（信号与信息处理专业论文）三维激光扫描仪测控技术及回波信号处理方法的研究.pdf

两北t 业大学颤。卜论义：二维激光十f 描仪测挖技术肢h 波倩寸处理方法的研究 i 三维激光扫描仪测控技术及回波信号处理方法的研究 学科：信号与信息处理 学生：李龙 导师：何明一教授 摘要 近些年来，随着数字化技术的迅速发展，各种不同领域对于获取原始数据信 息的需求也日益增多。其它相关技术如计算机、机械制造等的进步和发展，使人 们获取信息的方法和技术变得多种多样。 - 三维激光扫描技术是其中一种利用激光脉冲对物体表面进行扫描从而获取其 表面特征信息的技术，它适用于中近距离的宽场景、大物体的快速高精度扫描， 为建立场景的三维模型提供了必要而且准确的工具。通过与计算机的连接，三维 激光扫描的后处理技术可以使扫描结果得到更为广泛的应用。 本文对三维激光扫描仪的测控系统技术及通过对回波信号进行处理来提高测 距精度的方法进行了深入的研究。首先介绍了三维激光扫描的特点以及国内外有 关发展趋势、技术特点及难点等，根据系统要求对测控系统步进电机的细分驱动 原理的实现进行了设计、分析和讨论。然后，对常用的距离计数法进行了精度分 析，根据三维扫描仪的精度要求分析了采用多种提高测距精度的对激光的主、回 波波形进行采集、分析与处理的方法，比较了这些方法的优点以及缺点，并通过 软件进行了仿真证明了方法的可行性。通过这些回波分析的方法，提高了三维 激光扫描仪的扫描精度。 关键词：三维激光扫描仪，步进电机，细分驱动，时间间隔测量，飞行时间 m a t l a b s i m u l i n k 两北t 业大学烦l 论义：三维激光引描仪测拧技术肚川波信呼处理方法的研究i i s t u d y o nt e s tc o n t r o l t e c h n i q u e a n de c h o p r o c e s s i n g m e t h o d sf o r3 dl a s e rs c a n n e r s u b j e c t ： a u t h o r ： s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g l i l o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh em i n g y i a b s tr a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fd i g i t a lt e c h n o l o g yr e c e n ty e a r s ，t h e r ei sa f t i n c r e a s i n g n e e df o rl a r g ea m o u n to fr a wd a t ai n f o r m a t i o ni nm a n yd i f f e r e n tf i e l d s t h ep r o g r e s s a n dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r sa n dm e c h a n i s mm a k et h em e t h o d sa n dt e c h n i q u eo f g e t t i n gi n f o r m a t i o nd i v e r s i f i e d 3 - dl a s e rs c a n n i n gt e c h n i q u ei saw a yt h a tu s e sl a s e r p u l s et os c a nt h eo b j e c tt og e t t h es u p e r f i c i a lc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o no ft h ee n t i t y i ta p p l i e st ot h ec l o s eq u a r t e r so r m i d d l ed i s t a n c es c e n eo f t h e o b j e c t s i nt h er e a lw o r l d 3 - dl a s e rs c a n n e rh a si t s o u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ei n t h i s f i e l d t h r o u g hc o n n e c t e dw i t hc o m p u t e r , 3 - dl a s e r s c a n n e rp o s tp r o c e s s i n gt e c h n i q u e c a nm a k et h ee x t e n s i v eu s eo ft h es c a n n i n gr e s u l t t h ea r t i c l eh a sad e e ps t u d yo nt e s tc o n t r o lt e c h n i q u ea n de c h op r o c e s s i n gm e t h o d s f o ri m p r o v i n gt h er a n g i n gp r e c i s i o no f3 - dl a s e rs c a n n e r f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i ca n d t h er e s e a r c hw o r ko nt h ec u r r e n ti n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n tt r e n do f3 - dl a s e rs c a n n e r a r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h en e e do fs y s t e m ，t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h er e s u l t so ft e s t c o n t r o ls y s t e ms u b d i v i s i o nd r i v i n ga r ed e s i g n e d ，a n a l y z e da n dd i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ， a f t e ra n a l y z i n gp o p u l a rm e t h o d sa p p l i e di nl a s e rd i s t a n c em e a s u r e ，o nt h eb a s i so f p r e c i s i o n ，a n a l y z em a n ym e t h o d s t o i m p r o v e t h e r a n g i n gp r e c i s i o no fe c h od a t a p r o c e s s i n g ，c o m p a r et h es t r o n g p o i n ta n d t h ed i s a d v a n t a g eo ft h ed i f f e r e n tm e t h o d s ，a n d t h r o u g hs o f t w a r es i m u l a t i o n ，p r o v e t h em e t h o di s f e a s i b l e u s i n g t h o s ee c h od a t a p r o c e s s i n gw a y , b o o s t t h e p r e c i s i o no f t h e3 - dl a s e rs c a n n e rr e s u l t k e y w o r d s ：3 - dl a s e rs c a n n e r , s t e p p i n gm o t o r , s u b d i v i s i o nd r i v i n g ，t i m em e a s u r e m e n t ， t i m eo ff l i g h t ，m a t l a b s i m u l i n k 两北t 业人学砸一l j 论义：二维激光丰f 描仪测拎救术发川波信号处理方法的研究 第一章绪论 1 1 三维激光扫描技术概述 自从上个世纪各种平面扫描仪诞生以来，人类对于获取物体表面图像信息的 要求越来越高，传统的二维图形信息获取技术已经远远不能满足人们的需要。如 何运用更加先进的技术手段获取实物的三维数字化信息，从而利用计算机进行处 理，成为一个追切需要解决的问题。在这种情形下，三维激光扫描技术应运而生， 在工业生产、机械加工、影视娱乐、国防、医学等应用领域有着广泛的应用。例 如：航空航天领域中的航空发动机的测绘、虚拟发射的实现；工业界中逆向设计 中的应用：影视特技制作中的三维动画特技处理；生成物体与场景三维全景模型 的虚拟现实技术以及最近成为热门话题的“数字地球”的建造等等一些工程中都 j 泛地需要运用到三维激光扫描技术。 三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，它是一种主动式的三维信息获取技 术。通过使用照明光源( 通常用激光) 在三维物体的表面上投影出几何状的结构 光，在计算机的控制下，同步地获取这些结构光的图像。根据光源的信息及对应 像的信息可以求出被测物体表面上的空间信息。三维激光扫描技术可以深入到任 何及其恶劣的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、 不规则、标准或非标准的实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速 重构出目标的三维模型以及线、面、体、空间等各种制图数据。同时，它也是一 种逆向工程工具，所采集的三维激光数据可以进行各种后处理工作，并且所有采 集的三维数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种正向工程软件 直接使用。 三维激光扫描技术不同于单纯的测绘技术，它主要面向高精度逆向三维建模 和重构。传统测绘技术主要是单点精确测量，但是在对物体进行建模工作的时候 就显得远远不够，因为描述目标结构的完整属性需要大量的测绘点采集，少则几 万个，多则几百万以上，这样才能把目标的数据信息完整地存储于电脑中，所以， 必须采用现代高精度传感技术作为辅助来解决这个问题，三维激光扫描技术就是 这类全自动高精度立体扫描的技术。 三维激光扫描技术同时也是非接触式测量的一种，相比于接触式测量，其主 要育以下优点： f t 【| 北t ! 世人学坝l j 论史：兰维激光 l 描仪删摊拙术及川波信l j 处理方泫的研究 2 1 ) 对三维曲面的测量，由于传统接触触发式探头是感应元件，测量到的点是 探头的球心位置，故欲求得物体真实外形则需要对探头半径进行补偿，因 而可能会导致修正误差的问题。而非接触式测量由于激光的光点位置就是 工件表面的位置，因而不必做探头半径补偿； 2 ) 测量速度非常快，曲面数据获墩容易，不必像接触触发探头那样逐点进出 测量； 3 ) 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可赢接测量； 4 ) 无接触力，不会伤害精密表面。 三维激光扫描技术在各种领域的应用非常广泛，它是正向工程的对称应用， 许多人形容它为逆向建模技术。逆向建模技术可以将设计、生产、实验、使用等 过程中的变化内容重构回来，然后进行各种结构特性分析、检测、模拟、仿真、 虚拟现实、柔性制造、虚拟制造、虚拟装配等，这对于有限元分析、工程力学分 析、流体动力分析等软件来说是非常重要的，对于精度适合的工作还可以进行后 处理测绘、计量等。 三维激光扫描技术最重要的意义在于，它能够快速方便地将真实世界中实体 的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物的数字信息化提供 了一种手段，实现了从模拟量到数字量的转换，为信息数字化发展提供了必要的 “生存”条件。 1 2 国内外的研究现状 由于三维激光扫描技术在物体表面的重构方面有着重要的应用作用，早在上 世纪6 0 年代末西方发达国家就开始投入大量资金进行这方面的研究，并且提出了 许多新的测量原理和方法。目前，欧洲以及美国的高科技公司对三维扫描仪的研 究已经形成了一定规模的新必产业，其产品在精度、速度、易操作性等方面达到 了很高的水平。随着扫描范围的不断扩大，扫描仪的本身尺寸越来越小，精度变 得更为精确，价格却呈现逐步下降的趋势。 在这些对三维扫描技术进行研究的机构中，法国m e n s i 公司的三维激光扫描 技术有着其独特的创新，它真正做到了直接从实物中进行快速的逆向三维数据采 集及模型重构，也就是说，完成了从三维到三维的全景三维实测数据重构。在扫 描的过程中无须对扫描对象做任何实物表面处理，并且扫描的景深很长，避免了 光学变形因素带来的误差。其每一个三维数据都是直接采集的目标真实数据，从 两北r 业人学烦卜论史：三维激光十l 描仪测挣技术技川放信号处理方法的研究 而使得后处理的数据真实可靠。m e n s i 公司的技术主要是针对大中型的目标实体 或实景，并能最赢接的反映客观事物的实时的、变化的、真实的形态特性。由于 m e n s i 三维激光扫描技术是以精密自动传感技术、c c d 技术、遥感跟踪技术作为 支持的，所以获取实物或实景的三维数据质鼍很高，如：真实性、均匀性、实 时性、操作性、完整性、广域性、可监测性、t 可维护性等。 相对而言国内的情况比较落后。事实上，三维激光扫描技术的原理并不复 杂，国内的许多科研机构也开展了多年的研究，国外的三维激光扫描仪所采用的 基本原理绝大多数已经被掌握和消化。但是国内的工作仅仅局限于学术研究，没 有形成产业化。这其中的原因存在于多方面，其中主要是由于现今的三维激光扫 描仪对器件的要求很高，国内的制造业达不到要求：扫描精度和扫描成本都不能 让大多数用户接受。并且，由于市场需求的原因，并没有像发达国家那样有强烈 的要求。 本文是结合国家8 6 3 项目“近景目标三维测量技术”而进行的，“近景目标三 维测量技术”是十五期间国家8 6 3 计划信息技术领域的第一批重点课题之一，专 门研究从地面或近地低空采用新近发展的特殊观测手段，全面、快速地采集城市 环境及各种工程目标的三维信息获取的方法，并研制实用系统以解决城市高层建 筑遮挡区、高层建筑物侧面、多层建筑物复杂结构和工程建筑物特殊工作面的信 息获取，以及城市和工程建设所需的大比例尺、高精度三维测量的问题，从而满 足当前“数字城市”和各种工程建设的需要，对国民经济的发展具有重要的现实 意义。 1 3 本文内容安排 本文主要完成三维激光扫描仪的步进电机控制系统的设计与实现，激光主、 回波波形的采集与处理。 第一章为绪论介绍了三维激光扫描技术的特点、发展的历史以及国内外的 研究现状；第二章介绍了三维激光扫描仪的整体结构，步进电机控制系统方案设 计：第三章讨论了步进电机的驱动方式，实现一个实际的步进电机细分系统，分 析在实际过程出现的问题以及解决方法：第四章为三维激光扫描仪飞行时间测距， 讨论了影响回波分析的因素以及各种回波分析方法的优缺点，对波形分析的精度 要求进行了估算，提出了几点可提高扫描仪距离测量精度的方法；第五章通过软 件仿真对回波波形的处理方法进行了精度估计；第六章对论文进行了总结并对三 维激光扫描仪的未来发展进行了展望。 两北r 业人学坝卜论义：二维激光十f 描仪测拎救术发h 波信q 处理方法的研究 第二章三维激光扫描仪控制系统的设计 2 1 三维激光扫描仪的系统结构 2 1 1 系统方案及总体框图 三维激光扫描仪作为一种高精密的测量设备，其中牵涉到机械、电子、光学 等许多领域的综合应用。根据项目的要求和实际的应用需要，三维激光扫描仪主 要包含了以下几个部分： 1 ) 主从计算机的控制； 2 ) 激光脉冲飞行时间( t o f t i m eo f r i g h t ) 测距； 3 1 扫描回波的高速波形采集； 4 ) 利用数字信号处理的方法对回波进行分析处理： 5 ) 三维重建、处理与显示软件。 总体框图见图2 1 。 物体表面 圈2 - 1 三维激光扫描仪总体结构框豳 、 各部分的功能简介如下： 由于对实物进行三维扫描时数据量相当的庞大一台计算机无法同时和实时 地控制和传输所有的数据，因此需要使用两台计算机。其中一台作为主控机控制 从控机，完成扫描参数的设置以及有关数据的显示：另外一台作为从控机，负责 完成扫描过程中对激光源、伺服控制系统、回波处理系统的控制以及与主控机的 肌北k 业人学坝卜| 仑义：二维激光fj 描仪删拄技术j a , h 波信号处理方法的训究 5 通信；伺服控制系统主要控制大、小电机及细分电路，小电机带动镜面旋转，从 而改变激光束的出射角度，完成线扫描，大电机则负责带动小电机、激光源等从 当前一帧移动到下一帧；光电转换器件将返同的光信号转换为电信号：回波处理 系统则对光电转换后的波形进行采集取样和分析。 在一个完整的扫描周期中，伺服控制系统( 通过线扫描与帧扫描的配合) 使 激光束定位于扫描对象上的某一点( x ，y ，z ) ，激光源发出激光，其中大部分的激 光通过镜面打在被扫描物体的表面，另外一小部分通过镜面进入接收通道触发起 始信号。用物体表面发射回来的信号作为终止信号，利用高速数据采集的方法记 录下激光的回波波形，通过对所记录的波形进行分析可得出时间间隔。时间间隔 乘以光在空气中的传播速度得到距离值，从而可以得到物体表面上某一个点与三 维激光扫描仪的距离。伺服系统依照一定的运动规律不断地改变激光束的发射方 向，从而依次获得扫描对象上所有点与三维激光扫描仪之间的距离。根据距离以 及步进电机的运转情况所成的几何关系，便可以得到所扫描点的三维坐标值，由 此便可以将所扫描的对象完全地重建出来。该方法实现的难点是如何快速地获得 扫描点与三维激光扫描仪的距离值，弗使最终求得的坐标值满足一定的精度要求。 其中x ，y 坐标的精度主要取决于伺服控制系统对电机转角的控制精度。对于z 坐 标的精度，则主要取决于对时间间隔测量的精度( 或者说对回波波形分析的结果) 。 2 1 2 三维激光扫描仪的系统参数 按照扫描的精度要求，扫描仪应完成如下要求的扫描精度 图2 - 2 三维激光扫描仪扫描区域示意图 扫描仪的性能指标为： 测最距离：5 2 0 0 m 扫描速率： 3 0 0 0 点秒 测量精度：可以达到2 c m ( 2 0 0 m 处) 两北r 业人学埘卜沦义：二维激光描仪测摔技术及h 被侪0 处理方法的 j 究 线扫描视场：o 6 0 0 ( 即3 0 0 ) 帧扫描视场：0 2 8 0 0 角度分辨率：0 ，0 5 7 2 。( 对应2 0 0 m 处的分辨率为2 0 c m ) 2 2 三维激光扫描仪控制系统的方案 由上述的扫描原理可知，要完成对某一区域的扫描，必须有一位置伺服系统 来改变激光扫描仪激光束的位置才能完成对整个扫描对象的扫描。伺服系统通常 由控制器、电机和一些机械传动机构组成。 2 2 1 控制系统的电机 三维激光扫描仪控制系统的电机的主要任务是精确地完成控制信号的传递与 转换，因此它与生活中常见的电机作用不同( 这类电机的主要作用是完成电能到机 械能的转换，提高能量转换的效率是关键) 。对于控制电机的主要要求是运行可靠、 动作迅速、准确度高。对比了各种电机的性能，我们选择了步进电机，它是一种 将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制微电机，其位移量严格正比于输入 脉冲数。平均转速严格正比于输入的脉冲的频率：同时，在其工作频段内，可以 从一种运动状态稳定地转换到另一种运动状态。 步进电机的主要特点如下： 1 ) 位移与输入脉冲数成正比。既可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开 环控制系统，也可在更高精度要求时组成闭环控制系统； 、 2 ) 快速启动，正常运行，快速停止及反转，无累计误差； 3 ) 步距角的选择范围大，可在几十分至1 8 0 。大范围内选择。在小步距角的情 况下通常可以在超低速、高转矩的情况下稳定地运行，可以不经减速器直 接驱动负载； 4 ) 速度可在相当宽的范围内平滑调节，可以用台控制器同时控制几台步进电 机并使它们完全同步运行： 5 ) 由于步进电机的步距角是固定的，分辨率方面缺乏灵活性，转速不够平稳 细分运行时步距角的不均匀等因素限制了步进电机在高精度时场合的应用 需要有好的步进电机的驱动电路来解决这些问题； 两北r 业人学颧i 论史：二维激光f 描仪测挣技术鼓h 波俯0 姓删力法的 f _ 究 7 6 ) 当输入脉冲频率较高时，步进电机带惯性负载的能力较差，可能产生失步和 其振，同样需要交直流伺服那样进行加减速控制。 2 。2 ，2 控制系统的传动系统 步进电机在整个伺服系统中是一个原动件，而实现特定的功能或动作的是执 行构件。执行构件与原动件的运动形式及传动特性往往存在差异，这就需要在两 者之间加入一定的能够实现运动、力( 或力矩) 的传递和变换的机械传动系统。对三 维激光扫描仪而言，应考虑是否加减速器。减速器的作用除了调节传动比，还可 以匹配转动惯量。如扫描仪的小电机所选用减速器的传动比为i 0 0 ：l ，当电机转 过的角度为0 5 度时，其执行元件( 镜面) 转过的角度为0 。0 0 5 度。这样就可以轻易 地实现较小位移的运动。而用其它方法让电机准确地转过0 0 0 5 度是很难实现的。 常用的基本机械传动类型主要包括：连杆传动、凸轮传动、齿轮传动、带传 动、链传动、谐波齿轮传动、螺旋传动。其中连杆传动、凸轮传动、带传动、链 传动的传动精度不高，无法满足三维激光扫描仪的精度要求。齿轮传动、谐波齿 轮传动、螺旋传动可以实现相当高的传动精度，但是无论齿轮、螺纹、蜗轮、蜗 杆，总是存在一定的间隙，一旦反向运动，传动部件必须先走完间隙所对应的空 程，才能拖动执行工件进行反向运转。即使设计地再精细、零件加工再精密、装 配再仔细，误差也是不可避免的。 由于三维激光扫描仪对于精度有着特别高的要求，因此为了克服间隙的不利 影响，我们在设计中省去相互啮合的传动部件，而采用执行( 工作) 部件与电机轴冈4 性直联，即将电机和负载直接相连。至于执行元件的小位移运动则通过步进电机 的细分驱动来实现。 2 3 步进电机的细分驱动 2 3 1 步进电机的驱动 步进电机系统的性能，不仅取决于步进电机本身的性能，而且在很大程度上 取决于其驱动器的性能。 1 ) 步进电机的驱动装置 步进电机的控制装置由变频( 输出频率可变的) 信号源、环形脉冲分配器及功率 放大器三部分组成，各相的驱动电路如图2 3 所示。 两北r 业大学坝l 论立：= ：维激光引描仪测挖技术技h 波衍o j 处理方法的i f 】究 8 牌h 訾h 搿h 引 图2 3 步进电机驱动电路框剀 脉冲产生单元：一个脉冲频率由几赫兹到几十千赫可连续变化的脉冲信号发生 器。提供频率可变的脉冲信号( 现在多用单片机等产生数字信号， 然后用d a 转换) ； 脉冲分配器： 功率放大电路： 由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，根据指令按一定的 逻辑关系把脉冲信号d i ：i n 功率放大器，使电机的各相绕组按一 定的顺序和时间导通和切断，实现电机的正转、反转、停止等； 为了满足驱动的要求，将环形脉冲分配器的输出信号进行功率 放大，以便提供电机运行时所需要的额定电流。 2 ) 步进电机驱动装置的分类 步进电机驱动装置按电路的型式进行分类，可分为： 单电压串电阻驱动 单电压串电阻驱动器是最早出现的步进电机驱动器，它是实现驱动器基本功 能的最简单的电路形式。其主电路采用的是单管单端结构，串电阻的目的是为了 使绕组导通电流上升的前端变陡，改善高频特性。这种驱动器的主要优点是电路 简单、成本低。缺点是运行效率低、电阻能量消耗大，电阻发热会影响整机系 统的工作条件。 烈电压驱动 双电压驱动的基本思想是在较低频段用较低的电压驱动，而在高频段时用较 高的电压驱动，其主电路采用的是双管双端结构。由于绕组回路中串电阻仍必不 可少，这种驱动器仍存在比较严重的发热问题。转换频率将整个频域划分为两段 使得特性不连续，在低于且接近转换频率时，输出特性下降较大。 高低压驱动 高低压驱动的基本思想是在导通的前沿用高电压驱动来提高绕组导通电流的 i i 仃沿，而在前沿过后用低电压驱动来维持绕组电流。其主电路采用的也是双管双 j l i 北t 业人学坝l ：论文：二维激光描仪测挣技术歧h 波信蛩处理方法的研究 9 端结构。由于绕组回路中不需串联限流电阻，因此不存在限流电阻发热问题。这 种驱动器的优点是电机相绕组在很宽的频域内都能保持有较大的平均电流，截止 时泄放迅速，扩大了步进电动机的运行频域。其缺点是，低频运行时，绕组电流 的上冲较大，使电动机低频运行不平稳，噪声较大。 恒总流驱动 恒总流驱动也可称为电流反馈型升频升压驱动或前置斩波驱动，这种驱动方 式的主回路采用的是降压型开关电源形式，逆变桥可以是多相半h 桥结构，也可 以是h 桥结构。其基本思想是利用主回路总电流检测值与给定值相比较，控制主 回路斩波管的开关，使加在逆变桥的直流电压随着速度的变化而自动调整，维持 总电流恒定。这类驱动器优点是，单步响应过冲量小，能够抑制低频振荡，运行 频域宽。缺点是惯性滤波环节影响了系统的动态特性。 电流开环型升频升压驱动 电流开环型升频升压驱动方式与恒总流驱动方式的不同之处在于主回波斩波 管的控制方式。在电流开环型升频升压驱动方式中，主回波斩波管是用与c p 脉冲 成一定函数关系的p w m 脉冲序列控制开关，从而使逆变桥上的直流电压随c p 脉 冲变化，这个过程中不存在电流设定和检测反馈问题。这种控制方式的优点在于， 可以根据系统的工作特点，很方便地改变逆变桥上的直流电压随u p 脉冲的变化规 律，进一步改善系统的运行性能。其缺点是电流开环，绕组电流的稳定性易受元 件参数变化的影响。而h 逆变桥上的直流电压随c p 脉冲的变化关系的调整具有 一定的盲目性。 恒相流驱动 恒相流驱动也可称为桥臂直接控制性驱动，这种驱动方式的特点是供电电压 直接加到逆变桥上，即逆变桥上的直流电压是不变的。其基本思想是利用相绕组 电流检测值与给定值相比较，控制桥臂上功率管的开关，使相绕组电流无论在锁 定、低频或高频工作时都保持给定值。电机控制可以采用滞环控制方式，其优点 是瞬态响应能力好、不存在相移和系统延迟。同时，也可采用恒频控制方式，使 开关频率固定，其逆变桥可以是高压管、相绕组、低压管的结构( 单极性驱动) ， 也可以是h 桥结构( 双极性驱动) 。这类驱动器的特点是低频范围内有恒转矩输出 特性、高频性能好、动态响应快、效率高、电机带载能力强。 微步驱动 微步驱动也称为细分驱动，其基本思想是，在每次输入脉冲切换时，不是将 两北t - 业人：学坝i j 论文：三维激光引描仪删杯墩术殷川波信吁处理方法的训宄1 0 相绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，这样电 动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行角度也只有步距角的 一部分。利用电流控制技术可以有效的实现步进电动机的微步驱动，从而提高步 进电动机系统的分辨率和运行的平稳性，进一步改善系统的牵出特性。 2 3 2 步进电机细分驱动原理 1 ) 细分驱动原理 步进电机细分驱动技术是上世纪7 0 年代中期发展起来的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 r 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，并在实践中得到广泛 的应用。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，提高电 机运行的平稳性增加控制的灵活性等。 步进电机的驱动是通过给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现步进 电机励磁磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。图2 4 是三相反应式步进电机 的磁场矢量图。图中的矢量l 、为步进电机a 、b 、c 三相励磁绕组分别 通电时产生的磁场矢量，l 。、k 、乇为步进电机中a b 、b c 、c a 两相同时通 电产生的合成磁场矢量。从图2 4 a 中可以看出，当给步进电机的a 、b 、c 三相轮 流通电时，步进电机的内部磁场从l 变化到瓦再变化到耳，即磁场产生了旋转。 一般情况下，当步进电机的励磁磁场变化一周( 3 6 0 。) 时，电机的转子转过一个齿距， 因此，步进电机的步距角以可表示为： ( a ) 堆三拍方式( b ) 二柏六拍方式 图2 - 4 三相步进电机磁场父姑幽 吼= 争 ( 2 - ) 在式( 21 ) 中：n ，为步进电机的转子齿数，为步进电机运行时两个相邻稳定 两此i ：业人学坝卜论立：二维激光丰1 描仪测挎技术殷吲波倩叶处理方法的研究 磁场之间的夹角，它与电机的相数( m ) 和电机的运行方式有关。例如在图2 4 a 中 电机以单三拍方式运行，0 。= 1 2 0 。，在图2 4 b 中，电机以三相六拍方式运行 0 。= 6 0 “。o m 利m 、d 之问的关系i 渺h 下式来表示： 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可得 口一2 石 ( 7 m 。 m 口 0 。：上生 。 n ，m a ( 2 2 ) ( 2 3 ) 从式( 2 - 3 ) 可以看出步进电机的步距角由电机的自身参数( ，m ) 和电机的驱动 方式( 口) 决定。通常由于受到电机制造工艺的影响，使得靠增加| v ，和m 来减小步 距角受到一定的限制，而且电机一旦制造出来，n ，m 就不可变了。但是如果在 电机的驱动线路中增加接入电机绕组的线路状态数，即增大口，同样也可以获得较 小的步距角，达到细分步距角的目的。 在普通的步进电机驱动线路中，由于通过各相绕组的电流是开关量，只能通 过各相的通电组合来改变接入绕组的线路状态数口，但靠这种方式来增大口通常 受到较大限制，以三相反应式步进电机为例，采用单三拍或双三拍方式工作时， o t = l ，而采用各相绕组的通电组合来增加口时，最大只能增加到口= 2 ( 即工作于 图2 _ 4 b 所示的三相六拍方式) ，对于相数较多的步进电机，虽然口的最大值略有增 加，但也很有限。因此要想获得较大的细分数，就必须能控制步进电机各相励磁 绕组中的电流，使其按一定的规律上升或下降。即在零到最大相电流之间能有多 个稳定的中间电流状态，相应的磁场矢量幅值也就存在多个中间状态这样相邻 两相或多相的合成磁场的方向也将有多个稳定的中间状态，大大地增大口。图2 5 给出了三相反应式步进电机八细分时的各相电流状态。和三相六拍运行方式相比， 在原来相邻的两种通电状态之间又插入了三个稳定的通电状态，口从2 增加到8 ， 使得步距角减小为单三拍运行时的l 8 。由此可见，步进电机的细分驱动的关键在 于细分( 控制) 步进电机各相励磁绕组中的电流。 丽北r ! l k 人学坝l 沦立：三维激光描仪测挣技术殷h 波信号处理方法的研究 州 电 洫 f f _ _ l 一一订， 幽2 ，5 三相步进电机八细分时的各相电流状态图 2 ) 步进电机的恒力矩均匀细分控制 从前面的分析可知，步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的励 磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步 距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了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，要想实现对步进 电机的恒力矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中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矢量的角度变化是均匀的。 为了使步进电机绕组中电流的变化引起电机内部励磁磁场方向变化，必须至少有 两相绕组同时通电。下面仅以步进电机在两相同时通电状态下进行均匀细分控制 的原理进行讨论。 图2 6 是步进电机相邻两相通电时的合成磁场矢量图。图中的t a 、t b 代表a 、b 两相绕组分别通电时产生的磁场矢量，t a b 代表a 、b 相同时通电 产生的合成磁矢量，即t a 、t b 的矢量和。若以o a 、o b 、o c 分别表示矢量 t - - a 、t b 、t a b 的大小，则有： “ o b = 面d 丽c = 嚣豸- o c x 咖s i n 万0 ( 2 。， o a = o d + d a = o c x c o s 8 + o b x c o s ( z r - p 1 = d c c 。s 日+ d c 嵩n c o s ( 石柏=s ld o c ( c o s 8 - c t g x s i n 们 l t l 一 一 | | 珥北1 业人学硕f j 论义：二维激光丰i 描仪洲拎技术及州波信f j 处理j ；c 法的研宄 d o c b 乙 幽2 - 6 步进电机相邻两相通电时的合成磁场矢量图 式中：e 为a 、b 两相的合成磁场矢量与a 相磁场矢量的夹角，1 3 为相邻两相绕 组单独通电时产生的磁场矢量之间的夹角，即亍。、t 一。之间的夹角。它一般与步进 电机的类型及相数有关，对于反应式步进电机可以表示为： 对于混合式步进电机可以表示为： p = 2 冗| m 6 = 死 m ( 2 6 ) ( 2 7 ) 要对步进电机进行恒力矩均匀细分，则式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 中的o c 必须为常量， 而且。的变化均匀。当给出了要求的步距角后，则0 的每次变化量p 也就可以 由式( 2 8 ) 确定： 为 p = n ，以( 2 8 ) 若_ = jp 表示当前的0 值，配。表示转过一个步距角后的0 值，则酿+ 可以表示 只。= p ，+ 口一k ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 中的k 为换相因子，当只。+ 口 时，则k = i ，表示此时需要换相，即切 换步进电机的通电绕组；当只+ a 8 时，则k - - 0 ，不需要换相。由此可见，步 进电机恒力矩均匀细分时，要求a 、b 两相绕组产生的磁场大小完全可以由式 ( 2 4 ) 、( 2 。5 ) 计算出。但是在驱动电路中一般是对电机绕组电流进行控制，如果 假设步进电机绕组中的相电流和励磁磁场成线性关系，则步进电机均匀细分时相 邻两相的相电流与步距角之间的数学表达式为： 司lj 廖 两北r 业人学硼 。论史：兰维激光描仪冽挖拙术及h 波箭q 处理方法的究 1 4 卜l ，罢 s i f t ) i8 = l j ，( c o s 8 一c t g f l xs i n e l 由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 可得，对于三相反应式步进电机有 = 1 1 5 1 。s i n 目 ，b = ，。( c o s 8 + o 5 8 s i n 目) 对于两相混合式步进电机( 即通常所说的四相步进电机) 有 l = l 。s i n 8 ，日= f ，。c o s 8 r 2 1 0 1 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 两北r 业大学坝l 论文：三维激光丰l 描仪测拧投术及l 。l 被信号处理方法的研究 第三章三维激光扫描仪控制系统的实现 3 1 细分驱动电路的实现 3 1 1 细分驱动电路实现原理 由上一章的分析可知，细分驱动电路的实现是以电流矢量幅值均匀旋转的思 想为理论基础，对加到步进电机绕组上的相电流进行控制，从而达到细分步距角 的目的。细分驱动电路的组成部分与普通驱动电路的不同在于不只是控制相电流 通断与否来完成细分，而是控制各相电流的增加或减少，从而使合成的电流矢量 均匀旋转达到对步进电机的控制。为了得到较好的细分效果，一般会在此基础上 对相电流的变化规律进行修正、优化。然而实际上，步进电机中的相电流与磁场 幅值是非线性关系的，而且还存在磁滞现象等，因而在使用时必须对式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 进行修正。 、 在一般的步进电机细分驱动电路中，由于准确建立相电流与磁场幅值之间的 数学关系表达式很困难，而且受到计算速度的限制，因此在具体的实现上往往采 用查表法。它的基本作法是，由公式计算出各相磁场的幅值然后转换成相应的 相电流值，并按步进电机的磁化曲线进行修正，在程序中将这些修正后的电流值 按顺序排列起来，形成一个转角一电流值表。运行中根据当前的位置及要求的步 距角，可以从该表中查得相应的相电流值。 驱动电路若能保证绕组中电流的准确性也就保证了定子电流矢量的幅值与 空间位置的稳定。这种推证是在满足一定的假设条件而进行的( 假设步进电机中的 相电流与磁场幅值之间成线性关系) 。如果控制器的计算速度较慢，往往采用把每 一步对应的电流值固化在e 2 p r o m 中，在运行时从对应的地址( 存储单元) 取出再 经d a 转换后输送至功率放大电路，功率放大电路的输出加在步进电机绕组上。 如果控制器的快速运算性能较强，则可进行实时的电流计算，但就细分电路的硬 件部分而言，结构完全一样，只是体现在软件或固化的数据不同。 为了对步进电机的相电流进行控制，从而达到细分步进电机步距角的目的， 人们曾设计了很多种步迸电机的细分驱动电路。最初，对电机相电流的控制是由 硬件来实现的，每一相绕组的相电流用n 个晶体管构成n 个并联回路莱控制，靠 晶体管导通数目的组合来控制相电流。这种细分驱动电路线路复杂，体积大，成 本高而且电路一旦制造出来就难以改变其细分数，缺乏柔性，因此在目前的实 际应用中已很少采用这种方法。 p q 北 ，业人学颇卜论文：二绻i g t 光- 1l 描仪测柠技术发h 波倩i _ ： 处理方法的研究 1 6 随着数字化集成电路的发展，为步进电机细分驱动带来的便利。图3 1 为一个 三相步进电机细分电路的框图。先根据要求的细分数及电机的有关参数预先计算 出每相绕组细分电流的数字值，并将其固化在e p r o m ( 或e 2 p r o m ) 中。由于假设 步进电机中的相电流与磁场幅值之间成线性关系，所以可以设定一个最大的细分 数，计算出其对应的每一个电流值。当电机运行时，面对不同的细分要求，每来 一一个c l k 脉冲，计数器就会读取e p r o m 中相应的一个细分电流数字值，并将其 输出到数模转换器( d a c ) d p ，由d a c 把数字电流量转换成为相应的模拟电压量， 再由该模拟电压去控制末级驱动电路给各相绕组通以相应的电流，来实现步迸电 机的细分。 j 耋j3 - 1 三相步进电机细分电路框图 3 1 2 功率放大电路 步进电机细分驱动电路根据末级功放管的工作状态可分为放大型和开关型两 种。放大型步进电机纲分驱动电路中末级功放管的输出电流直接受控制器输出的 控制电压控制，电路较简单，电流的控制精度也较高，但是由于末级功放管工作 在放大状态，使功放管上的功耗较大，发热严重，容易引起晶体管的温漂，影响 驱动电路的性能，甚至还可能由于晶体管的热击穿，使电路不能正常工作。因此 该驱动电路一般应用于驱动电流较小、控制精度较高、散热情况较好的场合。 开关型步进电机细分驱动电路中的末级功放管工作在开关状态，从而使得晶 体管上的功耗大大降低，克服了放大型细分电路中晶体管发热严重的问题，但电 路较复杂输出的电流有定的波纹。因此该驱动电路一般用于输出力矩较大的 步进电机的驱动。随着大输出力矩步进电机的发展，开关型细分驱动电路近年来 得到b 乏足的发展。 目前最常用的开关型步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制式( p w m ) 两种。斩波式细分驱动电路的基本工作原理是对电机绕组中的电流进行检测，和 两北r 业人学倾l 论文：二维激光引_ | 古仪删挎救术殷川被信0 处理方法的埘究 d a 输出的控制电压进行比较，若检测出的电流值大于控制电压。电路将使功放 管截止；反之，使功放管导通。这样，d a 输出不同的控制电压，绕组中将流过 不同的电流值。 脉宽调制式细分驱动电路是把d a 输出的控制电压加在脉宽调制电路的输入 端，脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波，通过对功放 管通断时间的控制，改变输出到电机绕组上的平均电流。由于电机绕组是一个感 性负载，对电流有一定的滤波 乍用，而且脉宽调制电路的调制频率较高，一般大 于2 0 k h z ，因此虽然是断续通电，但电机绕组中的电流还是较平稳的。脉宽调制 式细分驱动电路的关键是脉宽调制电路，它的作用是将给定的电压信号调制成具 有相应脉冲宽度的矩形波。 和斩波式细分驱动电路相比，脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高、工作 频率稳定，它不像斩波式那样有很大的电流跃变，因此波动小，但线路较复杂。 因此，脉宽调制式细分驱动电路多用于综合驱动性能要求较高的场合 此外，许多大公司都生产步进电机控制专用芯片。如美国t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 4 0 系列，a d 公司的a d m c 3 3 t ，日本t c s h m a 公司生产的t a 7 2 8 9 ， 美国i x y s 公司生产的m s l 5 0 。利用这些芯片可以省掉许多外围电路，如 e 2 p r o m 、a d 、d i a 、数字i o 口、p w m 信号输出、串行通信接口等，加上电 源部分和功放模块就可以构成控制系统。 3 2 三维激光扫描仪步进电机的细分电路 为了实现一个步进电机细分电路，在工作中指导一名本科生制作了一个实际 可以应用的步进电机细分电路板。 3 2 1 各部分电路清单 1 ) 计数器： 2 ) 存储器： 3 ) 数模转换器： 4 ) 功率放大电路： 可逆计数器：略。 普通计数器：两片7 4 l s1 6 1 级联。 e p r o m ：2 7 6 4 。 e2 p r o m ：2 8 c 6 4 。 d a c 0 8 3 2 。 晶体管：t i p 4 1 c 。( 或场效应管) 两北t 业人学f 6 ；! 论义：三维激光 _ | 描仪测控技术及h 激情峙处理方法的研究 5 ) 驱动级： 3 2 2 计数器 h 桥：略。 p w m ：t l 4 9 4 。 并行计数器由2 片7 4 l s l 6 1 组成8 位二进制循环计数器，7 4 l s l