基于LPC2292数字自整角机转换控制的研究

张寿春

（上海海事大学 信息工程学院，上海 201306）

数字-自整角机转换器（DSC）可把以数字形式表示的角度控制量转换成三相交流信号，用来驱动自整角机[1]，在船舶上常用力矩式自整角机组成同步传递系统，得到了广泛应用。随着数字罗经的普及，这就要求采集数字航向信号来驱动自整角机[2]。在实际应用中，由于机械摩擦与驱动匹配以及自整角机本身等因素，对速度匹配有很高的要求。因此需要对力矩式自整角机组成同步传递系统进行控制，以达到最佳效果。

本系统中采用LPC2292[3-6]作为控制内核，产生正、余弦函数。通过采集电罗经和磁罗经数字信号来驱动操舵仪的自整角机，并采用了分段细分控制从而弥补了单纯采用PID算法的不足，在实际应用中取得了很好的效果。

1 系统的实现

系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图Fig.1 Principle of system

系统微处理器采用LPC2292，根据0183协议[7]，通过RS485或CAN通信接口来采集电罗经和磁罗经的数字航向信号，系统上电初始化时在微处理器内部将航向信号转换为驱动自整角机所需的正弦和余弦从0度到360度进行数字量采样。

根据航向角度的不同，输出相应的数字量，通过数字到模拟转换芯片以及功放电路输出。输出的信号再经过变压器组合输出给自整角机。

2 输出控制

2.1 航向数据采集

系统按照NMEA-0183标准定时接收数据。接口方式：RS-422（RS-485）数据以ASCII码格式发送。格式为：$--HDT，XXX.X，T*hh回车符换行符，在实际应用中，有一些产品发送的航向值有差别，有3种情况X.X，XX.X，XXX.X。为了更好的兼容，通过串口取得数据时要进行判断，判断的依据是在2个逗号之间的数据有几位。如果接收到的第9个数据是0X2E，那么发送的数据是X.X；如果接收到的第10数据是0X2E，那么发送的数据是XX.X；如果接收到的第11个数据是0X2E，那么发送的数据是XXX.X。

通过串口获得航向数据，设32位航向变化变量runda，系统开始时runda等于 runda1和 runda0，runda为0。runda1是实时接收的航向值，runda0是上次的航向值，系统根据runda的值进行运动。如果值大于零，系统驱动自整角机正转，如果值小于零，系统驱动自整角机反转。当航向变化跨越360.0度时，要对数据进行修正，实现代码如下：

2.2 控制策略

首先对从自整角机发送机送出的三相交流信号进行分析可知，航向同步发送电机的激磁U0是110 V/50 Hz的交流信号，其输出三相交流电压是与U0同频的交流电，三相信号是同频率、同相位的，只不过幅度分别被调制。因此要想驱动自整角机系统必须构造两个函数 sin（ωT）sin（θ）和 sin（ωT）cos（θ），通过组合产生相位差120度的三相交流信号从而驱动自整角机，利用斯柯特变压器可以实现信号的转换[1-8]。

系统采用LPC2292和数模转换来产生正弦和余弦的函数，通过对正弦和余弦函数进行0到360度离散化，在微处理器开辟2 K的RAM区存放正弦函数的数字量，另2 K的RAM区存放余弦函数的数字量。通过D/A模块AD7537[9]输出，取与激磁电压同频同相的交流电作为参考电压。360度被分成1/1 024。针对不同的角度，取相应的存在RAM区的正弦和余弦值的数字量，传送给数模转换芯片。通过功率放大和斯科特变压器的线性组合产生驱动自整角机的三相信号[10]。

通过对自动舵的罗盘驱动结构分析，由于在船舶上常用力矩式自整角机组成同步传递系统，由于机械摩擦与驱动匹配以及自整角机本身等因素，限制了高速运行。本系统采用慢启动，慢停止。启动后在变化角度X0内，微处理器输出给D/A的正弦和余弦的值以Y0低速变化，当罗盘航向角度与接收的航向角度差大于X1时微处理器输出正弦和余弦的值保持输出速度Y2。在X0到X1区间采用分段控制微处理器输出值的速度来控制自整角机自动加速和减速。通过改变LPC2292的定时器的定时寄存器的值来实现速度的加减。对于本系统X0可取2度，X1可取10度，需要进行智能控制的是[X0，X1]区间内系统自动加减速，如图2所示。微处理器输出控制量是定时器值。

通过控制输出数据的速度来控制自整角机的速度，当航向runda大于一定的值，自整角机的速度保持恒定的速度。系统实时判断runda变量的值，通过改变LPC2292的定时器0的定时参数来实现速度调节，本系统采用分段控制，变量值从0到10度每秒区间分5段。当runda小于2度时，在2 048 ms内输出数据1 024个，那么定时器定时参数为2 ms；当runda大于2度小于4度时，在1 024 ms内输出数据1 024个，那么定时器定时参数为1 ms；当runda大于4度小于8度时，在512 ms内输出数据1 024个，那么定时器定时参数为0.5 ms；当runda大于8度小于10度时，在256 ms内输出数据1 024个，那么定时器定时参数为0.25 ms；如果值大于10度，定时参数不变。在启动加速阶段和减速停止阶段实现慢启动和慢停止。当大于一定的值，如果取值太快，驱动机构跟不上变化。为了获得更好的平滑，可以对定时参数进行细分。

图2 系统的角度与速度图Fig.2 Angle and velocity variation diagram of system

3 实验与分析

将主罗经信号模拟装置和模拟分罗经及数字罗经连接好，调节数字航向值和罗盘指示值。航向发送自整角机在不同速率的下跟踪情况如表1和表2，图3是分段细分控制方式的速度变化曲线。

表1 实时控制的罗盘指示值Tab.1 The gyro-compass value of using real-time control

表2 分段控制的罗盘指示值Tab.2 The gyro-compass value of using several steps control

图3 系统的速度变化图Fig.3 Velocity variation diagram of system

通过实验发现，如果直接将接收的航向变化，经过计算得正弦和余弦值输出给D/A从而驱动自整角机，会出现跟踪不平滑，在二次接收航向时间之间有停止的过程，而采用分段控制输出正弦和余弦值的速度可使系统跟踪平滑且在航向变化很大时使系统能匹配输入的变化准确跟踪，从而防止急启动和急停止而形成的误差。在航向速率小于等于20°/s本系统能很好满足罗盘指示的精度。

4 结束语

为了更好地匹配船舶上常用力矩式自整角机组成同步传递系统，文中采用LPC2292芯片并通过上电初始化时计算获得正弦和余弦的采样值存在RAM中。通过芯片的定时器定时取值输出到模数转换模块从而实现驱动自整角机，同时采用分段控制方式，在不同的阶段通过定时寄存器的值的改变来控制输出正弦和余弦值的变化速率，从而对系统输出三相电压信号的航向角的变换速率进行智能控制。克服了航向信号直接驱动自整角机及传动系统所出现的误差和跟踪不连续不平滑等缺点，经试验证明，性能稳定。目前在许多船舶上得到应用。

[1]杨建新.DSC在航向发生器中的应用[J].计算机测量与控制，2002，10（3）:197-198.YANG Jian-xin.Application of DSC in the course generator[J].Computer Measurement&Control，2002，10（3）:197-198.

[2]徐大林，顾良圭，黄新吉.小型化高精度DRC/DCS模块开发研究[J].电子工程师，1999（7）:21-22.XU Da-lin，GU Liang-gui，HUANG Xin-ji.Development and research of miniaturization of high precision DRC/DCS module[J].Electronic Engineer，1999（7）:21-22.

[3]Philips Semiconductors.LPC2292 Product data[EB/OL]（2008-11-8）.http://www.elecfans.com/soft/78/223/2008/200808247530.html.

[4]周立功，张华等.深入浅出ARM7——LPC213x/LPC214x[M].下册.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[5]周立功，张华等.深入浅出ARM7——LPC213x/LPC214x[M].上册.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[6]周立功.ARM微控制器基础与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[7]NationalMarineElectronics.TheNMEA0183Standard[EB/OL].（2008-10-7）.http://www.nmea.org/content/nmea_standards/.

[8]张敏.数字-自整角机转换器的研究[J].江苏电器，2008，8（3）:18-19.ZHANG Min.Study on digital synchro converter[J].Jiangsu Electrical Apparatus，2008，8（3）:18-19.

[9]AnalogDevices，Inc.AD7537[EB/OL]. （2008-10-9）.http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/48231/AD/AD7537.html.

[10]沈祝山，杨笃伟，杨东升.数字/旋转变压器转换模块及其外围电路设计[J].电子技术应用，2001（1）:77-78.SHEN Zhu-shan，YANG Du-wei，YANG Dong-sheng.Design ofdigital/rotary transformerconversion module and its peripheral circuit[J].Application of Electronic Technique，2001（1）:77-78.