（光学工程专业论文）高精度速度标准源的设计及实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 高精度速度标准源是一种提供标准速度的精密装置，应用在激光测速仪系统中，用 来校正速度，根据步进电机的工作原理和工作方式，信号处理系统采用t i ( t e x a s i n s t r u m e n t s ) 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控芯片，系统具有动态相应快、速度变化范围 大、速度稳度高和实时性好等优点。 本论文的主要内容为，提出了基于d s p 处理技术的高精度速度标准源设计方案。系 统硬件包括了d a 输出电路，放大电路，电机保护电路，r s 4 2 2 通信电路，c a n 总线通信 电路和液晶显示模块。软件方面利用t i 公司专门开发的d s p 开发环境c c s ( c o d e c o m p o s e rs t u d i o ) 进行程序设计，实现了整个系统的信号处理功能，并分析了系统信号 的实时性。在处理方法上，使用步进电机的细分技术，自行设计出一种新的步进电机调 速方法，即采用改变步进电机驱动信号的细分数目的方法来实现电机的速度调节，使用 c 语言和汇编的混合编程，并且在d s p 上实现。结果表明，该设计能够提供稳定可调的 速度，速度最大误差仅为0 0 0 8 r m i n ，速度的稳定度可以达到1 0 1 数量级，不仅验证 了设计的可行性，而且达到了预期的效果。最后部分说明系统的优点和不足，指出该系 统还需进一步完善的地方，并做了展望。 关键词：速度标准源；数字信号处理；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；步进电机 高精度速度标准源的设计及实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh i g hp r e c i s i o ns p e e d s t a n d a r d s o u r c e a b s t r a c t t h eh i g hp r e c i s i o nv e l o c i t ys t a n d a r ds o u r c ei sak i n do fp r e c i s ee q u i p m e n t ，w h i c hi s u s e dt os u p p l yt h es t a n d a r ds p e e da n di sa p p l i e di nl a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r i ti sb a s e do n t h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n dt h ew o r k i n gm o d eo ft h es t e p m o t o r t m s 3 2 0 f 2 812i su s e da st h e m a i nc o n t r o l l e ri nt h es y s t e ma n dt h es i g n a lp r o c e s s o r t h es y s t e mh a sm a n ym e r i t s ，s u c ha s r a p i dd y n a m i cr e s p o n s e ，w i d er a n g eo fs p e e dc h a n g e ，h i g hs p e e ds t a b i l i t ya n dr e a l t i m e o p e r a t i o n i nt h i sp a p e r ，an e w d e s i g ns c h e m eo ft h eh i g hp r e c i s i o nv e l o c i t ys t a n d a r ds o u r c e b a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri si n t r o d u c e d w eh a v ed e s i g n e dt h ed ao u t p u tc i r c l e ，t h e c i r c l eo fa m p l i f i e r ，t h ec i r c l eo fm o t o rp r o t e c t i o n ，t h er s 4 2 2c o m m u n i c a t i o nc i r c l e ，t h ec a n b u sc o m m u n i c a t i o nc i r c l ea n dt h el c d d i s p l a ym o d u l e t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e dt h r o u 小 c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) o f t i ，w h i c hc a nh e l pt h es y s t e mt ow o r kw e l l ，a l s oc a nv e r i f y t h er e a l t i m eo p e r a t i o no ft h es y s t e m t h ef i n e rd i v i s i o nt e c h n i q u eo fm o t o r sc o n t r o ls i g n a li s t h em a i nm e t h o df o rs i g n a lp r o c e s s i n g ，b u tw ed e v e l o pan e wm e t h o do f c h a n g i n gt h e s t e p - m o t o r ss p e e d ，t h a ti sa l t e r i n gt h ef i n e rd i v i s i o nn u m b e ro f t h ec o n t r o ls i g n a l s t h en e w m e t h o dc o m b i n e dt h eca n da s s e m b l yl a n g u a g ei ns o f t ，h a sc a r r i e do u tb yd s p t h er e s u l to f t h ed e s i g ns h o w st h a t ，t h es y s t e mc a n s u p p l yas t e a d ya n da l t e r a b l es p e e d w h a ti sm o r e ，t h e m a xs p e e de r r o ri s 0 0 0 8 r m i na n dt h es t a b i l i t yo fs p e e dc a nr e a c h10 4 a tt h es a m et i m e w eh a v ev a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo fs y s t e ma n ds a t i s f i e dt h ew o r k i n gr e s u l t f i n a ll y ，t h e a n a l y s e sr e s u l t sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mc o u l dm e e tt h ed e m a n do fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h i s p a p e rs t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma n dh o w t oi m p r o v ei t k e yw o r d s ：s p e e ds t a n d a r ds o u r c e ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ；t m s 3 2 0 f 2 8 12 ： s t e p m o t o r 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 高精丞衄拯盈逸鱼婆上堕! 鎏垒坠 圣匿塾 日期：翌。上年上月j 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位 期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借 阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 菌墙爱! 越剧壹通鱼鱼j 垒! 生鎏型丛 作者签名：丕盘皇日期：圣! ! z 年月j 日 导师签名：姒k 日期：墨咩年月正日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究背景 激光多普勒测速仪( l d v ，l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r ) 是利用激光多普勒效应的原 理测量流体或固体运动速度的一种非接触式测量仪器。它利用流体中的示踪粒子或固体 表面的散射粒子对入射激光进行散射，并利用光电探测器检测此散射光发生的频移，根 据其中所包含的速度信息( 粒子散射光的频移与粒子速度呈严格的线性关系) 得到流体 或固体表面的运动速度。它可以通过控制入射光束夹角的大小精确地控制被测空间大 小，使光束在被测点聚集成为很小的探测区域( 仅为千分之几立方毫米) 获得分辨率为 2 0 1 0 0 微米的极高的测量精度；而且从原理上讲，l d v 响应没有滞后现象，能跟得上 快速变化的跳动；它还可以实现一维、二维、三维的速度测量；从理论上看l d v 输出 信号的频率和速度成线性关系，它能覆盖从每秒几毫米到超音速很宽的速度范围，并且 测量过程中不受压力、温度、密度、粘度等外部环境因素的影响。 总的来说，激光测速的主要优点在于非接触测量、线性特性、空间分辨率高、快速 动态响和测量范围大。随着电子技术的发展，激光测速在测量精度和实时性上都具有突 出优点。现在l d v 已成为科学研究和实际工程中测量固体表面运动速度和复杂流场流 动速度的一种有力手段。 自从1 9 6 4 年第一台激光多普勒测速仪问世以来，激光测速技术已有4 0 多年的历史 了i 。起初的光学装置比较简单，光学性能和效率不高，调准不方便；信号处理方面大 多采用频谱分析仪，这样就不能得到瞬时速度。 随着光学系统和信号处理器方面的发展，首先是集成光学单元的出现，使光路结构 大为紧凑，调准也方便多了，因而有可能发展更加复杂和高效率的光学系统，光束扩展、 空间滤波、偏振分离、频率( 色) 分离、光学频移等近代光学技术相继应用到激光测速 仪中，并成为系列化产品不可缺少的一部分。在信号处理方面，频率跟踪器、计数式处 理器以及光子相关器件都陆续成为产品并被投入市场，它们同集成式光学系统一起成为 研究复杂流体的有用工具。从8 0 年代开始，激光测速技术逐渐的从实验室走向了实际 应用。此前的研究主要针对测量气体、液体流速。 近十年来，随着计算机技术的飞速发展，尤其是数字信号处理芯片( d s p ) 的出现， 人们开始考虑采用数字信号处理的方法对l d v 信号进行分析：首先对光电探测器输出 高精度速度标准源的设计及实现 的多普勒信号进行预处理，然后通过a d 转换器得到离散的多普勒信号序列，最后利用 d s p 对信号序列进行运算处理，提取多普勒信号频率。 这种方法与现有的各种模拟信号处理方法相比具有更好的稳定性和抗干扰性；其系 统可以在通用计算机上开发，实现容易，成本低，而且数字信号处理运算可以方便地根 据实际情况进行修改( 通常只要改变程序，或对寄存器重新加载即可实现) 。另外，数字 信号处理运算单纯地基于加法和乘法，这使得它具有稳定的处理性能。 在采用数字信号处理技术的l d v 系统中，多普勒信号的处理至关重要。这是因为 l d v 系统中的光电探测器接收的是粒子散射光，其强度本身就比较微弱，而且信号还 受到诸如光路系统、杂散光、光检测器件噪声、散射粒子尺寸和位置分布以及粒子浓度 等因素的影响。 这就造成了激光多普勒测速系统的光电信号具有信号弱、噪声干扰大的特点，有时 还伴有信号脱落( f l l j 信号不连续) 现象。并且多普勒信号的频率一般都较高，通常在千赫 兹的量级以上，当速度较高时可达到几十兆赫兹，甚至上百兆赫兹。 而要从质量这么差的高频信号中尽可能地提取我们所需的信息，同时必须满足实时 性、精度、测速范围的要求，这对l d v 系统的硬件设计和软件编程无疑提出了很高的 要求。 努力改进l d v 系统的光路结构，优化多普勒信号处理方法，将数字信号处理技术 运用于多普勒信号的分析处理，将有助于提高l d v 测速系统的性能，为相关学科的发 展提供强有力的实验技术支持；同时研究多普勒信号的处理方法也具有普遍意义，可以 为其它类型信号的分析与处理提供参考和借鉴。 现在的激光测仪的光路大多都是采用双光束结构，所以测速仪的关键问题还是在于 信号的处理。激光多普勒测速信号处理的方法较多，按照其工作原理可分为频谱分析型、 滤波器库型、频率跟踪型、计数型和快速傅里叶变换型卜7 1 。 以下分别介绍： ( 1 ) 频谱分析型 频谱分析型激光多普勒测速仪是最早出现的l d v 之一，其测量对象是多普勒信号 的功率谱或与其等价的多普勒频率的概率密度函数。从光电检测器送来的信号经过滤波 放大后与电压控制振荡器的输出频率混频，然后将两者之间的差频送到一个中心频率可 调的窄带带通滤波器，频率扫描信号总是周期性的白一端扫到另一端。 只要扫描周期与被测信号的频率变化速率相比足够长，那么在中频滤波器输出端的 信号幅值就与输入信号中频率出现的概率密度成正比。频谱分析是l d v 用于诊断目的 大连理工大学硕士学位论文 时最通用的方法。在不利的条件下，频谱分析法对做初步测量是非常有用的；在稳定流 动中，即使质量非常差的信号或者非常不连续的信号也可以实现频谱记录。其工作频率 范围很宽，最高可达1 0 0 g h z 。同时它也具有几个主要缺点：信息利用率太低，因为在 窄频带以外的所有信号都通不过，所以这种方法不能充分地利用有用的信号；要获得可 靠的频谱一定要足够多的粒子信号，因而需要很长的测量时间；频谱分析法不能给出瞬 时速度的实时记录；以模拟形式来处理数据速度缓慢而且精度也很差。 ( 2 ) 滤波器库型 滤波器库型激光多普勒测速仪的工作原理与频谱分析型相同，不过滤波器库使用的 不是单个滤波器，而是调谐在量程中不同频率上的多个并行滤波器，所以多普勒频谱的 建立时间就要快得多。滤波器库法比频谱分析法更有效，因为所有存在的多普勒信号都 能同时影响滤波器库的输出。它具有比其他方法好得多的信噪比，在处理质量差的间断 多普勒信号时极其有效。但是由于实际上我们只能采用有限个滤波器，它的分辨率比较 粗，因而只适合于高湍流流动而不适合于精确测量。并且由于滤波器频率的固定分布， 它对于频谱分布不宽的低湍流度测量并不合算。 ( 3 ) 频率跟踪型 频率跟踪型激光多普勒测速仪是一台带有频率负反馈系统的解调器。它可以自动跟 踪频率调制信号，并且把信号频率变为模拟电压，把调制信号的频率变为模拟电压的变 化频率，得到一个始终正比于所测流体速度的模拟信号。频率跟踪型激光多普勒测速仪 最大的优点在于实时性很好，可以得到正比于瞬时速度的实时信息，由于其幅值不受粒 子浓度和尺寸均匀性的影响，与频谱分析仪相比，其数据的处理速度和精度要高得多。 但是频率跟踪器要求输入信号必须是连续的，这就必须保证流体中具有较高的粒子浓 度，除非机内有良好的脱落保护。 另外它能测量的最大湍流强度受动态响应、跟踪范围和转换速率的限制；对于大多 数跟踪器来说，最大的瞬时速度在几十m s 的流速下或略低一些，可以满意的工作，随 着速度的升高，信噪比降低性能变坏，跟踪器就难以工作了，并且有可能跟踪假信号。 ( 4 ) 计数型 计数型激光多普勒测速仪是一种计时装置。它的主要工作过程是对带通滤波后的多 普勒信号，测量规定数目的多普勒信号周期所对应的时间，这个时间就是粒子穿越测量 区域中同样数目的条纹所需的时间，利用快速数字电子装置就可以得到多普勒信号频率 和对应的粒子瞬时速度。 计数方法有两种，固定周期数计数法和固定闸门时间计数法。固定周期数计数法， 是指在信号触发后计算n 个固定的多普勒信号周期的时间，从而计算出多普勒频率；固 高精度速度标准源的设计及实现 定闸门时间计数法，是指在固定的时间内计算多普勒周期数n ，然后计算多普勒频率。 计数型激光多普勒测速仪的设计、制造和应用非常经济；适用于粒子稀少的流动场合， 即使多普勒信号不连续也能快速地得到瞬时速度信息。 此外，它是一种时域的处理方式，没有仪器的动态响应问题，也没有粒子有限渡越 时间加宽的影响，因而可以达到较高的时间分辨率；但计数法对于噪声非常敏感，不适 于噪声较强的情况。 ( 5 ) 快速傅里叶变换信号处理 快速傅里叶变换法是采用离散傅里叶变换处理多普勒信号，可以有效地从低信噪比 的信号中提取频率。随着数字芯片的迅速发展，f f t 已经成为信号处理的一种非常重要 的手段，这种方法一般采用固定采样点数来计算f f t ，即每次计算f f t 的点数是固定不 变的，根据奈奎斯特定律，一般选择采样频率为实际信号频率的4 倍，这样可以完全重 厂 构原始信号，通过f f t 计算出对应幅值最大时的频率下标k ，再根据公式之= 二计算 js n 出自然频率，从而得到物体的运动速度。 1 2 课题研究的意义 课题研究的背景正是针对轧钢生产线中，为了精确测量钢材速度和长度而进行的。 在钢铁行业中，如果能精确测量轧钢速度，可以计算出钢材的长度，这样可以在轧钢中 减小废品率，节约很多材料和能源。目前，传统的编码器测速方式是通过测量辊子转速， 以及辊径计算得出带钢的线速度，这样就存在辊子磨损造成的辊径计算误差，以及带钢 与辊子之间滑动误差，因此在高精度的高速冷轧控制领域，需要采用非接触式速度测量 方法。 另外，激光测速仪在钢铁企业还用于优化成品剪切的长度和速度测量、用于管材制 造的长度测量、用于棒材制造的长度和速度的测量、用于连铸连轧控制的长度和速度测 量。 而在实际应用中，由于工业现场较强的信号干扰以及未知因素，使得测量到的速度 值出现较大的偏差，因此，提供精确而稳定的速度校正成为激光测速仪系统中，最为重 要的部分。 大连理工大学硕士学位论文 速度标准源是一个可以提供指定速度的标准发生器，具有速度准确，实时性好，易 于调速等特点，可以作为速度标定装置，便于速度的测量，在计量和检测方面有着广泛 的应用，本文涉及的系统主要应用在激光测速仪系统中，校正速度。 本系统采用步进电机，步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形 式，正是这个特点，步进电动机可以和现代的数字控制技术相结合。但步进电动机在控 制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机，所以主 要应用在精度要求不是特别高的场合睁1 3 1 。由于步进电动机具有结构简单、可靠性离和 成本低的特点，所以步进电动机广泛应用在生产实践的各个领域；尤其是在数控机床制 造领域，由于步进电动机不需要a o 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移， 所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。除了在数控机床上的应用，步进电机 也可以用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马 达，也可以应用在打印机和绘图仪中。 本文所设计的基于d s p 的标准源能保证电机正常稳定工作，消除振动和噪音，实现 速度平滑渐变，同时实现电机的正反转，低速运行时，主要消除步进电机的振动，高速 运行时，主要消除步进电机堵转和失步的现象h 吲。因此，速度标准源的性能在很大程度 上取决于步进电机驱动器的结构和性能。 本文设计的速度标准源，速度精度高，速度值最大误差仅为_ 4 - 0 0 0 8 r m in ，速度的 稳定度可以达到l o1 数量级，同时调速范围大，为0 1 0 0 0 r m i l l ，步进电机的驱动电 流可以调节，最大为6 0 0 m h 。此外，本文所设计的速度标准源还包括了c a n 总线和r s 4 2 2 总线的设计，使得整个系统在数据的获取和显示方面有着较大的进步。在控制方面，使 用c a n 总线不仅可以实时的改变速度标准源的速度，还可以实现与其他系统的信息共享， 有利于不同系统之间的连接和通信，而且，r s 4 2 2 总线的使用，最大限度地方便在工业 现场中，通过上位机对速度标准源进行控制和通信。 整个系统体积小，抗干扰能力强，功耗小，可以使用电池供电，方便携带，利于现 场安装和调试。 速度标准源是一项比较具有挑战性的研究课题，该课题包括电子技术、自动化控制、 计算机技术、保护系统以及显示模块等。 1 3 本文的主要内容 1 、简要叙述了速度标准源的特点应用，介绍了目前的使用情况，并给出了本文的 主要研究内容。 高精度速度标准源的设计及实现 2 、讲述了速度标准源的基本原理和设计思想，并对步进电机进行了简要的介绍， 针对系统的用途，进行了硬件的选择。 3 、介绍了课题中速度标准源的各模块的框架及硬件实现，针对本系统，设计了驱 动电路，放大电路，比较电路，d a 输出电路，液晶显示和计算机通信电路。同时，介绍 了系统软件的实现过程，简要介绍了软件的编译环境，软件设计流程和思路，并在 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上调试通过，运行效果良好。 4 、主要介绍速度标准源的通信部分，主要论述了c a n 总线和r s 4 2 2 总线的原理和 应用。 5 、通过硬件和软件的相互配合，达到了理想的效果，验证了系统的可行性，并且 对结果进行了分析，对系统进行及时地优化。 大连理工大学硕士学位论文 2 速度标准源的设计原理 针对速度标准源的应用情况，以及步进电机的工作方式，本文设计的速度标准源的 设计要求如下： l 、速度源具有很高的精度和速度稳定度，升降速曲线应该按指数曲线变化。 2 、保证步进电机正常稳定工作，消除振动和噪音，实现速度平滑渐变，低速运行 时，主要消除步进电机的振动，高速运行时，主要消除步进电机堵转和失步的现象。 3 、能够实现电机的正反转，控制简单方便。 4 、同步显示电机的速度，通过键盘或远程通信实现调速，并设置工作模式。 5 、源代码高效，实现低功耗和减小机身发热。 6 、通信方式采用r s 4 2 2 总线和c a n 总线，能够和计算机实现准确而且长距离的 发送指令，方便远程控制，实现较高程度的自动化，便于操作。同时，实现与其他系统 之间的通信。 7 、标准速度可调节范围大，驱动电流可以调节。 2 1 标准源电机的选择 在实际应用中，速度标准源应满足速度能够连续平稳变化，正常运行时时要消除电 机的振动和噪声，同时，还要满足控制简单，灵活可靠n 4 叫引。因此，我们选择成本低廉， 结构简单的步进电机。 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线 位移的控制用电机。它输出的位移与输入的电脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成正比， 适用于在数控开环系统中做执行元件，在办公自动化( o a ) 、工厂自动化( f a ) 以及计算 机外部设备和科研设备中得到了广泛的应用。 步进电机采用的是1 4 h 3 4 0 4 0 6 a ( 为四相六线制电机) ，电机的最高转速可以达到 1 0 0 0 r m i n ，该步进电机额定参数见下表： 高精度速度标准源的设计及实现 表2 11 4 h 3 4 0 4 0 6 a 额定参数 t a b 2 1n o m i n a lp a r a m e t e ro f14 h 3 4 - 0 4 0 6 a 步距角 精度 相数 接线数电压相电流相电阻转动惯量最大静转矩 ( v )( a )( q )( i g m )( k g a m ) 1 8 。 5 46 1 2 o0 42 51 4 1 0 1 0 0 2 1 1 步进电机的分类与特点 步进电机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲 信号，步进电机就转动一个角度。近三十来年，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅 速发展，推动了步进电机的发展，为步进电机的应用开辟了广阔的前景n8 | 。步进电机的 分类： 1 、反应式步进电机( v a r i a b l er e l u c t a n c e ，简称v r ) 反应式步进电机的工作原理：利用凹极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应 转矩而转动的。反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕阻。它的结 构简单，成本低，步距角可以做的很小，但动态性能较差。 2 、永磁式步进电机( p e r m a n e n tm a g n e t ，简称p m ) 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源，永磁式步进 电机是转子上安装了永久磁钢的步进电机，它的工作原理是转子上的永磁体建立的磁 场，与定子绕组电流建立的磁场相互作用而产生电磁转矩。它的输出转矩大，动态性能 好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大，需要给正负脉冲信号。 3 、混合式步进电机( h y b r i d ，简称h b ) 混合式步进电机既有反应式步进电机的高分辨率，每转步数比较多的特点；又有永 磁式步进电机的高效率，绕组电感比较小的特点。从结构上看，它通常有多相绕组，它 的定转子上开有很多齿槽，类似反应式步进电机。转子上有永久磁铁产生单向的轴向磁 场，这与永磁式步进电机相似。混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点，它 的输出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。 步进电机有如下特点： l 、步进电动机的角位移与输入脉冲数目严格地成正比，因此，当它转一转后，没 有累计误差，具有良好的跟随性。 大连理工大学硕士学位论文 2 、由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。 同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 3 、步进电机的动态响应快，易于停止、正反转及变速。 4 、速度可在相当宽的范围内平滑调节，在低速情况下仍能保证获得大转矩，因此， 一般可以不用减速器而直接驱动负载。 5 、步进电机只能通过脉冲电源供电才能正常运行，它不能直接使用交流电源和直 流电源。 6 、步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 7 、步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力较差盯3 。 8 、步距角选择范围大，可在几十角分至1 8 0 。大范围内选择。 9 、无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 1 0 、步进电动机带惯性负载能力较差。 2 1 。2 步进电机的静态指标术语和动态指标术语 步进电机的静态指标术语拈， 1 、相数：产生不同对极n 、s 磁场的激磁线圈对数。常用m 表示。 2 、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用1 1 表示，或指电机转 过一个齿距角所需脉冲数。 3 、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用0 表示。 4 、定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩( 由磁场齿形的谐 波以及机械误差造成的) 。 5 、转矩：步进电机转矩是一个重要的指标。它又包括定位转矩、静转矩、动转矩。 定位转矩是指在绕组不通电时电磁转矩的最大值。通常反应式步进电机的定位转矩零， 混合式步进电机有一定的定位转矩。静转矩是指不改变绕组通电状态，即转子不时的电 磁转矩。它是绕组电流及失调角的函数。对应某一失调角时静转矩最大，称为最大静转 矩。动转矩是指转子转动情况下的最大输出转矩值，它与运行频率有关。在一定频率下， 最大静转矩越大，动转矩也越大。 6 、距累计误差最大值来表示。最大步距误差是指电动机旋转一周内相邻两步之 问的最大步距角和理想步距角的差值，用理想步距的百分数表示。最大累计误差是指 任意位置开始经过任意步之间，角位移误差的最大值。 步进电机动态指标及术语： 1 、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。 高精度速度标准源的设计及实现 2 、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 3 、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转时存在失调角，由失调 角而产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 4 、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的 情况下，能够直接起动的最大频率。 5 、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负 载的最高转速频率。 6 、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线 称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。 7 、电机正反转控制：线圈通电顺序不同，旋转方向也不同。 2 2 步进电机的细分技术与控制 步进电机的步距角过大，运行分辨率低，往往无法适应需要精密运动控制的用户。 此外，即使有合理的步距角，如果电机在低速状态下运行，每一步间隔时间较长，输出 轴的转动也会出现十分明显的间断性，给传动系统带来震动和噪声。显然步距角越大， 这种现象越明显。步进电机的步距角与转子及定子上的磁极齿有关，减小步距角的措施 之一是减小相邻磁极齿间的角度，这当然会增加制造的难度和成本。 总之，提高步进电机的运行分辨率有很现实的应用价值，细分控制技术提供了有效 的解决途径。为了减小步距角，单从电机本体来解决是有限度的，于是设法将供电的矩 形电流波改为阶梯状的电流波，这样在输入电流的每一个阶梯时，电机的偏转角减小， 从而大大改变步进电机的低频特性。 细分实质上是通过对步进电机相电流的精确控制达到减小步距角，使电机转动连续 平稳的一种电机驱动方式。步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。如驱动 器工作在1 0 细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是：当驱动 器工作在整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1 8 。；而用细分驱动器 工作在1 0 细分状态时，电机只转动了0 1 8 。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电 机的相电流所产生的，与电机无关。细分能很好地改善电机的运行性能，步进电机的细 分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是提高电机的运转精度，实现步进电机 步距角的高精度细分。其次，细分技术的附带功能是减弱或消除步进电机的低频振动， 低频振荡是步进电机的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果步进电机有时要在 大连理工大学硕士学位论文 共振区工作( 如走圆弧) ，选择细分驱动器是唯一的选择。当然，由于需要精确控制电 机的相电流，所以对细分驱动器有相当高的技术要求和工艺要求，成本也较高。 步进电机细分驱动技术是二十世纪七十年代中期发展起来的，它是一种可以显著改 善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。1 9 7 5 年美国学者t r f r e d f i k s e n 首次在美 国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。在其后的二 十多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到了广泛的用。实 践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高步进电机运行的平稳 性，增加控制的灵活性等。 步迸电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕阻中电流的控制，使 步进电机内部的合成磁场成为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。 一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢 量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此，要实现对步进电机的恒转矩均匀细分控 制，必须合理控制电机绕阻中的电流使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进 给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀隆5 2 引。 在这种方式下，电流合成矢量的旋转示意图如图2 1 ，图中的i a 、i b 、i h 分别为a 、 b 两相电流矢量及两相电流合成矢量。 i c i b 题塔 昭夕 i d 图2 1电流合成矢量恒幅均匀旋转示意图 f i g 2 1r e s u l t a n tv e c t o ro fc u r r e n tf o rc o n s t a n ta m p l i t u d er o u t i n e 这种控制方法是基于交流同步电机概念的特殊细分技术，实质是对运行于交流同步 电机状态的步进电机所受的交流模拟信号在一个周期内细分，即每个细分点对应于一个 高精度速度标准源的设计及实现 交流值。当细分数相当大时，电机绕阻的电流信号就逼近模拟连续信号。这种细分技术 可以极大地提高步进电机的分辨率和运行稳定性n3 i 。系统中采用正弦波作为细分驱动的 驱动电流波形，细分控制函数表达式为： i 。- i m a x c o s o ( 1 2 1 ) i b = i m a x s i n o ( 1 2 2 ) 式中：i 。为a 相绕组电流；i 。为b 相绕组电流；口为控制转角参数；i 一为电流幅值： s i n o ，c o s o 为控制函数。这样可以保证i 。和i 。所合成的总电流保持不变。 在双四拍通电方式下，若不采用细分时，步进电机的相序驱动次序为：a b b c c d d a ， 采用一般的控制方法，步距角变化较大，导致系统的不稳定。横流细分是根据细分倍数 要求将每一相里面的细分函数量化生成一个序列，即把正弦函数分成n 等份存放于 e e p r o m 中的不同区域，量化的程度决定了细分驱动的分辨率。 按照细分控制数学模型对a 、b 、c 、d 四相绕组电流通过步距角细分控制电路实施 控制，经d a 转换器将数字量转换为模拟量的电压信号，再送到放大驱动电路上，经放大 后直接送到步进电机的四相绕组。四相绕组分别取得正、余弦变化电流和零电平，通过 电流合成矢量的驱动方式，驱动电机的旋转，这样每输入一个数字量，电机的转子就会步 进一个微步距角幺= = 宅 ，n 为步进电机工作拍数，z 为转子的齿数，n 为细分数。 a 样 b 孝h c 相 d 相 ：l l l ： l i 一 l iiil l r ：一一! 一 i l iiiili j 卜k i i l i ii i i ii l l ，r - 一 一一1 ii 、币 i卜 、 -l l l n ii l l i 1 i i i ，r l i - - _ l _ 一1i i 一 7 、 i l i l !li - 一i i il 一- 一 1 n 。i 弋 ti i i i i i 图2 2 四相步进电机细分控制电流波形相序 f i g 2 2c u r r e n tw a v ef o r4s t e p sm o t o rs u b d i v i s i o nc o n t r o l 9 0 9 e 大连理工大学硕士学位论文 2 3 步进电机细分驱动的特点 虽然上述驱动电源的结构都比较复杂，但细分驱动技术不仅减小了步进电机的步距 角，还带来了电机性能的全面提高。细分驱动有如下几个特点： 1 、在不改变电机内部参数的情况下，能使步距角减小，步进误差减小。即提高了 分辨率和步距精度； 2 、减弱了低频振荡问题。经过细分后，驱动电源的变化幅度大大减小，故转子到 达平衡位置时的过剩能量也大为减小；另一方面，控制信号的频率提高了n 倍( 细分数) ， 故可远离转子的低频自然谐振频率( 8 0 2 0 0 h z ) 。因此，运行细分驱动不仅能使电机运 行平稳，而且还能减弱或消除振荡。 3 、步进电机运行拍数越多，步距角越小，进入动态稳定区越容易，起动频率就越 高，电机的输出转矩也越大。 总体来说，相对于其它的驱动方式，细分驱动的控制效果最好，同时它是步进电机 驱动技术的重大进展之一。 2 4 步进电机速度变化的处理和原理 2 4 1 电机加减速曲线设计 步进电机速度控制是靠输入的脉冲信号的变化来改变的，从理论上说，只需给驱动 器脉冲信号即可，每给驱动器一个脉冲，步进电机就旋转一个步距角( 细分时为一个细 分步距角) ，但是实际上，如果脉冲信号变化太快，步进电机由于惯性将跟随不上电信 号的变化，这时会产生堵转或失步的现象，所以步进电机在启动时，必须有升速过程， 在停止时必须有降速过程2 l 。 一般来说升速和降速规律相同，以下为升速为例介绍：升速过程由突跳频率加升速 曲线组成( 降速过程反之) 。 突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率，此频率不可太大， 否则也会产生堵转和丢步。因此，升降速控制显得尤为关键。 升降速曲线一般为指数曲线或经过修调的指数曲线，见下图： 高精度速度标准源的设计及实现 藏粥频攀 突澎毽频率 升迷瑟按线设己 图2 3 升降速控制曲线 f i g 2 3c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h es p e e du pa n ds p e e dd o w np r o c e s s 系统设计升降速曲线时，采用离散化方法，事先计算一些频率点，制作数组，使之 满足指数曲线关系，这样，步进电机加速减速过程平稳，不出现堵转，失步和超步的现 象3 | 。同时，步进电机具有很高的加速度，可以在5 s 内完成从o r m i n 到1 0 0 0 r m i n 的 速度平稳变化。 2 4 2 步进电机速度变化曲线处理的意义 由于步进电机的独特的矩频特性，即低频运行时其输出转矩较大，而在高频运行时 其输出转矩则较小，如果步进电机的工作频率比较高，在启动时，电机不能把负载惯量 加速到相应的步进频率，步进电机就会出现失步或完全不能工作的情况。从静止开始， 步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为启动频率；与此相对应，也有停止频率的 概念，而步进电机的工作频率比启停频率要高的多，若要步进电机高速工作，就必须采 用一定的升降频方法。 步进电机的升降频方法比较多，有利用硬件组成的自动升降频控制，也有利用微处 理机结合软件组成的升降频控制，另外，还有为了达到较好的快速性而出现的最优升降 频控制。 有硬件组成的升降频控制，实时性较好，但实现起来比较复杂，升降频规律单一， 一旦电路设计好之后，升降频规律就很难再改变，且只能实现一些较简单的升降频控制。 大连理工大学硕士学位论文 随着微机的出现，利用微机结合软件的方法来实现步进电机的升降频控制逐步得到了人 们的认可，它结构简单，控制灵活，而且能够实现比较复杂的控制，也可以结合最优控 制理论对步进电机实现最优控制。利用微机对步进电机实行升降频控制主要有两种方 法： 1 、程序计时法。这种控制方法的特点是：程序设计比较简单，但是它有一个很大 的缺点，就是没有考虑步进电机的动态特性，使控制时往往由于两阶梯间的突跳频率太 大而导致丢步或失步的问题，而且这种控制方法的快速性也不好。 2 、脉冲计数法。这种控制方法的特点就是，最初加速段时间间隔较长，这样就不 会因速度低而出现响应不及时而丢步或失步的情况，而在高频段其时间间隔较小，符合 了此时速度高的特点，所以这种控制方法适合步进电机动态性能的要求，快速性也较好。 而本系统的设计，利用了上述两者的有点，自行研究出一种新的方法。实际应用中， 步进电机速度的平稳性，以及升降速过程中，步进电机速度变化的快慢，将会直接决定 步进电机的性能和系统设计的成功性和可行性，因此，在系统设计过程中，要特别注 意以上细节，通过行之有效的办法和方案克服步进电机的缺点，发挥步进电机的优势， 使得系统运行可靠，操作效果理想，实现自动化控制。 高精度速度标准源的设计及实现 3 速度标准源的硬件以及软件的设计和实现 3 1标准源的硬件设计原理框图 键盘输入 串行通信接1 3 存储器 t x d 信号处理器1 百亏处埋器 r x dt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 l o i o l c d ：li 保护电路 a d 5 4 4 0 比牧f 1 l m 3 3 9 功率驱动电路 f 毡流 反馈 步进 电机 图3 1 速度标准源系统框图 f i g 3 1f r a m eo fs p e e ds t a n d a r ds o u r c es y s t e m 1 3 2电机驱动模块设计 该部分是设计的核心组成部分，d s p 2 8 1 2 与a d 5 4 4 0 之间的通信，有效地解决了设计 所需要的电机信号，通过放大电路和保护电路，实现对步进电机的有效控制。同时，当 前速度值可以实时的通过液晶显示模块显示出来，还可以通过与计算机之间的通信完成 改变速度值的任务。 3 2 1t m s 3 2 0 f 2 8 12 功能介绍 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司最新推出的d s p 芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强 大的3 2 位浮点d s p 芯片叫4 。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力 和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电 力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。 f 2 8 1 2 芯片的主要性能如下h 2 ： 大连理工大学硕士学位论文 l 、高性能静态c m o s ( s t a t i cc m o s ) 技术：1 5 0 m h z ( 时钟周期6 6 7 n s ) ，低功耗 ( 核心电压1 8 v ，i o 口电压3 3 v ) ，f l a s h 编程电压3 3 v 。 2 、支持j t a g 边界扫描，即( b o u n d a r ys c a n ) 。 3 、高性能的3 2 位中央处理器( t m s 3 2 0 c 2 8 x ) ：1 6 位1 6 位和