用于保偏光纖自動定軸的多軸精密細分驅(qū)動系統(tǒng)設計*

李慧鵬， 鄭 曉， 朱偉偉， 譚朦曦

(北京航空航天大學 儀器科學與光學工程學院，北京 100039)

?

用于保偏光纖自動定軸的多軸精密細分驅(qū)動系統(tǒng)設計*

李慧鵬， 鄭 曉， 朱偉偉， 譚朦曦

(北京航空航天大學 儀器科學與光學工程學院，北京 100039)

保偏光纖自動定軸技術涉及光纖位置、姿態(tài)的精確定位、檢測和調(diào)整，對光纖位置、姿態(tài)實時精確的調(diào)整提出了較高的要求。設計并實現(xiàn)了一種用于保偏光纖自動定軸的多軸步進電機細分驅(qū)動控制電路。該電路以TI公司的DSP2812為控制系統(tǒng)核心構架，采用DRV8846作為功率級驅(qū)動芯片，在研究步進電機控制和細分驅(qū)動原理基礎上，對電流細分和自動衰減模式方案進行了設計，有效抑制電機運動過程中的噪聲和機械振動，改善低頻振蕩、高頻失步等現(xiàn)象，在提高步進電機運動性能的同時，實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化。

保偏光纖； 自動定軸； 多軸步進電機； 細分驅(qū)動

0 引 言

在保偏光纖的應用中，特別是在光纖互相連接或者與波導連接時，最為關鍵的是偏振主軸的探測與對軸技術，偏振主軸成功對準后才能進行保偏光纖的連接和耦合等技術。對軸精度的高低對保偏光纖器件的性能(如偏振串擾等)會造成很大的影響： 當對軸誤差小于0.5°時，能夠?qū)⑵翊當_有效地控制在-41dB以內(nèi)[1]。光纖定軸精度直接影響光纖對軸精度，因此，對光纖的定軸精度提出了較高的要求。

目前，光纖定軸前光纖的放置通常采用人工方式，浪費人力、時間的同時，還容易對光纖帶來一定的污染與損傷。為了克服人工放置帶來的不足，提出光纖自動放置技術。光纖自動放置技術要求將直徑為80μm光纖精確放置在長、寬、高為1.6mm×1.5mm×1.2mm的鈮酸鋰基片凹槽中，同樣對電動位移臺的位移精度和分辨率提出要求。

在幾種機械驅(qū)動機構中，步進電機具有控制方式簡單[2-3]、無累計誤差、有利于裝置或設備的小型化和低成本等優(yōu)點，在工業(yè)、科研、醫(yī)療等領域得到了廣泛應用[4-5]。本文在分析步進電機驅(qū)動原理的基礎上，對步進電機的驅(qū)動電路進行了研究，完成了基于TI公司DSP2812+DRV8846的光纖自動定軸系統(tǒng)的多軸精密驅(qū)動電路設計，并對驅(qū)動電路進行了調(diào)試測試，試驗結(jié)果表明該驅(qū)動電路工作可靠，滿足設計需求。

1 多軸精密驅(qū)動系統(tǒng)總體方案

以DSP2812為核心控制單元，產(chǎn)生電機驅(qū)動所需要的控制信號，選用TI公司的步進電機專用集成芯片DRV8846設計功率級驅(qū)動電路。其整體框圖如圖1所示。

為方便更換主控電路或驅(qū)動電路，實現(xiàn)不同系統(tǒng)級設計配置，主控電路和驅(qū)動級電路分開設計制板。主控電路主要指圖1中的DSP2812模塊，該模塊主要實現(xiàn)與PC機的通信和控制信號

圖1 多軸精密驅(qū)動系統(tǒng)總體框圖

的產(chǎn)生。同時，設計基于MFC的多軸精密電路的采集控制界面，由PC機經(jīng)過RS-232發(fā)送控制指令給DSP。DSP接收控制指令，根據(jù)設置的通信協(xié)議，由DSP產(chǎn)生相應的脈沖、方向等控制信號，經(jīng)過DRV8846驅(qū)動級電路輸出實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動控制。

2 硬件電路設計

2.1 電源電路設計

(1) 主控電路電源設計。DSP2812正常工作需要+3.3V和+1.8V電源供電，本文選用了TI公司的TPS767D301電源轉(zhuǎn)換芯片。主控電路電源設計如圖2所示。該芯片可以實現(xiàn)雙路電壓輸出，分別為+3.3V和+1.5～+5.5V范圍可調(diào)輸出，其中，+1.5～+5.5V具體的輸出計算公式為

(1)

圖2 主控電路電源設計

(2) 驅(qū)動級電路電源設計。驅(qū)動級電源電路如圖3所示。該電路電源輸入端通過熔斷絲和二極管實現(xiàn)了防反接設計，對整個驅(qū)動級電路系統(tǒng)進行了反接保護。

2.2 主控電路設計

主控電路以DSP2812作為核心控制芯片。其集成的PWM輸出模塊可減少外圍電路的使用，提高了系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的控制精度[6]。

圖3 功率級電路電源設計

為了實現(xiàn)較好的可擴展性，主控電路除了DSP2812正常工作必要的電源、晶振、JATG口、復位電路外，將芯片的通用I/O口均引出，實際應用中用杜邦線將主控電路對應的引腳與功率級電路對應的接口連接，實現(xiàn)驅(qū)動控制信號的輸出與反饋信號的輸入。圖4是主控電路與單個DRV8846連接的示意圖。

圖4 主控電路與功率級電路示意圖

2.3 驅(qū)動級電路設計

驅(qū)動級電路包括4個模塊，可以實現(xiàn)4個電機的運動控制。DRV8846作為步進電機驅(qū)動電路集成芯片，相比分立元件具有設計簡單，電路調(diào)試容易，電路性能好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，對DRV8846不同功能模塊引腳配置實現(xiàn)不同的電路功能。具體的方案設計如圖5所示。

(1) 細分方案設計。細分驅(qū)動是一種電流波形控制技術，將傳統(tǒng)的矩形電流波形改為階梯型近似正弦波形，在正弦波零值和最大值之間分為若干個等幅值、等寬度的階梯，電流分成多少個階梯，轉(zhuǎn)子就以多少步完成一個原有的步距角。

對于兩相步進電機，若在AB兩相繞組中通入幅值按正弦規(guī)律變化、相位相差的正弦波電流時，就可以得到幅值恒定、角度均勻的合成電流矢量[7]。如式(2)所示：

(2)

DRV8846的M0/M1是三態(tài)輸出引腳，通過對M0/M1引腳狀態(tài)的不同配置設置不同細分，可以實現(xiàn)全步——32細分不同設置。在光纖自動定軸應用中，采用細分控制技術可以提高步進電機的控制精度，降低電機的低頻振蕩，使電機運行更加平滑。

圖5 功率級電路設計

(2) 電流衰減方案設計。DEC0/DEC1/ADEC三個引腳配置繞組電流的衰減模式，DRV8846最新的自動電流衰減技術簡化了衰減模式的選擇與配置，隨著STEP、電流規(guī)格、供電電壓、BEMF和負載等因素的變化相應地改變電流衰減模式，能夠快速響應電流、步數(shù)(STEP)變化的同時而不引起較大的紋波，故本設計將ADEC拉高，選擇電流自動衰減模式。

(3) 輸出電流配置電路設計。與輸出電流配置相關的引腳主要有AOUT1/AOUT2、BOUT1/BOUT2、AISEN/BISEN。其中AOUT1/AOUT2，BOUT1/BOUT2引腳是兩相電機的繞組電流輸出，其大小由式(3)可得

(3)

式中：IFS——滿量程電流；

UREF——由UINT分壓得到(UINT為+3.3V);

RISENSE——電阻值，0.5Ω；

ITORQUE——輸出電流的規(guī)格大小，由I0/I1配置，本文中設置I0/I1均為0，即選用100%。

故根據(jù)式(3)可知，AOUT1/AOUT2、BOUT1/BOUT2引腳輸出電流的大小由UREF值決定。由圖5可知，可以通過微調(diào)電位器調(diào)節(jié)UREF值的大小，從而改變電流輸出。

3 軟件設計

步進電機起動、停止時的加、減速特性直接影響數(shù)控系統(tǒng)的平穩(wěn)性和精確性，因此，實現(xiàn)過渡過程最短的加減速運動是實現(xiàn)高精度、高效率的關鍵[8]。圖6為某型號的步進電機步進速率/扭矩曲線圖，是一般步進電機都有的特性曲線圖。隨著控制脈沖頻率增加，步進電機的轉(zhuǎn)速逐步升高、而帶負載能力下降。圖6中Fs為電機的起動頻率，由于F>Fs時起動電機，可能導致電機停轉(zhuǎn)，從而失去同步性。正常起動電機，需設置F>Fs，起動后再慢慢提高速度。因此，在前面多軸硬件驅(qū)動控制基礎上，增加電機加減速算法的控制，提高控制精度，使電機運行更加平穩(wěn)。

圖6 某型號電機矩頻特性曲線

通常采用的加減速算法主要有梯形曲線、指數(shù)曲線和S曲線[9]。其中，梯形曲線算法簡單、占用機時少、響應快、效率高[10]，故本文采用梯形加減速方案，電機加減速曲線如圖7所示。以步進總數(shù)為基準將電機運行分成三個部分： 前25%的步數(shù)用于步進電機的加速，中間50%用于使電機恒速運行，最后的25%用于電機的減速。具體的加減速算法流程如圖8所示。由圖8可知，只需要給定步進電機的運行步數(shù)，然后在電機運行過程中實時計算已運轉(zhuǎn)步數(shù)占總步數(shù)百分比，并根據(jù)計算結(jié)果相應地改變電機控制方式。

圖7 電機加減速曲線

圖8 軟件算法流程圖

4 試驗與分析

以工程中光纖自動定軸裝置為試驗對象，旨在將直徑為80μm的熊貓光纖自動放置在鈮酸鋰塊凹槽中并實現(xiàn)定軸。光纖自動定軸裝置主要由四維電動位移臺、觀測CCD、光纖旋轉(zhuǎn)器等組成，通過觀測CCD實時采集光纖端面和側(cè)面圖像，確定光纖位置與姿態(tài)，并通過四維位移臺實時調(diào)整。電動位移臺采用北京卓立公司的超高精度電動位移臺SKY- 40搭建而成，電機為海頓21H4U-2.5-118型號兩相直線步進電機，螺距約為0.3164mm，步距角為1.8°，位移臺在不同細分配置下的步進分辨率可由式(3)計算得出：

(3)

式中，Ds為每個STEP位移距離，當電流細分達到16時，位移臺步進分辨率可低至0.10，滿足光纖放置要求。

本文設計的驅(qū)動級電路可輸出4路0～1A的可調(diào)電流(電機工作電流0.49A)，滿足電機驅(qū)動要求。根據(jù)系統(tǒng)速度要求，主控制電路板輸出的脈沖控制信號(STEP)頻率由式(4)可得

(4)

式中：v——電機運轉(zhuǎn)目標速度，單位為r/min；

nm——細分數(shù)；

θstep——步進電機步距角。

圖9(a)～圖9(d)分別為電機繞組線全步、4細分、16細分、32細分時電流波形圖。由圖9可知，全步和4細分運行時，電流波形相比理想的正弦波都有不同程度的畸變，尤其是在全步(沒有細分)的情況下，電流波形有比較嚴重的失真，電機實際運行時也出現(xiàn)不同程度的堵轉(zhuǎn)與卡頓現(xiàn)象，并伴有較大的噪聲；當細分數(shù)達到16細分后，電流波形基本相同，近似為正弦波，電機實際運行時噪聲低，更加平滑流暢，電機的運動性能得到了很大提升。

圖9 電流波形圖

5 結(jié) 語

本文利用DSP2812和DRV8846組合實現(xiàn)多軸步進電機驅(qū)動系統(tǒng)設計。在此基礎上，對步進電機加減速算法做了一定的研究，并在保偏光纖自動定軸裝置中實踐，有效抑制了電機運動過程中的噪聲和機械振動，改善了低頻振動、高頻失步等現(xiàn)象，提高了步進電機的控制精度和步進分辨率，滿足保偏光纖自動定軸裝置要求。

[1] HIROYUKI T, MIKIO Y, TAKESNI Y, et al. Manufacturing method for polarization maintaining optical fiber couplers: EP, US5024501[P].1991.[2] 黃金磊，趙毅飛，李巖. 基于可編程序控制器的步進電動機驅(qū)動方法研究與設計[J]. 微特電機，2015，43(12)： 81-84.

[3] CHONG Y, XU C, FENG H, et al. One kind of control method based on PLC of stepper motor[C]∥ 2nd International Conference on Civil, Materials and Environmental Sciences， Atlantis Press， 2015：418- 421.

[4] BA X, ZUO Y B, WANG J F, et al. Stepper motor driver based on FPGA with USB interface[C]∥Fifth International Symposium on Test Automation & Instrumentation, 2014： 611-616.

[5] SHI R R, LUO J. Stepper motor drive control based on MCU[C]∥Intelligent Information Technology Application Association, Proceedings of the 2011 2nd Asia-Pacific Conference on Wearable Computing Systems and 2011 International Conference on Intelligent Control and Information Technology(ICICIT 2011 V5)， 2011： 1-3.

[6] 熊永康，李躍忠，全麗希.基于TMS320F28335的微位移步進電機控制系統(tǒng)設計[J].電子技術，2014，41(4)： 61-63.

[7] 徐錕，黨幼云，張峰. 四自由度機械手多細分步進電機驅(qū)動器的設計[J]. 西安工程大學學報，2015，29(6)： 714-719.

[8] JEON J W, KIM Y K. FPGA based acceleration and deceleration circuit for industrial robots and CNC machine tols[J]. Mechatrionics，2002，2(4)： 635-642.

[9] 侯艷艷，王洪君，王麗麗. 三軸聯(lián)動數(shù)控雕刻機加減速控制算法的研究[J]. 組合機床與自動化加工技術，2006(7)： 49-51.

[10] 張占立，康春花，郭士軍，等.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)[J].電機與控制應用,2011，38(3)： 40- 41.

Multi-Axis Precision Subdivision Driving System Design for Polarization Maintaining Fiber Automatic Fixed Axis*

LIHuipeng，ZHENGXiao，ZHUWeiwei，TANMengxi

(Science and Optical Engineering College, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100039, China)

The automatic fixed axis technology of the PMF involved precise positioning, testing and adjustment of optical fibers’ position and posture, putting forward higher requirements for the precise adjustment of optical fiber position and orientation in real time. Designed and implemented multi-axis stepper motor subdivision driver control circuit used to the automatic fixed axis of PMF. The circuit took TI’s DSP2812 as the control system core architecture, using DRV8846 as a power stage driver chips, designing the scheme of current decay mode and automatic segmentation based on the study of stepper motor control and segmentation drive the principle. It effectively inhibited the noise and mechanical vibration in the movement of the motor, improving low-frequency vibration, high-frequency step-out, and to enhance the sports performance of the stepper motor.

polarization maintaining fiber(PMF); automatic fixed axis; multi-axis stepper motor; subdivision driver

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(2013YQ040877)

李慧鵬(1975—)，男，博士研究生，研究方向為儀器。

鄭 曉(1994—)，男，碩士研究生，研究方向為硬件電路與嵌入式系統(tǒng)設計。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)10- 0014- 05

2016-03-24