:當(dāng)單片機(jī)發(fā)送步進(jìn)脈沖使能信號ena(上升沿有效)時,CPLD將鎖存器中保存的步進(jìn)脈沖數(shù)據(jù)送人到二進(jìn)制減計數(shù)器的預(yù)置數(shù)端,允許頻率發(fā)生器的脈沖輸出直接送到步進(jìn)電機(jī)脈沖發(fā)生器的脈沖輸出端上,并對頻率發(fā)生器輸出的脈沖信號clk進(jìn)行減計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器減到零時,產(chǎn)生一個封鎖信號flag,封鎖頻率發(fā)生器的輸出脈沖,使得此時的脈沖輸出為低電平。當(dāng)下一個啟動命令到來時,再次通過步進(jìn)脈沖使能信號啟動,完成下一次的控制。驅(qū)動脈沖產(chǎn)生流程如圖3所示。
晶振電路是一個脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續(xù)變化的信號發(fā)生器。它可以采用多種線路,在這里采用的是多諧振蕩器和單結(jié)晶體管構(gòu)成的弛張振蕩器兩種。它們都是通過調(diào)節(jié)電阻R和電容C的大小來改變電容充放電的時間常數(shù),以達(dá)到選取脈沖頻率的目的。
2.2 步進(jìn)電機(jī)速度控制
在步進(jìn)型傳向系統(tǒng)中,步進(jìn)電機(jī)以開環(huán)方式無需反饋就可以對位置和速度進(jìn)行控制。但是它必須正確響應(yīng)每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當(dāng),電機(jī)不能夠移到新的位置,那么實際的負(fù)載位置相對控制器所期待的位置出現(xiàn)永久誤差,即發(fā)生失步現(xiàn)象或過沖現(xiàn)象,主羅經(jīng)和分羅經(jīng)就無法實現(xiàn)同步,將嚴(yán)重影響海上航行安全。如何防止失步和過沖是保證同步的關(guān)鍵。
為了克服失步和過沖現(xiàn)象,應(yīng)在步進(jìn)電機(jī)啟停時進(jìn)行如圖4所示的升降速控制。
從圖4中可以看出L2段為恒速運行,L1段為升頻,L3段為降頻,按照“失步”的定義,如果在Ll及L3段上升及下降的控制頻率變化大于步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)頻率變化,步進(jìn)電機(jī)就會失步,失步會導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn),從而影響系統(tǒng)的正常工作。因此,在步進(jìn)電機(jī)變速運行中,必須進(jìn)行正確的升降速控制。為此在脈沖發(fā)生電路中可以采用單片機(jī)改變輸出脈沖的時間間隔,升速時使脈沖串逐漸加密,減速時使脈沖串逐漸稀疏。
為了實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加減速控制,就需要能夠改變步進(jìn)脈沖的頻率。CPLD系統(tǒng)設(shè)計了一個步長為1的分頻因子(圖2),改變分頻因子可實現(xiàn)分頻系數(shù)為1到256連續(xù)可調(diào)的分頻器。
當(dāng)基準(zhǔn)頻率為15 625 Hz(由外部的一個500 kHz的有源石英晶體通過32分頻得到)時,這樣可以獲得一個從15 625 Hz按分頻步長為1從1到256連續(xù)可調(diào)的步進(jìn)脈沖頻率。
2.3 脈沖分配電路的構(gòu)成及實現(xiàn)
信號發(fā)生電路輸出串行脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)必須用到脈沖分配電路,它是由門電路和RS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路,RS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的真值表如下:要使步進(jìn)電機(jī)正、反兩個方向都可以運轉(zhuǎn),驅(qū)動電路就需要用到與門及非門,如圖5所示,CPLD系統(tǒng)輸出的方向信號同時送到正、反轉(zhuǎn)電路,如果為0,驅(qū)動脈沖通過正轉(zhuǎn)電路送到分配電路,如果方向信號為1,驅(qū)動脈沖就通過反轉(zhuǎn)電路,正轉(zhuǎn)電路截止,情況正好相反。
R |
S |
Q |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
不變 |
0 |
0 |
不定 |
驅(qū)動脈沖經(jīng)過分配電路之后,就形成了A—AB—B—BC—C—CA—A順序的三相雙六拍的通電方式。從脈沖分配器中輸出的是3位6進(jìn)制的格雷碼,實際上就是Sperry型分羅經(jīng)的步序,可以直接和開關(guān)放大電路銜接。
3 結(jié)束語
上述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以將來自下列設(shè)備的數(shù)字信號加以轉(zhuǎn)換及放大:①光纖陀螺羅經(jīng);②GPS羅經(jīng);③電羅經(jīng)、磁羅經(jīng)數(shù)字信號輸出。系統(tǒng)將代表船舶實時航向的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的驅(qū)動信號,驅(qū)動若干個步進(jìn)型分羅經(jīng)。這里的“船舶實時航向的數(shù)字信號”指的是:符合IEC61 162標(biāo)準(zhǔn)的航向語句,其格式為:$HEHDT,XXX,X.T* hh<CR> <LF>其波特率為:4800;接口電平為:RS422。
采用AT89C51單片機(jī)和CPLD器件EPM 7128組成通用的變頻信號發(fā)生器可以用于Sperry型和Brown型分羅經(jīng),能夠滿足傳向系統(tǒng)的要求,電路簡單可靠,輸出波形穩(wěn)定,電機(jī)運行穩(wěn)定且無失步現(xiàn)象。
參考文獻(xiàn)
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作者:吳廣宇 陳錦標(biāo) 來源:航海技術(shù)