步进电机对测量角度的定位与控制

2013-12-01杨海光刘文怡朱思敏张会新

自动化仪表 2013年2期

杨海光刘文怡朱思敏张会新

(电子测试技术重点实验室1，山西太原 030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室2，山西太原 030051)

0 引言

步进电机。系统总体结构框图如图1所示。

随着航空航天和飞行武器的快速发展，物体姿态的控制精度和反应速度成为精确与快速打击的关键因素。本文基于快速与精确调整设备姿态的目的，采用步进电机配合倾角传感器［1-2］，实现了简易精确的姿态角度测量控制系统，为低成本、高精度测控系统的发展提供了参考。

本文将倾角传感器镶嵌在步进电机的转轴上，控制计算机下发定位角度;通过FPGA将定位角度与当前实际角度进行对比运算，以控制输出脉冲个数的方式来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;并将倾角传感器的实际测量值反馈给上位机进行实时监测，进而达到对电机转轴偏转水平面角度的测量。

图1 系统总体结构框图Fig.1 The overall structure of system

ROB100上电(12 V)即工作，并立刻通过RS-232串口输出倾角数据，波特率为57600 bit/s，输出的数据格式为每帧7个字节。数据帧格式如表1所示。

1 系统总体结构

表1 数据帧格式Tab.1 Format of the data frame

本设计主要可分为5个部分，分别为数据产生单元——外接的数字式倾角传感器、主控单元——FPGA、控制终端——上位机、驱动单元——功率放大器(步进电机驱动芯片)、执行单元——永磁式减速型

表1中，X轴方向表示横滚角，Y轴方向表示俯仰角，本设计选用的是X轴方向的角度数据实现测量与定位的控制。经试验证明，Y轴方向的控制与X轴的原理相同。

数据通过RS-232接口异步串行进入FPGA。通过FPGA内部逻辑运算和处理，将实际测量角度反馈给上位机进行实时监测。上位机下发定位角度，将角度转换的脉冲数通过脉冲分配器输出;再经电机驱动芯片的功率放大后给到电机上，使电机旋转到设定的位置，并在当前位置保持动态平衡。

2 硬件电路设计与工作原理

2.1 硬件设计

外部电源给传感器供电，供电电压为12 V。传感器上电后下发倾角数据，通过串口逐位进入MAX3232中。MAX3232将12 V的电平数据转化为5 V的电平数据后串行进入FPGA。RS-232串口通信原理图如图2所示。

图2 RS-232串口通信原理图Fig.2 Principle of RS-232 serial port communication

通过对底层逻辑程序的编写，对串行进入FPGA内部的倾角数据进行采集、编码、计算，最终将倾角数据转化为脉冲个数，并根据电机工作原理重新分配输出。FPGA将处理后的数据经ULN2003电机驱动芯片输出给步进电机。

驱动电路如图3所示。

图3 驱动电路Fig.3 Driving circuit

本设计选用的步进电机型号为24BYJ48-5V，共有4对磁极即4相，5根线依次为红、橙(A)、黄(B)、粉(C)、蓝(D)五种颜色。其中蓝线和黄线是一对，橙线和粉线是一对，红线是这两组线圈抽头的公共线。蓝线和黄线、橙线和粉线接控制脉冲输出，所以只需要4个输出接口。通过内部逻辑程序的管脚分配，选用的是驱动芯片的前4个管脚，输出管脚即OUT1～OUT4。红线接+5 V的直流电源。

2.2 步进电机工作原理

步进电机是纯粹的数字控制电动机，是将电脉冲信号转换成角位移的执行元件。步进电机转子的转角与输入的电脉冲数成正比，其转速与输入的脉冲频率成正比，而电动机的旋转方向则由脉冲的分配顺序决定［4］。

2.2.1 步进电机技术指标

不同的步进电机有不同的启动频率和频率上限，工作频率应介于两者之间，电机才能在非过载的情况下正常旋转。经过多次计算和试验，本设计将旋转频率设定为625Hz，选用的电机步距角为5.625°/64，所以旋转一周需要4096个脉冲，每一个脉冲电机旋转的角度约为0.088°。步进电机的运行方式为4相8拍，即A-ABB-BC-C-CD-D-DA-A，8个状态为一个循环［5-7］。

2.2.2 倾角传感器技术指标

选用的传感器量程为-90°～90°。倾角传感器产生的是二进制数据，解码方式如下。

①接收的16位整数≤32768时，倾角值=16位整数×90/32768(正角)。

② 接收的16位整数＞32768时，倾角值=(16位整数-65535)×90/32768(负角)。

由于16位数每变化一位，角度值也会随之变化，所以倾角传感器的精度理论值为(1/32768)°。

2.2.3 角度与脉冲个数的转换

由上述分析可知，步进电机的精度为0.088°。为便于底层逻辑程序编写时换算，将这个角度表示为N;倾角传感器的精度为(1/32768)°，将这个角度表示为n，N/n约等于32。所以当倾角传感器产生的数据变化约32个精度单位时，电机变化一个精度单位，即将产生的角度数据转化成整数与32循环作差。当数据减到小于32时，停止作差循环。通过计数器将“32”的个数进行累加，即为实际输出的脉冲数。对于实际位置偏离参考面的上下两侧，则通过控制步进电机的旋转方式来实现调整要求［8］。

3 逻辑程序设计与算法实现

3.1 逻辑程序设计

本设计应用VHDL作为逻辑程序编辑语言，在此重点介绍计算器和脉冲分配器的设计与实现。通过对底层逻辑程序编写，经综合编译后生成的顶层图如图4所示。

图4 计算器和脉冲分配器逻辑程序顶层图Fig.4 Top layer of the logical program of calculator and pulse distributor

3.1.1 计算器

计算模块连接通信的主要引脚的功能如下。

clk表示时钟信号，使模块正常工作的时钟。rst表示复位信号，低电平有效。复位后计算器处于初始状态。datain表示倾角传感器下发的数据，计算器内部进行运算处理。wrin表示写数据信号，每发生一次由低到高的变化就写入一组数据。busy表示忙碌等待信号，脉冲分配器反馈给计算器的信号。当脉冲分配器处于工作执行状态时，计算器停止数据的下发。cntoutX表示脉冲个数信号(最高位控制旋转方向，剩下的为数据位)，由计算器内部计算转换产生，输出给脉冲分配器，再由脉冲分配器分配启动脉冲，最终由步进电机执行相应的步数。

以上信号中，除cntoutX为输出信号外，其余均为输入信号。

3.1.2 脉冲分配器

脉冲分配模块连接通信的主要引脚的功能如下。

clk32表示时钟信号，驱动准备时钟1.25 MHz。rst表示复位信号，低电平有效。复位后脉冲分配器处于初始状态。cntin表示脉冲个数信号，接收计算器给出的脉冲个数及旋转方向。busy表示忙碌等待信号，脉冲分配器产生，当脉冲分配器处于忙碌状态时，输出为高电平。data表示执行信号，脉冲分配器输出给步进电机时电机正常运转的执行脉冲。

以上信号中，除data为输出信号外，其余均为输入信号。

3.2 算法实现

为了直观显示，全面地表示出算法实现的过程，这里以45°所在的平面为参考平面，详细介绍了算法的运用与实现。角度示意图如图5所示。

倾角传感器输出的角度落在第一象限并且大于45°时，用传感器角度减去45°，即为调整角度，旋转方向设定为顺时针;当倾角传感器输出的角度落在第一象限并且小于45°时，用45°减去传感器角度，即为调整角度，旋转方向设定为逆时针;当倾角传感器输出的角度落在第四象限时，计算角度的方法为65535减去接收到的16位数据，将这个数据转化成角度，即为倾角传感器在第四象限中的实际角度(符号忽略不计)，再加上参考面设定的45°，即为需要调整的角度，旋转方向设定为逆时针。