內容提要：闡述一種新型的數字步進(jìn)分羅經(jīng)信號轉換系統的基本原理，采用VHDL語(yǔ)言設計基于CPLD的控制器，與單片機組成了變頻信號源，實(shí)現二進(jìn)制數字信號-格雷碼的轉換，帶動(dòng)步進(jìn)分羅經(jīng)，構成完整的傳向系統。同時(shí)解決了步進(jìn)電機的過(guò)沖和失步問(wèn)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)采用數字輸出，可直接與各種導航儀器的微機接口聯(lián)網(wǎng)，能夠適應船舶駕駛自動(dòng)化的發(fā)展要求。但同時(shí)給傳向系統帶來(lái)了新的問(wèn)題：大部分船只使用的是步進(jìn)式或同步式分羅經(jīng)(復示儀)，二進(jìn)制數字信號無(wú)法直接驅動(dòng)步進(jìn)電機或自整角機。所以就需要一種轉換系統，將數字信號轉化為對應的步進(jìn)型或者同步型分羅經(jīng)驅動(dòng)信號。
關(guān)于數字—同步分羅經(jīng)的信號轉換將另文討論。
數字—步進(jìn)分羅經(jīng)的信號轉換的實(shí)現，就是將二進(jìn)制數字信號轉換為格雷碼的過(guò)程。其中變頻信號源是轉換系統的核心，以往都是通過(guò)計數器來(lái)實(shí)現，但是它占用CPU的時(shí)間過(guò)多，可靠性不高，難以滿(mǎn)足傳向系統實(shí)時(shí)性的要求。
本文主要闡述一種新型的數字—步進(jìn)分羅經(jīng)信號轉換系統的原理。該系統采用VHDL語(yǔ)言，設計了基于CPLD器件的信號發(fā)生電路，與單片機組成了變頻信號源，帶動(dòng)分羅經(jīng)，構成完整的羅經(jīng)導航傳向系統。
1 信號轉換系統的組成及工作原理
步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線(xiàn)位移的機電元件，實(shí)質(zhì)上是數字/角度轉換器。它的控制系統主要由信號發(fā)生電路及步進(jìn)電機驅動(dòng)器等組成。信號發(fā)生電路包括晶振、CPLD器件、單片機和接口電路；驅動(dòng)器部分由正反轉控制電路、脈沖分配器和功率放大電路(圖中未畫(huà)出)組成。
如圖1所示，單片機通過(guò)接口電路收到主羅經(jīng)輸出，的數字信息，運算后將控制信息和航向信息并行傳送給CPLD器件，然后輸出串行驅動(dòng)脈沖，由脈沖分配器轉化為格雷碼，實(shí)現對步進(jìn)電機的控制，使復示儀刻度盤(pán)轉到相應位置。
2 信號發(fā)生電路的構成及實(shí)現
CPLD器件是一種新型的復雜可編程邏輯器件，適合于時(shí)序邏輯電路、組合邏輯電路等應用場(chǎng)合。它是實(shí)現信號發(fā)生電路的關(guān)鍵，本文用它來(lái)設計變頻信號源。
2．1 CPLD系統結構
以CPLD為核心控制器件的步進(jìn)電機脈沖發(fā)生器主要包括以下部分：與單片機接口的數據鎖存電路、連續分頻電路、脈沖產(chǎn)生電路、方向信號產(chǎn)生電路等。CPLD系統總體結構如圖2所示。
為了實(shí)現步進(jìn)電機按照要求的步數運行，CPLD必須能夠將單片機傳送過(guò)來(lái)的并行的二進(jìn)制信息通過(guò)一定的實(shí)現電路轉化為串行的驅動(dòng)脈沖送出。此電路的具體實(shí)現方法如下：當單片機發(fā)送步進(jìn)脈沖使能信號ena(上升沿有效)時(shí)，CPLD將鎖存器中保存的步進(jìn)脈沖數據送人到二進(jìn)制減計數器的預置數端，允許頻率發(fā)生器的脈沖輸出直接送到步進(jìn)電機脈沖發(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。當計數器減到零時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)封鎖信號flag，封鎖頻率發(fā)生器的輸出脈沖，使得此時(shí)的脈沖輸出為低電平。當下一個(gè)啟動(dòng)命令到來(lái)時(shí)，再次通過(guò)步進(jìn)脈沖使能信號啟動(dòng)，完成下一次的控制。驅動(dòng)脈沖產(chǎn)生流程如圖3所示。
晶振電路是一個(gè)脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續變化的信號發(fā)生器。它可以采用多種線(xiàn)路，在這里采用的是多諧振蕩器和單結晶體管構成的弛張振蕩器兩種。它們都是通過(guò)調節電阻R和電容C的大小來(lái)改變電容充放電的時(shí)間常數，以達到選取脈沖頻率的目的。
2．2 步進(jìn)電機速度控制
在步進(jìn)型傳向系統中，步進(jìn)電機以開(kāi)環(huán)方式無(wú)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每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當，電機不能夠移到新的位置，那么實(shí)際的負載位置相對控制器所期待的位置出現永久誤差，即發(fā)生失步現象或過(guò)沖現象，主羅經(jīng)和分羅經(jīng)就無(wú)法實(shí)現同步，將嚴重影響海上航行安全。如何防止失步和過(guò)沖是保證同步的關(guān)鍵。
為了克服失步和過(guò)沖現象，應在步進(jìn)電機啟停時(shí)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)電機的響應頻率變化，步進(jìn)電機就會(huì )失步，失步會(huì )導致步進(jìn)電機停轉，從而影響系統的正常工作。因此，在步進(jìn)電機變速運行中，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改變輸出脈沖的時(shí)間間隔，升速時(shí)使脈沖串逐漸加密，減速時(shí)使脈沖串逐漸稀疏。
為了實(shí)現步進(jìn)電機的加減速控制，就需要能夠改變步進(jìn)脈沖的頻率。CPLD系統設計了一個(gè)步長(cháng)為1的分頻因子(圖2)，改變分頻因子可實(shí)現分頻系數為1到256連續可調的分頻器。
當基準頻率為15 625 Hz(由外部的一個(gè)500 kHz的有源石英晶體通過(guò)32分頻得到)時(shí)，這樣可以獲得一個(gè)從15 625 Hz按分頻步長(cháng)為1從1到256連續可調的步進(jìn)脈沖頻率。
2．3 脈沖分配電路的構成及實(shí)現
信號發(fā)生電路輸出串行脈沖驅動(dòng)步進(jìn)電機必須用到脈沖分配電路，它是由門(mén)電路和RS雙穩態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路，RS雙穩態(tài)觸發(fā)器的真值表如下：要使步進(jìn)電機正、反兩個(gè)方向都可以運轉，驅動(dòng)電路就需要用到與門(mén)及非門(mén)，如圖5所示，CPLD系統輸出的方向信號同時(shí)送到正、反轉電路，如果為0，驅動(dòng)脈沖通過(guò)正轉電路送到分配電路，如果方向信號為1，驅動(dòng)脈沖就通過(guò)反轉電路，正轉電路截止，情況正好相反。
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R |
S |
Q |
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1 |
0 |
1 |
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0 |
1 |
0 |
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1 |
1 |
不變 |
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0 |
0 |
不定 |
驅動(dòng)脈沖經(jīng)過(guò)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(shí)際上就是Sperry型分羅經(jīng)的步序，可以直接和開(kāi)關(guān)放大電路銜接。
3 結束語(yǔ)
上述轉換系統可以將來(lái)自下列設備的數字信號加以轉換及放大：①光纖陀螺羅經(jīng)；②GPS羅經(jīng)；③電羅經(jīng)、磁羅經(jīng)數字信號輸出。系統將代表船舶實(shí)時(shí)航向的數字信號轉化為對應的驅動(dòng)信號，驅動(dòng)若干個(gè)步進(jìn)型分羅經(jīng)。這里的“船舶實(shí)時(shí)航向的數字信號”指的是：符合IEC61 162標準的航向語(yǔ)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(mǎn)足傳向系統的要求，電路簡(jiǎn)單可靠，輸出波形穩定，電機運行穩定且無(wú)失步現象。
參考文獻
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作者：吳廣宇 陳錦標 來(lái)源：航海技術(shù)
