內容提要：闡述一種新型的數字步進分羅經信號轉換系統的基本原理，采用VHDL語言設計基于CPLD的控制器，與單片機組成了變頻信號源，實現二進制數字信號-格雷碼的轉換，帶動步進分羅經，構成完整的傳向系統。同時解決了步進電機的過沖和失步問題，確保主羅經與分羅經的同步。

關鍵詞：陀螺羅經分羅經步進電機CPLD控制器

0 引言

目前光纖陀螺羅經和部分電羅經采用數字輸出，可直接與各種導航儀器的微機接口聯網，能夠適應船舶駕駛自動化的發展要求。但同時給傳向系統帶來了新的問題：大部分船只使用的是步進式或同步式分羅經(復示儀)，二進制數字信號無法直接驅動步進電機或自整角機。所以就需要一種轉換系統，將數字信號轉化為對應的步進型或者同步型分羅經驅動信號。

關于數字—同步分羅經的信號轉換將另文討論。

數字—步進分羅經的信號轉換的實現，就是將二進制數字信號轉換為格雷碼的過程。其中變頻信號源是轉換系統的核心，以往都是通過計數器來實現，但是它占用CPU的時間過多，可靠性不高，難以滿足傳向系統實時性的要求。

本文主要闡述一種新型的數字—步進分羅經信號轉換系統的原理。該系統采用VHDL語言，設計了基于CPLD器件的信號發生電路，與單片機組成了變頻信號源，帶動分羅經，構成完整的羅經導航傳向系統。

1 信號轉換系統的組成及工作原理

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，實質上是數字/角度轉換器。它的控制系統主要由信號發生電路及步進電機驅動器等組成。信號發生電路包括晶振、CPLD器件、單片機和接口電路；驅動器部分由正反轉控制電路、脈沖分配器和功率放大電路(圖中未畫出)組成。

如圖1所示，單片機通過接口電路收到主羅經輸出，的數字信息，運算后將控制信息和航向信息并行傳送給CPLD器件，然后輸出串行驅動脈沖，由脈沖分配器轉化為格雷碼，實現對步進電機的控制，使復示儀刻度盤轉到相應位置。

2 信號發生電路的構成及實現

CPLD器件是一種新型的復雜可編程邏輯器件，適合于時序邏輯電路、組合邏輯電路等應用場合。它是實現信號發生電路的關鍵，本文用它來設計變頻信號源。

2．1 CPLD系統結構

以CPLD為核心控制器件的步進電機脈沖發生器主要包括以下部分：與單片機接口的數據鎖存電路、連續分頻電路、脈沖產生電路、方向信號產生電路等。CPLD系統總體結構如圖2所示。

為了實現步進電機按照要求的步數運行，CPLD必須能夠將單片機傳送過來的并行的二進制信息通過一定的實現電路轉化為串行的驅動脈沖送出。此電路的具體實現方法如下：當單片機發送步進脈沖使能信號ena(上升沿有效)時，CPLD將鎖存器中保存的步進脈沖數據送人到二進制減計數器的預置數端，允許頻率發生器的脈沖輸出直接送到步進電機脈沖發生器的脈沖輸出端上，并對頻率發生器輸出的脈沖信號clk進行減計數。當計數器減到零時，產生一個封鎖信號flag，封鎖頻率發生器的輸出脈沖，使得此時的脈沖輸出為低電平。當下一個啟動命令到來時，再次通過步進脈沖使能信號啟動，完成下一次的控制。驅動脈沖產生流程如圖3所示。

晶振電路是一個脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續變化的信號發生器。它可以采用多種線路，在這里采用的是多諧振蕩器和單結晶體管構成的弛張振蕩器兩種。它們都是通過調節電阻R和電容C的大小來改變電容充放電的時間常數，以達到選取脈沖頻率的目的。

2．2 步進電機速度控制

在步進型傳向系統中，步進電機以開環方式無需反饋就可以對位置和速度進行控制。但是它必須正確響應每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當，電機不能夠移到新的位置，那么實際的負載位置相對控制器所期待的位置出現永久誤差，即發生失步現象或過沖現象，主羅經和分羅經就無法實現同步，將嚴重影響海上航行安全。如何防止失步和過沖是保證同步的關鍵。

為了克服失步和過沖現象，應在步進電機啟停時進行如圖4所示的升降速控制。

從圖4中可以看出L2段為恒速運行，L1段為升頻，L3段為降頻，按照“失步”的定義，如果在Ll及L3段上升及下降的控制頻率變化大于步進電機的響應頻率變化，步進電機就會失步，失步會導致步進電機停轉，從而影響系統的正常工作。因此，在步進電機變速運行中，必須進行正確的升降速控制。為此在脈沖發生電路中可以采用單片機改變輸出脈沖的時間間隔，升速時使脈沖串逐漸加密，減速時使脈沖串逐漸稀疏。

為了實現步進電機的加減速控制，就需要能夠改變步進脈沖的頻率。CPLD系統設計了一個步長為1的分頻因子(圖2)，改變分頻因子可實現分頻系數為1到256連續可調的分頻器。

當基準頻率為15 625 Hz(由外部的一個500 kHz的有源石英晶體通過32分頻得到)時，這樣可以獲得一個從15 625 Hz按分頻步長為1從1到256連續可調的步進脈沖頻率。

2．3 脈沖分配電路的構成及實現

信號發生電路輸出串行脈沖驅動步進電機必須用到脈沖分配電路，它是由門電路和RS雙穩態觸發器組成的邏輯電路，RS雙穩態觸發器的真值表如下：要使步進電機正、反兩個方向都可以運轉，驅動電路就需要用到與門及非門，如圖5所示，CPLD系統輸出的方向信號同時送到正、反轉電路，如果為0，驅動脈沖通過正轉電路送到分配電路，如果方向信號為1，驅動脈沖就通過反轉電路，正轉電路截止，情況正好相反。

驅動脈沖經過分配電路之后，就形成了A—AB—B—BC—C—CA—A順序的三相雙六拍的通電方式。從脈沖分配器中輸出的是3位6進制的格雷碼，實際上就是Sperry型分羅經的步序，可以直接和開關放大電路銜接。

3 結束語

上述轉換系統可以將來自下列設備的數字信號加以轉換及放大：①光纖陀螺羅經；②GPS羅經；③電羅經、磁羅經數字信號輸出。系統將代表船舶實時航向的數字信號轉化為對應的驅動信號，驅動若干個步進型分羅經。這里的“船舶實時航向的數字信號”指的是：符合IEC61 162標準的航向語句，其格式為：$HEHDT，XXX，X．T* hh<CR> <LF>其波特率為：4800；接口電平為：RS422。

采用AT89C51單片機和CPLD器件EPM 7128組成通用的變頻信號發生器可以用于Sperry型和Brown型分羅經，能夠滿足傳向系統的要求，電路簡單可靠，輸出波形穩定，電機運行穩定且無失步現象。

參考文獻

1 于海東．基于CPLD的步進電機控制器．微電機2004年第4期．

2 鄧立新．CPLD器件在步進電機脈沖發生器巾的應用．承德石油高等專科學校學報，2005年12月．

3 楊渝欽．控制電機．機械工業出版社第二版

4 寇連波．數字技術在陀螺羅經的應用．青島遠洋船員學院學報2006年第2期

作者：吳廣宇 陳錦標  來源：航海技術