（精密仪器及机械专业论文）LAMOST中期实验（19个单元）的驱动和测量.pdf

摘蔓 中囝科学技术人学硕i ：学位论文 摘要 fl a m o s t 的多单元( 1 9 个单元) 中期实验是从实现一个定位单元的驱动控 制和测量到实现4 0 0 0 个定位单元驱动控制和测量的过渡性实验，这是最终完成 l a m o s t4 0 0 0 个定位单元驱动和控制任务的必经阶段。由于实验对象数目的改 变，因此本次实验中就需要对系统的设计做相应的更改。此外根据前期实验的结 果以及后续实验的一些参数要求，中期实验系统采用了新的c c d 摄像头、步进 、 电机等等，所以对于新器件性能的测试也是中期实验的一个主要内容翻本文主要 j 就l a m o s t 中试驱动和测量两大系统中若干需要更改或重建部分的设计和测试 做了详细的阐述，并在前期试验的基础之上初步提出了系统的测量实验方案，从 而为顺利完成l a m o s t 工程项目作好铺挚。 论文中所述的主要研究工作包括以下几个方面： 1 更改步进电机放大驱动电路的设计，采用功率放大器t d a l 5 2 1 的双电 源工作方式，从而使得驱动电路所用的功率放大器减少一半。简要地分 析和解决驱动电路中的部分噪音和干扰问题。 2 测试新型号步进电机的驱动性能，确定步进电机的启动方式、工作频率 和驱动电压等参数。 3 构建l a m o s t 中试的测量系统。这包括：利用所购图像采集卡时配带 的s d k 软件开发工具，构建c c d 摄像头的图像采集程序。编写一个对 c c d 所采的图像进行计算和数据处理的计算程序。 4 设计出系统测量实验中的系统参数测量和系统精度指标参数测量的实 验方案。 通过上述几部分的工作，加上实验室其他同学所做的驱动控制程序和单片机 二级驱动模块，我们基本上完成了l a m o s t 的中期实验整个系统的构建，为项 目实验的顺利进行奠定了翠实的基础。从系统目前运行的情况来看，系统稳定可 、 靠，达到了预期的设计要求。心 关键词：l a m o s t ；c c d 摄像头，步进电机；功率放大器j 测量系统 垒! ! ! ! 璺 主里型兰垫查叁兰堡! ：兰! 至墼 a b s t r a c t l a m o s tm u l t i u n i t ( n i n e t e e nu n i t s ) i n t e r i me x p e r i m e n ti st r a n s i t i o n a lt e s tf r o ml a m o s t p r i m a r ye x p e r i m e n tw i t hs i n g l ep o s i t i o n i n gu n i tt ot h ef i n a le x p e r i m e n t ，w h i c hc o n c e l t i so nt h e d r i v i n go rc o n t r o l l i n ga n dm e a s u r e m e n t f o rt h ew h o l e4 0 0 0p o s i t i o n i n gu n i t s i ti san e c e s s a r y p r o c e s sf o rt h el a m o s t p r o j e c t b e c a u s eo f t h ec h a n g e s o f t h en u m b e ro f t h ee x p e r i m e n to b j e c t s t h ed e s i g no ft h es y s t e ms h o u l db ec h a n g e da c c o r d i n g l yi nt h i si n t e r i me x p e r i m e n t a c c o r d i n g t o t h er e s u l t so ft h ef o r m e rt e s ta n dt h er e q u i r e m e n t so ft h ef o l l o w i n gt e s t ，t h ei n t e r i me x p e r i m e n t s y s t e mu s es o m en e w k i n d se q u i p m e n ts u c ha sc c dc a m e r as t e pm o t o ra n ds oo n s ot h et e s tf o r t h ep e r f o r m a n c eo ft h o s en e wd e v i c e si sa l s oa ni m p o r t a n tt a s ki nt h i se x p e r i m e n t ，t h i st h e s i s m a i n l yc o n c e r n so nt h ed e t a i l so f t h ed e s i g na n dt e s t i n gf o rt h ep a r t s ，w h i c hn e e db u i l d i n go r r e b u i l d i n gi n t h ed r i v i n gs y s t e ma n dm e a s u r e m e n ts y s t e mo ft h el a m o s t , a n dt h e np r i m a r i l y g i v e so u tt h es c h e m ef o rt h es y s t e mm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t i tm a k e s t h eb a s ef o rt h el a m o s t p r o j e c t t h et h e s i sm a i n l yi n c l u d e sf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 c h a n g e t h ed e s i g no f t h ec i r c u i t r yf o rs t e pm o t o rd r i v i n g p o w e ra m p l i f i e rt d a l 5 2 1 c a nw o r ki nt h ed o u b l ep o w e rs u p p l ym o d e t h e nt h ed r i v i n gc i r c u i t r yc a nr e d u c et h e n u m b e ro ft d a 15 21f o rah a l f s o m en o i s e so ft h ec i r c u i t r ya r eb r i e f l ya n a l y z e da n d r e s o l v e d 2 t e s tt h ed r i v i n gc h a r a c t e r so ft h en e wt y p es t e pm o t o nc h o s es o m ep a r a m e t e r so ft h e s t e pm o t o r s u c ha sa c c e l e r a t i n gm o d e w o r k i n gf r e q u e n c ya n ds oo n 3 c o n s t r u c tt h em e a s u r es y s t e mf o rt h el a m o s ti n t e r i me x p e r i m e n t i ti n c l u d e s ：u s i n g t h es d ks o f t e rw a r ed e v e l o p m e n tk i ta t t a c h e dt ot h ei m a g i n ec a p t u r e rt oc o n s t r u c tt h e i m a g i n ec a p t u r ep r o g r a m w r i t i n gac a l c u l a t i o np r o g r a mf o rt h ec a l c u l a t i o na n dd a t a p r o c e s so f t h ei m a g i n e sf r o mt h ec c d c a m e r a 4 p r i m a r i l yg i v i n go u tt h et e s tp l a na n dm e t h o do f t h es y s t e mp a r a m e t e r m e a s u r e m e n tt e s t a n ds y s t e mp r e c i s i o nt a r g e t sm e a s u r e m e n tt e s t a f t e rt h ew o r ka b o v ea n do t h e rw o r ko f m yl a bm a t e s ，c o n s t r u c t i o no f t h ew h o l es y s t e mo f l a m o s ti n t e r i me x p e r i m e n ti sf i n i s h e di nt h em a i n t i l lt op r e s e n ll h es y s t e mi s s t e a d ya n d p a b s t r a c t中周科学技术人学烦i 。学位论义 c r e d i b l e ，a n dm e e t st h ee x p e c t e dd e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：l a m o s t , c c d c a m e r a , s t e pm o t o r , p o w e ra m p l i f i e r , m e a s u r e m e n ts y s t e m 第一章绪论 中田科学技术人学顾i 学位论文 第一章绪论 1 1l a m o s t 项目简介 l a m o s t 即大天区多目标光纤光谱天文望远镜是一台反射式施密特光学望远 镜。其有效通光口径为4 米，焦距2 0 米，视场达2 l 平方度，可观测的覆盖天区 超过2 万平方度。在常规观测下，可测量暗至2 1 0 等的恒星，观测星系暗至2 0 7 等，同时可观测的对象约4 0 0 0 个。l a m o s t 的建成将对天文学及其它相关领域 的发展具有重大意义，故它被列为我国跨世纪的重大科学工程之一。 1 2l a m o s t 的总体结构及工作方式 l a m o s t 的总体结构见下图( 图卜1 ) 。它按中星仪方式工作，对过中天| i i 后 的天体进行观测。其施密特改正板采用主动光学控制，位于主镜的球心处，来自 天体的光线首先射向施密特改j 下板，然后再反射到主镜的球面反射镜上，因此只 灿嗣定球面主镜 m 反射sc - - i t 改正镜 地平装置 图卜1l a m o s t 工作原理 第一章绪论 中周科学技术人学硕t + 学位论文 需要适当转动施密特改f 板，就可使望远镜实现跟踪观测。球面反射主镜的半径 为4 0 米，天体的光线反射到主镜上后，由主镜在焦面上成像。焦面板位于主镜 的焦面处，上面呈蜂窝状分俞着4 0 0 0 个光纤端，同时瞄准4 0 0 0 个天体将光引至 光谱分析仪对天体的光谱进行分析，最终获得天体的光谱样本资料。 图1 2 是焦面光纤板的示意图，焦面光纤板主要是由焦面纂板、光纤头、监 控装置、主控制系统等组成。4 0 0 0 个光纤头安装在直径1 7 5 米的焦面基板上， 任意两个相邻光纤头的回转中心距为2 6 u u u ，每个光纤头由一个双回转机构控制， 其理论活动范围为直径3 5 m m 的圆，因此，直径1 7 5 米的焦面上不会有盲区。 图1 2 焦面基板上4 0 0 0 个光纤头的分布 1 3l a m o s t 光纤定位单元简介 在球冠状的焦面板上呈蜂窝状的加工了约4 0 0 0 个孔，每个孔中装有一个有 两个自由度的光纤定位单元其结构见图1 - 3 。定位单元包括中心回转轴和偏心 回转轴，分别用步进电机通过两级蜗轮蜗杆减速器驱动，减速比分别为4 0 1 6 和2 4 1 6 。 l a m o s t 的光纤定位采用并行可控式双回转光纤定位。每个光纤定位单元中 装有一根光纤，由两个步进电机驱动。其运动为一绕通过圆心轴线回转的中心回 转机构和绕距离圆心二分之一半径的轴线回转的偏心回转机构。每根光纤的有效 第一章绪论 中圉科学技术人学硕i + 学位论文 9 图1 3 双回转光纤定位单元结构示意图 覆盖面为中3 5 n 的圆，而两个圆的中心距为2 6 r a m ，这样就没有盲区，而且有一 定的重合区域，可以提高观测效率。中心回转机构由步进电机经两级蜗轮蜗杆减 速传动机构带动中心回转轴作一1 8 0 。1 8 0 。范围的回转，该中心回转轴支承在望 远镜焦面板上，其轴线与焦面板垂直，并通过定位圆区域的圆心；偏心回转轴安 装在中心回转轴上，可被中心回转轴带动作中心回转运动，另外，它还出另一步 进电机通过两级蜗轮蜗杆减速装置带动作一9 0 。9 0 。回转，当回转轴转到9 0 。 偏心回转轴 一 f ? 叁 一1 8 0 l 栅 x1 0 1 8l v ， o v e r7 0 0 t v f i n e s f h ) x 8 0 0 w l i n e s 7 0l u x , ，= ，4w i t h o u ti rc u tf i l t e r ，n os h u t t e 0 s e n s i t i v i t v ：l o u v e - 划二j 品i i 云崭与釜二必 b a c kf o c u s m p - 2 11 - 0 3 1 11 3 - 4 3 0 03 1 - p i nm a t i n gc o n n e c t o r 3 0 d g 一0 2 - 4 0i n t o t r a c ec a b l e ；r s - 2 3 2 cc a b l e & s o f t w a r e n o t e ：3 0 d g - 0 2 4 0c a b l ea n dp d - 1 2 pp o w e rs u p p l y p o w e rc a b l ea r ep r o v i d e da ss t a n d a k i l m a g eq u a t h yw i d e g r a d ew i t hi n c r e a s i n gt e m p e 咖帕 图2 4t m 1 0 4 0 c c d 摄像头参数 本次试验所使用的c c d 是美国p u l n i x 公司生产的t m 1 0 4 0 。t m 1 0 4 0 是 一种高分辨率黑白摄像头，使用的是1 0 2 4 * 1 0 2 4 逐行扫描行间转移c c d 阵列。 笫二章l a m o s t 中期实验系统原删简介中田科学技术人学硕i 学位论义 逐行扫描可以提供横竖两个方向上的完全分辨率，这是相对于隔行扫描制式 c c d 的一个主要的优点。方形的成像器是由尺寸相同的像元所构成的，这样在 任何方向上都可以由很好的图像分辨率。芯片上内置微镜头提高了敏感度和光电 转换系数。t m 1 0 4 0 由两个帧存储器用来获取c c d 的双通道的信号，并且可以 实时地输出数字或模拟图像。t m 1 0 4 0 通过特制的接口线与图像采集卡相连。 t m 一1 0 4 0 有两套内置的帧采集器和帧存储器。1 0 比特的模数转换器可以提 供1 0 2 4 个灰度等级。数字输出格式总是以每秒3 0 帧的速率逐行扫描。由于c c d 读出速度的限制，两个水平输出通道保持单个2 0 m h z ，合成4 0 m h z 的数据输出 速率。 箱三章驱动电路设计及】e 驱动特性的研究 中国科学技术人学硕l ：学位论文 第三章驱动电路设计及其驱动性能的研究 3 1l a m o s t 并行式可控光纤系统的驱动方案 控制系统需要控制驱动8 0 0 0 个步进电机以使光纤端部定位于指定位置。整体 控制方案采取分散控制，集中管理的模式。采用层次模块，逐级往下控制。系：统 原理性框图如下。 图3 1l a m o s t 控制系统的结构框图 主控计算机的主要功能为：接收望远镜主机下达的观测天区天体坐标；转换 为单元光纤头位置坐标：防干涉计算；消除系统误差( 包括温度补偿，大气折射， 焦板原点误差等) ；电机驱动步数计算：光纤位簧测量并完成一次开环补偿。 每个单元控制器作为系统的中间层，一方面接收主控机传来的各种指令，一 第三常驱动i 乜路设汁及j e 驱动特性的研究 中周科学技术人学硕 j 学位论文 方面负责驱动控制若干光纤定位单元的步进电机，4 0 0 0 个光纤单元需要多个这 样的单元控制器，各自分管一批光纤定位单元。 整体的设计方案采取混合型系统，通用机作主控计算机，完成人机对话；大 容量计算：c c d 图形显示；打印等功能。通过总线结构与单片机构成的独立应 用系统联系。单元控制器以c 5 l 系列的单片机为核心组成，对多个微型步进电 机进行直接的控制和检测。 上述框图只是一个控制系统的大致原理，具体使用的总线结构，单片机，数 据传递方案可不拘泥于一固定模式。 3 2定位单元双电源驱动电路的设计 在l a m o s t 控制系统的结构框图( 图3 1 ) 中下级控制系统的单元控制机对 光纤定位单元的驱动控制是通过驱动电路来实现的。它的作用就是将二级控制系 统中的单片机发来的驱动信号转变、放大成步进电机的驱动脉冲序列，从而驱动 步进电机的转动。同时也为诸如零位之类的定位单元反馈信号提供传递通道。 由于每个光纤定位单元的结构完全相同，且驱动是相互独立的，因此，他 们的驱动电路可以是完全相同，且相互独立的电路结构。这样，在设计驱动电路 时可以先一个光纤定位单元的驱动控制为考虑对象来进行，给设计工作带来了极 大的方便。 从l a m o s t 总体控制系统结构要求以及性能指标上来考虑，对于光纤定位单 元驱动控制电路的设计主要有以下几个方面的要求： 1 驱动电路简单、可靠。 2 抗干扰能力强。 3 所需功率适中。 4 系统散热性能好。 3 2 1 步进电机及集成音频功率放大器t d a l 5 2 1 简介 在l a m o s t 系统的一个定位单元的双回转机构设计中，需对两个步进电机进 行驱动和控制。针对本定位系统要求步进电机的体积小、驱动功率不大的特点， 控制系统设计中采用基于集成音频功率放大器t d a l 5 2 1 为核心的步进电机驱动 第三章驱动i u 路设计及l e 驱动特性的研究 中固科学技术人学硕l ：学位论文 电路。由于t d a l 5 2 1 有两种工作方式，即单电源工作方式和双电源工作方式，因 此有必要对这两种工作方式都作以研究，以期找出电机驱动控制电路的最佳设计 结构方案。 在定位单元的设计中选用的微型步进电机为双极型两相步进电机，电机励 磁绕组为a 、b 两相。步进电机的设定工作电压为1 2 v 。 t d a l 5 2 1 是一种9 脚单列直插式、塑封双声道的2 1 2 w 高保真音频功率放 大器。该功率放大器所需外接的外围元器件少，通道间具有很好的增益平衡， 使用方便，并具有过热保护功能、短路保护功能和静噪功能，输出与地之间的 偏离电压小，通道间的增益平衡性优良以及工作电压范围大等优点。工作电压 范围为7 5 v 到2 1 0 v 。t d a 5 2 1 内部原理如图3 2 所示。 反向输 正向输 接 正向输 反向输 图3 2集成功率放大器t d a l 5 2 1 内部原理图 3 2 2 t d a l 5 2 1 两种工作方式的分析 t d a l 5 2 1 有单电源和双电源两种工作方式。 1 ) 单电源工作方式 第二三章驱动u 路驶汁及】e 驱动特性的研究 中国科学技术人学硕i ：学位论文 u li 1 1 1 1 图3 3单电源工作方式的驱动控制电路图 该方式下工作时t d a l 5 2 1 采用单电源+ 1 5 v 供电，其2 、3 、8 脚要通过l1 0 uf 电容接地，使得3 脚浮在7 5 v 的中点电压上。t d a l 5 2 1 为了保证输出稳定 采用饱和放大，即其放大输出为+ 1 5 v ，而电机额定工作电压为+ 1 2 v ，故电机绕组 需串联限流电阻。为确保输入端的非有用信号进入电路后所产生的影响尽可能地 小，需要在满足饱和放大的前提下，放大倍数尽可能的小，因此在电路中串联了 一个2 3 5 kq 的电阻。芯片的输出端4 脚和6 脚分别接电机一相绕组的两端，所 以驱动一个电机需要两个t d a l 5 2 1 集成功率放大器。在l a m o s t 光纤定位单元的 前期实验中，微步进电机的驱动电路的设计便是采用该工作方式。 2 ) 双电源工作方式 电机 绕组 ，1 i i 2 1 3 i 4 第三帝驱动i 乜路i 5 计及j 驱动特性的研究 中网科学技术人学硕l ：学位论文 rr 图3 4双电源工作方式的驱动控制电路图 一1 2 v 双电源工作方式的驱动控制电路与单电源工作方式的驱动控制电路相似( 如 图3 4 所示) ，所不同之处主要是在于电机一相绕组的一端接地，另一端接 t d a l 5 2 1 的一个输出端，也就是说一个功率放大器就可以驱动一个步进电机，这 样便大大节省了资源，与单电源驱动方式相比可将芯片的数量减少了一半。那么 无论是从可靠性方面还是经济性方面来说，对于驱动8 0 0 0 个电机的整个系统来 说都是一个决定性的优势。这也是我们在l a m o s t 光纤定位单元中期实验中要求 更改微步进电机驱动电路设计的原因所在。 由于是正负对称电源，所以单电源工作方式下接在3 脚处的l l o l a f 浮地电 容便不再需要了。此外t i ) a 1 5 2 1 加载工作电压后会由于自激励而在输出端产生一 定量的直流输出，从而导致芯片过热，所以在t d a l 5 2 1 的输出4 脚和6 脚各加一 个4 7u 隔直流电容。在双电源工作方式下，音频功率放大器t d a l 5 2 1 工作电压 为1 2 v ，并且为了使得输出电压稳定我们使其工作于饱和放大状态，即输出端 电压为1 2 v 。此时，单电源工作方式下的1 8q 分压功率电阻不再需要了，这样便 6 电机 绕组 电机 绕组 、- 旃三章驱动i 乜路i 设计及j 驱动特性的研究 中哥科学技术人学顿i ：学位论文 消除了分压功率电阻对电机输入信号的影响并且降低了电路的功率损耗。驱动电 路的实际工作电压的确定是由其驱动步进电机定位时的精度来决定的，这将在后 面的微电机驱动特性一节中予以说明。此外，特别注意的一点是，功率放大器 t d a l 2 5 1 在双电源方式下工作时芯片的发热大，必须考虑散热问题，因此在其电 路板设计中要加入散热器结构，否则长时间加载电压芯片容易被烧毁。 3 2 3 步进电机的驱动控制 a m l 0 2 0 型微型步进电机为双极型两相步进电机，其激励方式如图3 5 所 示。正转时激励方式为a 豆一孑吾_ j b 专爿boa 西，反向时为反转。 按此激励方式，电机工作过程中，每相绕组间隔一个脉冲后，电流需要反向。 a 相 b 相 a 相 砑目 图3 5步进电机激励脉冲时序 为改善步迸电机的工作特性，需要对步进电机进行灵活控制，如采取升降速 控制、断电保护等措施，因此步进电机的控制电路不宜采用硬件作为脉冲分配电 路，可由单片微处理器构成脉冲分配器，利用软件来实现所需要的脉冲激励方式， 由于在驱动电路设计的测试中我们仅对一个单元即两个电机进行驱动控制试验， 所以可采用一种简单的控制方案来作为临时的电路测试方案，于是我们采用由程 序通过计算机并行口直接实现驱动控制的方案( 见图3 6 ) ，而不采用图3 1 所 塑兰! 矍垄皇堕堡生丝茎矍垄堑堡竺堡壅 曼型兰塾查生兰堡上兰! 燮 示整体控制方案。单双电源两种工作方式下的驱动控制基本相似，我们以双电源 计算 机并 行口 图3 6步进电机的控制方案 工作方式为例进行说明。 由于双电源工作方式下步进电机绕组的一端( a 端和b 端) 需要与地相连， 所以步进电机绕组的另一端( a 端和b 端) 需要的信号应为l 、一l ，而不应是l 、 0 ( 见表3 1 ) 。但是由于计算机并行口所发出的信号只能为l 、0 。这样就需要对 该信号作以简单的逻辑运算如上图前端电路即为用普通运算放大器搭成的减法 运算器，当在该减法运算器的四个输入端分别输入信号i 1 、i 2 、i 3 、i 4 ，在其 驱动方向端脚 反转争正转 l0o1l l l 01l00 l2 o011013 11ooll4 11一ll1彳 一1一ll11口 一 oooo0爿 一 0oo0o口 表3 1 双电源工作方式的驱动脉冲序列 输出端即集成功率放大器t d a l 5 2 1 的l 脚和9 脚得到的两个信号为i 卜i 2 和 i 3 - i 4 。这样，在电机的a 端和b 端就可以得到放大后的1 、一1 信号。可以看出 笙兰皇矍生生堕丝生丝! ! 墨垫竺丝竺型壅 主里型堂垫查叁兰堡! ：兰竺堡兰 无论是单电源工作方式还是双电源工作方式，在计算机并行口处发出的驱动控制 信号是相同的。 在定位过程中，若某个步进电机到达指定位置，程序停止发送激励脉冲，此 时电容u 1 和u 2 会自动把计算机并行口的直信号与功率放大器t d a l 5 2 1 的输入 端隔离，电机处于断电状态绕组中无电流流过，此时定位系统由机械白锁装置保 持位置，同时由程序记忆断电前电机的相位( i 1 、i 2 、i 3 和i 4 对应的状念) ，在 重新启动电机时只需恢复断电时电机所处的相位即可。这样就可以避免由于相位 的不连续而造成的电机启动时的运动不确定性，以及电机长时间通电引起的电机 温升。 3 3 定位单元驱动电路的噪声问题 驱动电路在工作时，往往还央杂着一些无用的、不规则的噪声信号，这些噪 声信号会导致步进电机的丢步，影响光纤的定位精度，严重时会使得步进电机无 法f 常转动。 在实际环境中噪音源是广泛存在的，但就其来源而言，无外乎两类：类是 系统的内部噪声；另一类是外部噪声。下面就实验中单元驱动电路干扰产生的主 要途径加以阐述： 1 由于系统发热引起的热噪声干扰。电子系统在工作时产生的热量所引起 的温度波动以及环境温度的变化等，都将引起系统内的电子元器件参数 发生变化。温度的升高时产生热扰动的基本原因，热扰动噪声会随温度 的升高而加剧。温度的大幅度变化不仅对阻容元件的数值和性能造成影 响，而更重要的是影响半导体器件的参数，因为几乎所有的半导体器件 的参数都与温度变化有关。然而发热又恰恰是该电路系统的一个较为突 出的问题。驱动系统中存在两个主要的发热源，一个是功率放大器 t d a l 5 2 1 ，另一个是步进电机。因而，在定位单元驱动电路设计中应设法 控制系统温度的变化，或采取其他一些措施，使电路由于温度变化所带 来的干扰得到最大程度的抑制。为了减小热噪声干扰，设计中要充分考 虑到系统的散热问题。电路板设计时我们将所有的功率放大器t d a l 5 2 1 9 第二章驱动l 乜路设计及1 驱动特性的研究 中田科学技术人学硕i ：学位论文 并排地置于电路板的一侧，这样可以t d a l 5 2 1 统一安装上散热器。并且 为所有的驱动电路设计一个安装盒，将电路与定位单元隔离，从而消除 了步进电机发热对驱动电路的影响。 2 接地电位差引起的接地干扰。理想情况一个系统的所有接地点与大地之 l 、日j 应具有零阻抗。但是实际上这是不可能的，由于系统与大地之间总有 一定阻抗，如果将系统内各电路的接地点都串联起来就会形成接地电位 差。再加上电容及电感耦合干扰等形成系统各接地点电位不同，所以造 成系统各个接地点之问存在电压。诈是该电压的存在常常会构成对系统 的干扰( 见图3 7 ) 。 ! 。 _ _ ；： - ；： | j ： ；。 j ： j| 。1 “ j 重m _ 一 _ ； 。矗j iljlli11埘 _ 砸 ；l - i 一 t 1 1 - 1 ；11 |l|1| !1 w ? 7 1 1 f ；下 射 孵? 。叫 了f ! i 】 i ： ； _ 1 ； _ j i： 一 - n i t k遗 u n j ； 烈 ，v 图3 7串联接地产生的干扰信号 由于电路的工作频率在1 mh z 以下，因此宜采用一点接地方式。把 系统内的所有接地线包括信号地、模拟地、数字地、电源地、计算机地、 机壳地等隔离开来，并使他们在整个系统的接地网中呈放射状排列，最 后在并联汇总到一点系统基准地，就能有效地防止接地干扰( 见图3 8 ) 。 最后有必要指出，信号源电路的一点接地是消除因公共阻抗耦合而引起 干扰的一个重要方法。点接地虽然可以避免干扰电流流经信号源地 线，从而杜绝因多点接地造成的地电位差所带来的干扰，但是，由于电 路仍然存在着绝缘电阻以及杂散电容等构成的漏电通道，因此干扰是不 篇二三章驱动电路设计及l e 驱动特性的研究 中国科学技术大学硕】：学位论文 可能完全抑制的。 + i 。i 4i 。l l i i 。1i 。l 。 霸豳 ：。；。ii ：。i ：- 。ji 一j i i t ， “j f 一一- ；。t i ”：r 7 r ：71 ”：- 1 _ ! 。r “甲_ r ；一”1 l 一! n f t kt n 戥m l 舳啊o r m c i 一；d v 描m s 。：，：。：。，： 图3 8 一点接地后信号中的干扰 3 电源干扰以及信号传输线的串扰。当系统中几个电路公用同一电源时， 由于电源内阻及线路电阻的影响，一个电路中的电流任何变化均会影响 另一个电路的电源电压，从而引入干扰信号。此外，由于系统有大量的 信号线，因此信号线的串扰也是干扰源之一。所谓的串扰就是指信号在 传输线上传输过程中，与其相邻信号线上产生的噪声。实验中我们采用 不同电路分开电源供电，使用接地双绞线作为信号线等方法来解决这些 干扰问题。 3 4步进电机驱动特性研究 由于l a m o s t 设计中要求在直径1 7 5 米的脚面板上均匀分布4 0 0 0 个光纤 定位单元，因此在光纤定位单元的结构设计上有严格的尺寸限制，故对所选用的 步进电机要求其径向尺寸小。光纤定位单元前期试验中使用的微步进电机是同本 m i t s u m i 公司的m 1 2 s p - i n 微型步进电机( 图3 9 ) 。由于给电机的绕组接线板在 其侧面，安装在光纤定位单元上后，恰好使得单元的径向尺寸超过了设计许可尺 寸，所以在l a m o s t 多单元系统中必须更换所使用的步进电机。 第兰章驱动电路设计及其驱动特性的研究 中国科学技术大学硕士学位论文 i 咖1 巾3 日“枷3 图3 9m 1 2 s p i n 微型步进电机外形尺寸图 3 4 1微步进电机的参数 在此次的中期实验中，我们选用了美国m i c r o m o 公司的型号为a m l 0 2 0 型 步进电机( 图3 1 0 ) 。该电机断电时具有一定的保持力矩，可以在电机断电后 1 t ：t 3 s 3 2 3 5 5 n 6 1 2 0 乱3 置 j 1 7 上口 l i ：1螂 - l 7 o7 1 1 m 4 ：13 7 _ 鹞2 1 j o 8 8 撇1酆 1 叠3 n m j 2 囊s4 1 1 嵋毓o 1 a 2 良枷 1 7 3铺 1 1 1 2 ，7 ： 4 6 0 1 1 1m1 e 0 2 扯t 4 1 1 1i 鞠 3 土3 1 2 ， 1 蛳2 1 5 0 11 ms “ 3 6 3 0 生 s 幺32 a t5 。 s 哪：m 4 乞3 & s1 趣 5 螂：5 l 5 t 盘4 0 , 7 图3 1 0a m l 0 2 0 微型步进电机外形尺寸图 使得定位单元能够保持给定的位置。a m l 0 2 0 型微型步进电机为双极型两相步 进电机( 图3 1i ) ，步距角为1 8 。，每项绕组的阻抗为2 5 0 欧姆。在两相工作模式 下，额定电流为0 0 4 5 安培，标准工作电压为1 2 v ，在单相工作模式下，额定电 流为0 0 6 安培，标准工作电压为1 5 v 。a m l 0 2 0 型微型步进电机绕组线圈的接 线板在电机的尾部端面上，使得电机的径向尺寸要小于m 1 2 s p 1 n 微型步进电 第三章驱动i 乜路设汁及】e 驱动特件的研究 中固科学技术人学硕l ：学位论文 机，满足了光纤定位单元结构设计中对其的尺寸要求，此外该电机自带减速比 为9 1 7 1 或4 l 的减速器，有利于减小步进电机输出的脉冲当量。 s t e p p i n gm o o r s e r i e sa m l0 2 0 r a2 o = r e c t ；o np h a s ep h a s eo i r e c t = o n o fr a t a r i a n1 下盯0 fr o r a t i o n c w 丰 c c w 二_ j 二 +i+ 图3 1 1a m l 0 2 0 型步进电机励磁绕组示意图及其激励方式 以下列出a m l 0 2 0 型系列步进电机的各项参数 e l e c t r i c a ls d e c l f j c a t i o n s ： v o l t a g em o d e c u r r e n tm o d e f o rm o t o rt v p ea m l 0 2 0 飞毫习r 朝隔r 弋衍! 端r 砸巧虿一。 p h a s er e s s t a n c a ( o h m s l 66 5 2 5 0 74 p h a s e i n d u c 协n e e f l k h z ) m h 451 87 021 n o m i n a ic u r r e n b p h ( 2 酌o n ) a0 7 5 3 v0 6 vo ，0 4 5 1 2 v o 2 5 n o m i n a lc u r m n t p h ( 1p ho n a0 2 4 1 4 v0 12 ，8 v0 0 6 1 5 v o3 5 b a c ke m fa m p l i t u d ev ks t e p s s e c o n d2 2 5 4591 5 o i e l e c u 耙t e s t ( v r m s ) 5 0 05 0 05 0 05 0 0 曰e c 伽口it i m ec o n s t a n t m s )2 82 8 2 82 8 m e c h a n i c a ls p e c i f i c a t i o n s ： n o m i n a lh o l d i n gt o r q u e ( 2p h l 娆o ! f h o h m gt o r q u e 2 xn o m i n a lc u r r e n t ) 1 1 d e t e n lp l u sf r c t i o nt o r q u e a b s o l u t e a n g u l a r a c g u r a c , y 4 z ， ( 2 帅o n f u # s t e p ) a t m a t u r ei n a r l i a n o m m a i a c c e l e m l i o n r e s o n a n t f r e q u e n c y t h e r m a ir s b l a c 8c o i l - a i r t h e r m a it i m ec o n s 括n t 麓a 。x ”l m 盯u m 辨s h a f tl o a d i n g t 【3 ) , ， | ， r a d i a l a x i a i s h a f tp l a y ( w i t ho 7 2o zl o a dm a x ) ( 3 l r a d i a i a x i a i w e i g h l m a 副m u mr o t o rt e m p e r a t u r e m o t o ro p e r a t i n gt e m p e 曙t u m r a n g e t j 1 8m n m o 2 3o z - i r t ) 2 4m n m f o 3 4o z - l n ) o 2 5m n mf o 0 4o z i n ) 3 o ff u , s t e p 1 2 7x1 0 4o z - l n - s 矗z 1 6 0 0 h c l s 科 ，4 0 h z 7 3 c n v g o s a c s l e e v e b a l lb e a r i n go p t i o n a l ) 03 n ( 10 8o z ) o 3 n ( 1 0 8o z o5 9x 1 0 - 3 i n 5 9x1 0 + 3 i n s 5 9 ( o 1 9o z ) 1 3 0 c ( 2 6 6 f ) 2 0 。ct o + 4 5 c 卜4 。ft o 1 3 。f 1 ，e 第三章驱动l 乜路设计发j e 驱动特性的研究中圈科学技术人学硕上学位论文 3 4 2步进电机驱动频率的确定 l a m o s t 工程项目的设计任务中对焦面板上的光纤定位单元的定位时间有 较为严格的要求，同时与定位单元的前期试验不同，此次定位系统为了减小光纤 定位单元的驱动脉冲当量，所使用的步进电机带有9 1 7 ：l 或者4 ：1 的减速器， 所以我们对于选择步进电机驱动频率的要求是在保证单元定位精度的阿提下，尽 量地提高步进电机的驱动脉冲频率，以满足设计任务中对光纤定位单元定位时浏 的要求。 驱动频率的确定在很大程度上取决于步进电机的转速扭矩特性( 如图 3 1 2 所示) 。从图中我们可以看出步进电机转速在8 0 0s t s 左右时期输出的扭 矩达到最大值1 2 m n * m ，步进电机的转速在4 0 0s t s 到1 2 0 0s t s 之间时，电 机的输出扭矩都保持在1 o m n * m 以上。但是，该曲线图是a m l 0 2 0 型步进电机不 带减速器和不带负载( 即驱动定位单元) 的情况下测得的，所以步进电机的实际 驱动频率还需要通过实验来确定。 s t e p p i n gm o t o rs e r i e sa m l0 2 0 、 j、 t ) i ! | 、 i |￥ 、， 、 、k 01 7 0 0 2 1 0 03 虽4 8 0 0 4 0 0s 0 01 2 0 0 1 6 一。s ；e - m o t e c p 啪l i o n 图3 1 2 a m l 0 2 0 型步进电机转速输出扭矩特性图 实际上，步进电机的驱动频率存在两个概念：一个是响应频率，另一个是运 行频率( f c ) 。 2 4 篱啪瑚媳器 r l 茸如拈 第三章驱动电路设计及其驱动特性的研究 中国科学技术大学硕士学位论文 在某一频率范围内，步进电动机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大 频率称之为响应频率，通常用启动频率( f t ) 来作为衡量的标准，它是不能丢步 地启动电动机的极限频率，有时也叫做突跳频率。对于一定的电动机及一定的驱 动器的情况下，启动频率的值与负载的大小有关，负载的大小包含负载转矩和负 载转动惯量两个方面的含义。 运行频率是指驱动频率连续上升时，步进电动机能不失一步地运行的极限频 率。它的值也与负载的大小有关。很显然，同样的负载情况下，运行频率( f c ) 的值要大于响应频率或启动频率( f t ) 的值。步进电机之所以存在这两种驱动频 率时因为受到所带负载的惯性力矩和摩擦阻力矩的影响。由试验数据我们确定驱 动光纤定位单元时步进电机的启动频率为7 8 0s t s ，步进电机的运行频率为l i 0 0 s t s 。 为了缩短步进电机驱动定位的时间，我们尽量选用较高的驱动频率，因为步 进电机的运行频率大于它的启动频率，显然电机在驱动过程中存在一个加速的过 程。试验中我们考虑的加速方式有两种( 见图3 1 3 ) ：一个跳跃式加速，一个是 连续( 均匀) 加速。 跳跃式加速 运行频率f c启动频率f t加速时间h 图3 1 3 步进电机的两种加速方式 均匀加速 两种步进电机的加速方法各有优点。跳跃式加速方式中，步进电机驱动全过 第三章驱动也路设计度1 e 驱动特性的研究 中周科学技术人学硕i ：学位论文 程罩仅用到两种频率的驱动脉冲，这样对于产生驱动信号的二级驱动电路来说设 计相对简单。但是显然在电机驱动过程中由于存在个速度曲线上的阶越，