步進(jìn)電機(jī)對(duì)測(cè)量角度的定位與控制

楊海光 劉文怡 朱思敏 張會(huì)新

(電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，山西 太原 030051;中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，山西 太原 030051)

0 引言

步進(jìn)電機(jī)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

隨著航空航天和飛行武器的快速發(fā)展，物體姿態(tài)的控制精度和反應(yīng)速度成為精確與快速打擊的關(guān)鍵因素。本文基于快速與精確調(diào)整設(shè)備姿態(tài)的目的，采用步進(jìn)電機(jī)配合傾角傳感器［1-2］，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易精確的姿態(tài)角度測(cè)量控制系統(tǒng)，為低成本、高精度測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了參考。

本文將傾角傳感器鑲嵌在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，控制計(jì)算機(jī)下發(fā)定位角度;通過(guò)FPGA將定位角度與當(dāng)前實(shí)際角度進(jìn)行對(duì)比運(yùn)算，以控制輸出脈沖個(gè)數(shù)的方式來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;并將傾角傳感器的實(shí)際測(cè)量值反饋給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)水平面角度的測(cè)量。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The overall structure of system

ROB100上電(12 V)即工作，并立刻通過(guò)RS-232串口輸出傾角數(shù)據(jù)，波特率為57600 bit/s，輸出的數(shù)據(jù)格式為每幀7個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

表1 數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Format of the data frame

本設(shè)計(jì)主要可分為5個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元——外接的數(shù)字式傾角傳感器、主控單元——FPGA、控制終端——上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元——功率放大器(步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片)、執(zhí)行單元——永磁式減速型

表1中，X軸方向表示橫滾角，Y軸方向表示俯仰角，本設(shè)計(jì)選用的是X軸方向的角度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量與定位的控制。經(jīng)試驗(yàn)證明，Y軸方向的控制與X軸的原理相同。

數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232接口異步串行進(jìn)入FPGA。通過(guò)FPGA內(nèi)部邏輯運(yùn)算和處理，將實(shí)際測(cè)量角度反饋給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。上位機(jī)下發(fā)定位角度，將角度轉(zhuǎn)換的脈沖數(shù)通過(guò)脈沖分配器輸出;再經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的功率放大后給到電機(jī)上，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的位置，并在當(dāng)前位置保持動(dòng)態(tài)平衡。

2 硬件電路設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 硬件設(shè)計(jì)

外部電源給傳感器供電，供電電壓為12 V。傳感器上電后下發(fā)傾角數(shù)據(jù)，通過(guò)串口逐位進(jìn)入MAX3232中。MAX3232將12 V的電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為5 V的電平數(shù)據(jù)后串行進(jìn)入FPGA。RS-232串口通信原理圖如圖2所示。

圖2 RS-232串口通信原理圖Fig.2 Principle of RS-232 serial port communication

通過(guò)對(duì)底層邏輯程序的編寫，對(duì)串行進(jìn)入FPGA內(nèi)部的傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、編碼、計(jì)算，最終將傾角數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為脈沖個(gè)數(shù)，并根據(jù)電機(jī)工作原理重新分配輸出。FPGA將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片輸出給步進(jìn)電機(jī)。

驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Driving circuit

本設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為24BYJ48-5V，共有4對(duì)磁極即4相，5根線依次為紅、橙(A)、黃(B)、粉(C)、藍(lán)(D)五種顏色。其中藍(lán)線和黃線是一對(duì)，橙線和粉線是一對(duì)，紅線是這兩組線圈抽頭的公共線。藍(lán)線和黃線、橙線和粉線接控制脈沖輸出，所以只需要4個(gè)輸出接口。通過(guò)內(nèi)部邏輯程序的管腳分配，選用的是驅(qū)動(dòng)芯片的前4個(gè)管腳，輸出管腳即OUT1～OUT4。紅線接+5 V的直流電源。

2.2 步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角與輸入的電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，而電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向則由脈沖的分配順序決定［4］。

2.2.1 步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)

不同的步進(jìn)電機(jī)有不同的啟動(dòng)頻率和頻率上限，工作頻率應(yīng)介于兩者之間，電機(jī)才能在非過(guò)載的情況下正常旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)多次計(jì)算和試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)將旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)定為625Hz，選用的電機(jī)步距角為5.625°/64，所以旋轉(zhuǎn)一周需要4096個(gè)脈沖，每一個(gè)脈沖電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度約為0.088°。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式為4相8拍，即A-ABB-BC-C-CD-D-DA-A，8個(gè)狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)［5-7］。

2.2.2 傾角傳感器技術(shù)指標(biāo)

選用的傳感器量程為-90°～90°。傾角傳感器產(chǎn)生的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，解碼方式如下。

①接收的16位整數(shù)≤32768時(shí)，傾角值=16位整數(shù)×90/32768(正角)。

② 接收的16位整數(shù)＞32768時(shí)，傾角值=(16位整數(shù)-65535)×90/32768(負(fù)角)。

由于16位數(shù)每變化一位，角度值也會(huì)隨之變化，所以傾角傳感器的精度理論值為(1/32768)°。

2.2.3 角度與脈沖個(gè)數(shù)的轉(zhuǎn)換

由上述分析可知，步進(jìn)電機(jī)的精度為0.088°。為便于底層邏輯程序編寫時(shí)換算，將這個(gè)角度表示為N;傾角傳感器的精度為(1/32768)°，將這個(gè)角度表示為n，N/n約等于32。所以當(dāng)傾角傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變化約32個(gè)精度單位時(shí)，電機(jī)變化一個(gè)精度單位，即將產(chǎn)生的角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成整數(shù)與32循環(huán)作差。當(dāng)數(shù)據(jù)減到小于32時(shí)，停止作差循環(huán)。通過(guò)計(jì)數(shù)器將“32”的個(gè)數(shù)進(jìn)行累加，即為實(shí)際輸出的脈沖數(shù)。對(duì)于實(shí)際位置偏離參考面的上下兩側(cè)，則通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整要求［8］。

3 邏輯程序設(shè)計(jì)與算法實(shí)現(xiàn)

3.1 邏輯程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)應(yīng)用VHDL作為邏輯程序編輯語(yǔ)言，在此重點(diǎn)介紹計(jì)算器和脈沖分配器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)底層邏輯程序編寫，經(jīng)綜合編譯后生成的頂層圖如圖4所示。

圖4 計(jì)算器和脈沖分配器邏輯程序頂層圖Fig.4 Top layer of the logical program of calculator and pulse distributor

3.1.1 計(jì)算器

計(jì)算模塊連接通信的主要引腳的功能如下。

clk表示時(shí)鐘信號(hào)，使模塊正常工作的時(shí)鐘。rst表示復(fù)位信號(hào)，低電平有效。復(fù)位后計(jì)算器處于初始狀態(tài)。datain表示傾角傳感器下發(fā)的數(shù)據(jù)，計(jì)算器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算處理。wrin表示寫數(shù)據(jù)信號(hào)，每發(fā)生一次由低到高的變化就寫入一組數(shù)據(jù)。busy表示忙碌等待信號(hào)，脈沖分配器反饋給計(jì)算器的信號(hào)。當(dāng)脈沖分配器處于工作執(zhí)行狀態(tài)時(shí)，計(jì)算器停止數(shù)據(jù)的下發(fā)。cntoutX表示脈沖個(gè)數(shù)信號(hào)(最高位控制旋轉(zhuǎn)方向，剩下的為數(shù)據(jù)位)，由計(jì)算器內(nèi)部計(jì)算轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，輸出給脈沖分配器，再由脈沖分配器分配啟動(dòng)脈沖，最終由步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的步數(shù)。

以上信號(hào)中，除cntoutX為輸出信號(hào)外，其余均為輸入信號(hào)。

3.1.2 脈沖分配器

脈沖分配模塊連接通信的主要引腳的功能如下。

clk32表示時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)鐘1.25 MHz。rst表示復(fù)位信號(hào)，低電平有效。復(fù)位后脈沖分配器處于初始狀態(tài)。cntin表示脈沖個(gè)數(shù)信號(hào)，接收計(jì)算器給出的脈沖個(gè)數(shù)及旋轉(zhuǎn)方向。busy表示忙碌等待信號(hào)，脈沖分配器產(chǎn)生，當(dāng)脈沖分配器處于忙碌狀態(tài)時(shí)，輸出為高電平。data表示執(zhí)行信號(hào)，脈沖分配器輸出給步進(jìn)電機(jī)時(shí)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的執(zhí)行脈沖。

以上信號(hào)中，除data為輸出信號(hào)外，其余均為輸入信號(hào)。

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

為了直觀顯示，全面地表示出算法實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，這里以45°所在的平面為參考平面，詳細(xì)介紹了算法的運(yùn)用與實(shí)現(xiàn)。角度示意圖如圖5所示。

傾角傳感器輸出的角度落在第一象限并且大于45°時(shí)，用傳感器角度減去45°，即為調(diào)整角度，旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定為順時(shí)針;當(dāng)傾角傳感器輸出的角度落在第一象限并且小于45°時(shí)，用45°減去傳感器角度，即為調(diào)整角度，旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定為逆時(shí)針;當(dāng)傾角傳感器輸出的角度落在第四象限時(shí)，計(jì)算角度的方法為65535減去接收到的16位數(shù)據(jù)，將這個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成角度，即為傾角傳感器在第四象限中的實(shí)際角度(符號(hào)忽略不計(jì))，再加上參考面設(shè)定的45°，即為需要調(diào)整的角度，旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定為逆時(shí)針。

圖5 角度示意圖Fig.5 Schematic diagram of angle

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)的研究，將開(kāi)環(huán)器件步進(jìn)電機(jī)與傾角傳感器有效結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)了帶反饋的閉環(huán)可控系統(tǒng)，提高了電機(jī)的實(shí)用性。

本設(shè)計(jì)邏輯簡(jiǎn)單、可靠性好，設(shè)計(jì)理念可以有效地應(yīng)用在各種需要維持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的擺翼或舵盤上，也可以根據(jù)需求測(cè)量出實(shí)際應(yīng)用中的俯仰角或橫滾角，具有廣泛的應(yīng)用情景。

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