內(nèi)容提要：闡述一種新型的數(shù)字步進(jìn)分羅經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的基本原理，采用VHDL語言設(shè)計(jì)基于CPLD的控制器，與單片機(jī)組成了變頻信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)-格雷碼的轉(zhuǎn)換，帶動(dòng)步進(jìn)分羅經(jīng)，構(gòu)成完整的傳向系統(tǒng)。同時(shí)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(dòng)化的發(fā)展要求。但同時(shí)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(hào)無法直接驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的步進(jìn)型或者同步型分羅經(jīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

關(guān)于數(shù)字—同步分羅經(jīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換將另文討論。

數(shù)字—步進(jìn)分羅經(jīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)，就是將二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為格雷碼的過程。其中變頻信號(hào)源是轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心，以往都是通過計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，但是它占用CPU的時(shí)間過多，可靠性不高，難以滿足傳向系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的原理。該系統(tǒng)采用VHDL語言，設(shè)計(jì)了基于CPLD器件的信號(hào)發(fā)生電路，與單片機(jī)組成了變頻信號(hào)源，帶動(dòng)分羅經(jīng)，構(gòu)成完整的羅經(jīng)導(dǎo)航傳向系統(tǒng)。

1 信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，實(shí)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(hào)發(fā)生電路及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成。信號(hào)發(fā)生電路包括晶振、CPLD器件、單片機(jī)和接口電路；驅(qū)動(dòng)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(yùn)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(dòng)脈沖，由脈沖分配器轉(zhuǎn)化為格雷碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)發(fā)生電路的構(gòu)成及實(shí)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(shí)序邏輯電路、組合邏輯電路等應(yīng)用場(chǎng)合。它是實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生電路的關(guān)鍵，本文用它來設(shè)計(jì)變頻信號(hào)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(hào)產(chǎn)生電路等。CPLD系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按照要求的步數(shù)運(yùn)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(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)化為串行的驅(qū)動(dòng)脈沖送出。此電路的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：當(dāng)單片機(jī)發(fā)送步進(jìn)脈沖使能信號(hào)ena(上升沿有效)時(shí)，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(jì)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(duì)頻率發(fā)生器輸出的脈沖信號(hào)clk進(jìn)行減計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器減到零時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)封鎖信號(hào)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(dāng)下一個(gè)啟動(dòng)命令到來時(shí)，再次通過步進(jìn)脈沖使能信號(hào)啟動(dòng)，完成下一次的控制。驅(qū)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(xù)變化的信號(hào)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(shí)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(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是它必須正確響應(yīng)每次勵(lì)磁變化。如果勵(lì)磁頻率選擇不當(dāng)，電機(jī)不能夠移到新的位置，那么實(shí)際的負(fù)載位置相對(duì)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(shí)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(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(yùn)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(huì)失步，失步會(huì)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(yùn)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(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(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(jì)了一個(gè)步長(zhǎng)為1的分頻因子(圖2)，改變分頻因子可實(shí)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(gè)500 kHz的有源石英晶體通過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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)

信號(hào)發(fā)生電路輸出串行脈沖驅(qū)動(dòng)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(gè)方向都可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)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(hào)同時(shí)送到正、反轉(zhuǎn)電路，如果為0，驅(qū)動(dòng)脈沖通過正轉(zhuǎn)電路送到分配電路，如果方向信號(hào)為1，驅(qū)動(dòng)脈沖就通過反轉(zhuǎn)電路，正轉(zhuǎn)電路截止，情況正好相反。

驅(qū)動(dòng)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(shí)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(hào)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(hào)輸出。系統(tǒng)將代表船舶實(shí)時(shí)航向的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)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(shù)字信號(hào)”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(hào)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(jiǎn)單可靠，輸出波形穩(wěn)定，電機(jī)運(yùn)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)