內容提要：闡述一種新型的數(shù)字步進分羅經(jīng)信號轉換系統(tǒng)的基本原理，采用VHDL語言設計基于CPLD的控制器，與單片機組成了變頻信號源，實現(xiàn)二進制數(shù)字信號-格雷碼的轉換，帶動步進分羅經(jīng)，構成完整的傳向系統(tǒng)。同時解決了步進電機的過沖和失步問題，確保主羅經(jīng)與分羅經(jīng)的同步。
關鍵詞：陀螺羅經(jīng)分羅經(jīng)步進電機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(shù)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式或同步式分羅經(jīng)(復示儀)，二進制數(shù)字信號無法直接驅動步進電機或自整角機。所以就需要一種轉換系統(tǒng)，將數(shù)字信號轉化為對應的步進型或者同步型分羅經(jīng)驅動信號。
關于數(shù)字—同步分羅經(jīng)的信號轉換將另文討論。
數(shù)字—步進分羅經(jīng)的信號轉換的實現(xiàn)，就是將二進制數(shù)字信號轉換為格雷碼的過程。其中變頻信號源是轉換系統(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—步進分羅經(jīng)信號轉換系統(tǒng)的原理。該系統(tǒng)采用VHDL語言，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，帶動分羅經(jīng)，構成完整的羅經(jīng)導航傳向系統(tǒng)。
1 信號轉換系統(tǒng)的組成及工作原理
步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，實質上是數(shù)字/角度轉換器。它的控制系統(tǒng)主要由信號發(fā)生電路及步進電機驅動器等組成。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(圖中未畫出)組成。
如圖1所示，單片機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，然后輸出串行驅動脈沖，由脈沖分配器轉化為格雷碼，實現(xiàn)對步進電機的控制，使復示儀刻度盤轉到相應位置。
2 信號發(fā)生電路的構成及實現(xiàn)
CPLD器件是一種新型的復雜可編程邏輯器件，適合于時序邏輯電路、組合邏輯電路等應用場合。它是實現(xiàn)信號發(fā)生電路的關鍵，本文用它來設計變頻信號源。
2．1 CPLD系統(tǒng)結構
以CPLD為核心控制器件的步進電機脈沖發(fā)生器主要包括以下部分：與單片機接口的數(shù)據(jù)鎖存電路、連續(xù)分頻電路、脈沖產生電路、方向信號產生電路等。CPLD系統(tǒng)總體結構如圖2所示。
為了實現(xiàn)步進電機按照要求的步數(shù)運行，CPLD必須能夠將單片機傳送過來的并行的二進制信息通過一定的實現(xiàn)電路轉化為串行的驅動脈沖送出。此電路的具體實現(xiàn)方法如下：當單片機發(fā)送步進脈沖使能信號ena(上升沿有效)時，CPLD將鎖存器中保存的步進脈沖數(shù)據(jù)送人到二進制減計數(shù)器的預置數(shù)端，允許頻率發(fā)生器的脈沖輸出直接送到步進電機脈沖發(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進行減計數(shù)。當計數(shù)器減到零時，產生一個封鎖信號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。當下一個啟動命令到來時，再次通過步進脈沖使能信號啟動，完成下一次的控制。驅動脈沖產生流程如圖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晶體管構成的弛張振蕩器兩種。它們都是通過調節(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)，以達到選取脈沖頻率的目的。
2．2 步進電機速度控制
在步進型傳向系統(tǒng)中，步進電機以開環(huán)方式無需反饋就可以對位置和速度進行控制。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，那么實際的負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鍵。
為了克服失步和過沖現(xiàn)象，應在步進電機啟停時進行如圖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電機的響應頻率變化，步進電機就會失步，失步會導致步進電機停轉，從而影響系統(tǒng)的正常工作。因此，在步進電機變速運行中，必須進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)步進電機的加減速控制，就需要能夠改變步進脈沖的頻率。CPLD系統(tǒng)設計了一個步長為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)可調的分頻器。
當基準頻率為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)可調的步進脈沖頻率。
2．3 脈沖分配電路的構成及實現(xiàn)
信號發(fā)生電路輸出串行脈沖驅動步進電機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：要使步進電機正、反兩個方向都可以運轉，驅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、反轉電路，如果為0，驅動脈沖通過正轉電路送到分配電路，如果方向信號為1，驅動脈沖就通過反轉電路，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，可以直接和開關放大電路銜接。
3 結束語
上述轉換系統(tǒng)可以將來自下列設備的數(shù)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(shù)字信號輸出。系統(tǒng)將代表船舶實時航向的數(shù)字信號轉化為對應的驅動信號，驅動若干個步進型分羅經(jīng)。這里的“船舶實時航向的數(shù)字信號”指的是：符合IEC61 162標準的航向語句，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，電機運行穩(wěn)定且無失步現(xiàn)象。
參考文獻
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4 寇連波．數(shù)字技術在陀螺羅經(jīng)的應用．青島遠洋船員學院學報2006年第2期
作者：吳廣宇 陳錦標 來源：航海技術
