（电机与电器专业论文）ka点波束天线伺服系统.pdf

a b s t r a c t t h i s p a p e ro r i g i n a t e s f r o mas p a c ep r e r e s e a r c hp r o j e c tn a m e dk aa n t e n n a s e r v os y s t e m i nt h ep a p e r , t h ew r i t e rf o r m u l a t e sd u a ld e g r e e sa n t e n n as e r v os y s t e m b a s e do nm i c r o c o m p u t e rc o n t r o l ，a n ds t u d i e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，d e s i g n t e c h n o l o g y , a n dp r o j e c tp r o b l e m o f t h ed u a ld e g r e e sa n t e n n as e r v os y s t e m i nt h ep a p e r ，a f t e ra n a l y z i n gt h eg r o s ss t r u c t u r es c h e m eo ft h ea n t e n n as e l w o s y s t e m ，i t i si n t r o d u c e dh o wt od e s i g nt h ed i g i t a lc o n t r o lc i r c u i ta n dt h ec o n t r o l p r o g r a m ，t h es y s t e ma d o p t s 8 0 c 3 1m c ua st h em a i nc o n t r o l l e r , h y b r i dr a r e e a r t h p e r m a n e n tm a g n e ts t e p p e rm o t o ra s t h ee x e c u t i o nc o m p o n e n t ，b i o p a s s a g e r o t a r yt r a n s f o r m e ra s a n t e n n ap o s i t i o ns e n s o r t h es y s t e mr u n ss t a b l y w i t hah i g hc o n t r o lp r e c i s i o nb e c a u s eo fa p p r o p r i a t ec o n t r o ls t r a t e g ya n d m e e t st h ed e s i r e ds y s t e mv a l u eo fh i g hp r e c i s i o n ，l o wd is s i p a t i o n ， m u l t i - f u n c t i o ns w i t c h i n g i te s t a b li s h e st h ef o u n d a t i o no ft h er e s e a r c h a b o u ts a t e l l i t e sc o m m u n i c a t i o na n t e n n as e r v os y s t e m i nt h er e s e a r c ho fr e l a t i r ep r o j e c t s t h es i m p l i f i e di n c r e m e n t a lp i d a l g o r i t h mi sd i s c u s s e d ，a n di t i sw e l1a p p l i e dt ot h er e l a t i v ep r o j e c t s k e yw o r d s ：h i g hp r e c i s i o n ，l o wp o w e rd i s s i p a t i o n ， i n c r e m e n t a lp i d a l g o r i t h m ，h y b r i dr a r e e a r t hp e r m a n e n tm a g n e ts t e p p e rm o t o r ， m u l t i f u n c t i o ns w i t c h i n g 蚤北工业土学硕士论文 k a 点波束天线伺厦系统 第一章绪论 本章叙述了伺服系统的基本原理、组成及发展情况，阐述了数字伺服系统 的组成原理，介绍了国内外对天线跟踪伺服系统的研究现状，详细说明了卫星 天线跟踪伺服系统的性能指标要求，以及作者所做的主要研究工作。 1 1 伺服系统概述 1 1 1 伺服系统发展史： 伺服系统( s e r v os y s t e m ) 也称随动系统，属于自动控制系统的一种，用于 控制被控对象的转角或位移，使其能自动地连续地精确地复现输入指令的变化 规律。伺服系统通常为带有负反馈的闭环控制系统，某些场合下也可使用开环 控制来实现其功能。伺服系统是伴随着电的应用而发展起来的：最早出现于2 0 世纪初，1 9 3 4 年第一次提出了伺服机构( s e r v o m e c h a n i s m ) 这个词；随着自动控 制理论的发展，到2 0 世纪中期伺服系统的理论与实践日趋完善并得到了广泛的 应用；2 0 世纪7 0 年代以来随着计算机技术和微电子技术的飞速发展，微型计 算机特别是单片型计算机得到了迅速的发展，使得它们体积小重量轻、工作可 靠、价格低廉，在伺服系统中取代了大量的模拟和数字电路，提高了伺服系统 的可靠性，增强了伺服系统的通用性和灵活性。促进了伺服系统向数字化方向 的发展，其应用几乎遍及社会的各个领域，此外应用数字计算机作为数字控制 器，使得许多控制理论和技术中的新方法如最优控制自适应控制和智能控制等 可以应用于伺服系统中，使伺服系统的性能和效率得到极大提高。 机械制造行业是伺服系统传统的应用领域，各种机床运动部分的速度控制、 运动轨迹控制、位置控制等都是由各种伺服系统控制的，它们不仅能完成转动 控制直线运动控制，而且依靠多套伺服系统的配合可以完成复杂的空间曲线运 动的控制；如机床的控制机器人手臂关节的运动控制等。另外电弧炼钢炉的电 极的位置控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制，高层建筑中电梯的升降控制， 通信系统中天线俯仰角和方位角的控制，计算机中的磁盘和光盘的驱动控制等 等也都需要伺服系统。随着现代科学技术的飞速发展，特别是微电子计算机电 力半导体和电机制造技术取得的巨大技术进步，使得数字伺服系统在许多高科 技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工机器人、数控机床大规模集成电路 制造、智能办公设备、雷达和各种军用武器随动系统等等，其控制性能对这些 高科技的发展正起着越来越关键的作用。 西北工业大学硕士论文 k a 点波束天线伺厦系虎 1 1 2 国内外研究现状 国内外的相关研究资料显示，目前天线运动控制系统多为船载、车载及地 面站天线跟踪指向控制系统，也有( 飞) 机载的，控制精度要求普遍不高。 国内开展卫星用天线伺服系统研究工作的单位不多，目前仍处于原理样机 和工程样机的研制阶段。 美国h o n e y w e l l 公司在天线指向系统中( m o d u l a r a n t e n n ap o i n t i n gs y s t e m ： m a p s ) 做了大量工作。如1 9 8 4 年发射的s o l a rm a x i m u mm i s s i o n ( s m m ) ，1 9 9 2 年发射的e x p l o r e r p l a t f o r ms a t e l l i t e ( e p s ) 等。 根据有关资料显示，美国军用g p s 系统中使用的对地监测天线，其指向精度 可以在0 0 1 1 。之内，而它的星间通讯天线精度则在分缎之内。 1 - l ：3 伺服系统的组成 按误差控制的闭环伺服系统的组成如图1 一i 所示：它由检测装置、转换装置、 放大装嚣、执行机构、补偿装置和被控对象组成，在实际系统中还包括相应的 电源装置以及系统状态的显示装置等。 图1 1 ：闭环伺服系统的结构图 图中肋表示系统的输入信号，o u t 表示的输出信号，则系统的误差e r r = 如一f ，误差测量装置又称比较元件，其作用是将系统的输入与输出之问的差 值转换成电信号，送入放大装置，将误差电压经过必要的变换与功率放大之后 驱动执行机构，使执行机构拖动被控对象按照输入信号的规律运动；补偿装置 的作用是补偿系统中存在的电磁与机电惯性所引起的滞后作用，使系统的输出 信号能瞬时跟随输入信号的变化以满足系统的动态性能。 按误差控制的伺服系统具有良好的抗干扰性能：当系统受到外部干扰，使 输出量o u t 偏离输入量如时，通过负反馈作用使误差测量装置输出误差电压， 执行元件推动被控对象回到与输入相对应的位置，将系统输出量o u t 自动调整 2 西北工业大学硕士论文k a 点波柬天线伺服系统 到允许的误差范围之内，这是按误差控制又称反馈控制的优点。 控制系统所需的电源、接口等，没有在图中标出。 1 1 4 伺服系统的分类 伺服系统按控制方式分类有开环控制系统、按误差控制的闭环控制系统和 复合控制系统，如图卜2 所示。 按误差控制的伺服系统其特点是系统运动的快慢取决于误差信号的大小， 当系统的误差信号为零时，即系统的输出量和输入量完全相等系统便处于静止 状态；复合控制系统为按输入信号微分和系统误差综合控制的系统，其特点是 系统的运动取决于输入信号的变化率，包括输入速度和加速度和系统误差信号 的综合作用。 叵卜叵卜p ( a ) 井环控箭 ( b ) 按误差控翻的协环控翻 ( c ) 复台控翻 图卜2 ：伺服系统的分类 伺服系统按系统组成元件的物理性质分类有电气伺服系统、电气液压伺服 系统和电气气动伺服系统。按系统信号的种类分类有模拟伺服系统和数字伺服 系统，模拟伺服系统中传递的电信号是连续的模拟信号；数字伺服系统中传递 的电信号含有离散的脉冲数字信号。当然数字信号还得变成模拟信号去驱动执 行元件。 1 1 5 微控制器伺服系统； 传统的伺服系统为模拟伺服系统，图卜3 为一个模拟位置伺服系统的方块图 西北工业文学硕士论文 k a 点波束天线伺服系毙 位置 这是一个由电流环、速度环和位置环构成的三环位置伺服系统，系统中的 各种物理量电机电流、电机速度、输出的位置、给定信号等均为模拟量，电流 控制器、速度控制器、位置控制器均为模拟控制器。 计算机控制单元 一由沿，由瞄石椿l c p u 、g o ! 、i o 等 ：位置反馈信号 位置传感毒 、 ， 图卜4 ：数字伺服系统原理框图 图卜4 为数字伺服系统的原理方框图，从图中可以看出，在模拟伺服系统 的基础上将模拟校正装置控制器用数字计算机代替，作为数字控制器就构成了 计算机控制的数字伺服系统。 应用微型计算机作为数字控制器有很多优点： 数字伺服系统中从检测部件到控制算法的计算等均可以采用数字部件，只 要适当地选择字长可以得到很高的检测和计算精度，因而提高了伺服系统 的精度。 对于逻辑电平以下的漂移噪声不予响应，零点定位精度可以充分得到保证， 数字量的运算不会出现模拟电路中所遇到的零点漂移问题。 用微型计算机代替模拟或数字电路，使电路简化体积减小。 计算机具有记忆和逻辑判断功能，系统的控制算法由软件实现，若要改变 控制规律，只需编制新的控制程序即可，一般不必改变系统的硬件，且可 在运行中根据系统的不同状态选择最优的系统参数，系统结构及控制策略 等，因此系统具有很强的灵活性和适应性。 容易与其他计算机进行数据交换。 4 西北工业太学硕士论文k a 点波束天线伺服系统 1 2 k a 点波束天线伺服系统 1 2 1 题目研究背景 随着现代通信技术的不断发展，卫星通信已成为现代通信网不可缺少的重 要组成部分，广泛应用于电信、广播电视、航空航海、石油铁路地质勘探、野 外科学考察等各个部门和领域，为其提供数据通信服务。 卫星通信系统中，在卫星与卫星、卫星与地面站之间进行通信时，两者的 天线需要精确指向对方以保证通信的质量，特别是在卫星之间存在相对运动时， 更需及时调整卫星天线的指向，保证信号接收始终处于最佳接收状态，卫星天 线跟踪伺服系统就是在这种形势下应运而生并得到了迅速发展。 1 2 2 系统指标要求 本项目来源于航天5 0 4 所预研项目，要求系统接受外部系统的指令控制天 线运动，天线有俯仰( y 轴) 、方位( x 轴) 两个自由度( 轴向) 。 1 系统主要指标： 天线步长：两个轴向均为0 0 2 。 转动范围：两个轴向均为一8 。+ 8 。 误差范围：两个轴向均为 i o 电路 显示电路 监视复位电路 西北工业史学硕士论文k a 点波束天线伺服系统 波形产生电路、芯片 2 2 2 驱动单元 驱动单元接收控制单元发出的控制信号，驱动天线的两个轴向( 自出度) 按给定轨迹运动，按功能将其划分为以下几部分： 控制器 驱动电路、芯片 电机本体 2 2 3 反馈电路 反馈电路主要是将旋转量的天线位置转换为数宇量，送给控制单元处理， 按功能分可以划分为以下几部分： 角位置量测量电路 模数转换电路、器件 2 3 系统硬件的选材 2 3 1 控制器的选择 由于系统的功耗体积重量等指标要求比较严格，所以系统控制器使用单片 机作为主控制器。一般使用i n t e l 系列单片机，其中5 1 、9 6 系列是应用最为广 泛的型号： m c s 5 1 系列。它的主要优点是使用方便，但由于真正作为i o 口使用的只有 p 1 口，在实际使用中需要扩展1 0 口，并且运算速率较低。 m c s 9 f i 系列。它的口线较多，并且有 f s i 、h s 0 等专用高速口，在功能上比 5 l 系列要强大的多，但功耗也相应增加，还要考虑到器件的来源问题。 在系统中，经过控制器处理的信号有1 0 0 多位，即使使用9 6 单片机也需要另外 扩展i o 口，并且系统对运算速度要求不是很高，5 1 系列单片机完全可以完成， 所以在系统中采用5 1 系列单片机，使用8 2 5 5 芯片作为扩展i o 口，出于器件来 源考虑，最终采用8 0 c 3 1 单片机作为主控制器。 2 3 2 伺服电机的选择 伺服电机又称执行电机，在控制系统中作为执行元件，把输入的电压信号 9 西北工业土学硕士论文k a 点波束夭线伺服系统 变换成转轴的角位移或角速度输出，改变输入电压信号可以改变伺服电动机的 转速。伺服系统的性能与执行元件有着密切的关系。 为简化系统结构，提高系统运行的平稳性，在系统中使用了稀土永磁混合 励磁步进电机作为伺服电机，有关该电机的原理、特点、性能在第四章进行介 绍。 2 3 3 反馈电路的选择 反馈电路主要是将天线的角度位置量转换为数字量，般有两种方案： 光电编码器。这种方案的优点是结构简单，转换精度高。 旋转变压器、r d c 组合电路，这种方案的优点是转换精度高，直接产生 数字信号，使用方便，并且不易受到干扰。 由于国产光电编码器精度较低，国外产品转换精度高但来源困难，所以在系统 中采用了旋变、r d c 组合电路的方案。 2 4 系统结构 经过上面分析，可以得到系统构成简图如下图所示： 图2 - 2 ：系统结构框图 图2 2 中是系统硬件构成的框图，控制核心为8 0 c m 单片机为主控单元的 单片机最小系统：单片机i o 接口采用3 片8 2 5 5 芯片，其中片接收夕 部指令， 另外两旁要接收发送天线的当前位置并发送电机的控制信号；这些控制信号直 面北工业史学硕士论文 k a 点波束天线伺服系巍 接与电机驱动电路连接，驱动控制两个轴向的步进电机经变速后带动天线转 动，与天线同轴连接了旋转变压器实时检测天线位置；系统使用电源变换模块， 可以有1 5 v 、+ 1 2 v 、+ 5 v 等各种电压供各个部件使用。 2 5 软件设计分析 控制软件并不能只依附于设计好的硬件，而应该与硬件设计同时进行，软 件编程工作如果进行的好甚至能简化硬件的设计 在完成系统软件整个过程中，可以分为三个阶段： 软件结构分析阶段。初步分析用软件模拟代替硬件结构，优化硬件设 计。 各个器件工作模块编制。在此阶段选择编程语言、程序结构等，在制 作好的硬件基础上编制各个器件的工作程序，并进行初期工作程序测 试。 对整个工作程序进行优化并进行脱机工作。 在本文的第五章将对软件的编程进行详细介绍。 南北工业大学硕士论文 k a 点渡束天线伺服系绕 第三章系统硬件 按照第二章分析分为控制、驱动、反馈等三大部分，本章将对控制单元的 结构、原理等进行介绍。由于天线有两个自由度，每个自由度均有独立的反馈、 驱动等通道，这些通道的原理、结构都相同，在下文中的驱动、反馈单元只以 其中的一路为例进行说明。 3 1 控制单元 3 1 1 控制器 系统使用i n t e l 8 0 c 3 1 单片机作为控制器，它属于m c s - - 5 1 系列，除了不 含内部r o m ，其它结构与5 l 单片机相同，外形如图3 一l 所示： p 口 n p o2 f o 新 p 口，t 口3 1 p - t d5 i p oq f 0 鳓 p 07 t w 1 e 霹v p p 矗i m 再石百 甩7 l 体1 啪6 蚺1 舢 0 23 a l l l p 2 j 淑l o l p ? n t 敲 图3 - 1 ：单片机外形图 单片机内部总线为8 位：有2 5 6 字节的内部r a m ，其中低1 2 8 字节归用 户使用，高1 2 8 字节属专用寄存器区( s r f ) ，主要是一些专用寄存器和i o 口 的映射单元； 幽3 - 2 ：单片机内部结构图 莉r 莉 西北工业土学硕士论文k a 点波柬天线伺服系绕 8 0 c 3 1 有四个并行8 位i o 口，其中p 3 口8 条引脚复用作为其它功能的输 入、输出引脚：有两个串行i o 口r x d 和t x d ，占用p 3 0 和p 3 1 ；两个内部 1 6 位定时计数器，可以由用户自己设定定时或计数功能以及其触发方式，它 的输入占用p 3 4 和p 3 5 ；中断系统包含5 级中断，有两个中断信号输入端，占 用p 3 2 和p 3 _ 3 。内部结构如图3 2 所示。由于其不含内部r o m ，需要在系统 中外扩r o m ，在本系统中使用了i n t e l 公司8 k 容量e p r o m 2 7 6 4 芯片，作为 程序存储器。 3 1 2 系统i o 电路 8 0 c 3 l 单片机有4 组8 位i o 口，其中的p o 、p 2 口一般作为地址线( a d ) 使用，p 3 默认为第二功能口，这样单片机就只有p 1 口作为i o 口使用，远远不 能满足系统要求，所以必须对其进行扩展，在本系统中，使用8 2 5 5 a 芯片进彳亍 i o 口扩展。 1 ：8 2 5 5 a 结构： 8 2 5 5 a 是可编程的并行输入输出接口芯片，通用性强并且使用灵活，常用 来实现m c s - - 5 1 系列单片机的并行i o 扩展。 图3 - 3 ：8 2 5 5 a 的逻辑结构 如图3 3 所示，8 2 5 5 a 共有三个8 位口，其中a 口和b 口是单纯的i o 口 而c 口即可以作数据口也可以作为控制口，用于实现a 口和b 口的控制功能。 所以在使用中常把c 口分为两部分，即c 口高位( p c 7 p c 4 ) 和c 口低位( p c 3 p c 0 ) ，数据传送中a 口所需的控制信号由c 口高位提供，因此把a 口和c 口 高位合在一起称之为a 组，同样，把a 口和c 口低位合在一起称为b 组。 西北工业大学硕士论文k a 点波柬天线伺矗系统 2 8 2 5 5 a 读写控制逻辑 r d ：读信号，低电平有效；它控制8 2 5 5 a 将数据或状态信息送至c p u ； w r ：写信号，低电平有效：它控制把c p u 输出的数据或命令信息写到8 2 5 5 a ； c s ：片选信号，低电平有效：该信号由地址泽码电路产生；该信号有效时，芯 片被选中： a 1 ，a 0 ：端口选择信号，其用于选择芯片的a 、b 、c 三个数据端口和个控制 端口( 即芯片的控制寄存器) 。在和系统连接时，a 1 、a 0 总是和地址线的最低 两位相连。故8 2 5 5 a 芯片要占用四个外设地址号。 r e s e t ：芯片复位信号，高电平有效，当芯片复位时，将清除控制寄存器并将a 、 b 、c 三个端口鼍为输入方式。 3 8 2 5 5 a 的工作方式 8 2 5 5 a 共有三种工作方式，即方式0 、方式1 、方式2 ，即基本输入输出方 式( 方式o ) 、带联络方式的输入输出方式( 方式1 ) 和带联络方式的双向方式 或双向方式( 方式2 ) ，一般最常用的是基本输入输出方式。 4 8 2 5 5 a 的控制字 该字各位的作用说明如图3 - - 4 ： d 7 位：称为特征位，恒为1 ，以使j 占片识别该字为工作方式控制字： d 6 和d 5 位：用于选择a 口的工作方式，具体规定为0 0 方式0 ，叭一方式1 ， 1 0 - 方式2 ； d 4 位 d 3 位 d 2 位 d 1 位 d 7 “ ll d 6 pd 5 + 10 4 + , ld 3 dd 2 d 毗4d o ll c 口下半部( o c o - p c 3 ) 动能选择 b 口功能选择 b 口方式选择v c 口上半部( p c 4 - r c 7 ) 功能选择一 a 口功能选择。t a 口方式选择一 特征位。 图3 - 4 ：8 2 5 5 a 的_ 丁作方式控制字 用于选择a 口是作输入口还是作输出口，1 输入，o 输出； 选择c 口的上半部即高四位p c 4 p c 7 的功能，1 一输入，0 输出 选择b 口的工作方式，o 方式0 ，1 - 方式1 ； 选择b 口的功能，1 - 输入，o 一输出； 西北工业太学硕士论文 k a 点波束天线伺服系缆 d o 位：选择c 口的下半部即低四位p c 0 p c 3 的功能，1 输入，o 输出。 5 8 2 5 5 a 芯片的选址 8 2 5 5 a 芯片在实用中，一般都将译码器的输出接到其c e 引脚，根据译码 器的接法得到8 2 5 5 a 的基址b a s e a d d r e s s ，根据a 1 、a 0 的组合状态决定是对a 、 b 、c 口还是寄存器进行操作，其地址为b a s e a d d r e s s + 0 对应a 口，b a s e a d d r e s s + 1 对应b 口，b a s e a d d r e s s + 2 对应c 口，b a s e a d d r e s s + 3 对应控制寄存器。 3 1 3 显示电路 由于单片机i o 口有限，而系统与外界使用了并行通讯，所以利用串口通 讯来进行显示，电路如图3 5 所示： n 显示暑1 上l l 显示嚣i i r d 曼示署 图3 - 5 ：显不电路 其中8 段l e d 显示器采用共阴极接法。7 4 l s l 6 4 芯片是8 位串并转换芯片， 每当c l k 引脚接收到一个脉冲，输出都会按照q 0 一q 7 的方向移一次位，即 q 7 移出，q 6 一q 7 ，q s q 6 ，q o q 1 ，a b q 0 。当多个芯片按图 3 5 中的方式串联起来，即每个芯片的q 7 作为下一个芯片的输入，就构成了一 个动态显示电路，每次发送的显示码会依次向后传送，即所谓的动态显示，这 种显示方案的优点是硬件结构比较简单。 利用这个特性，在使用时采用单片机串口通讯方式0 ：t x d 作为时钟信号， r x d 作为数据发送，给显示电路送显示码，由于最先发送的显示码会在最后的 显示器显示，所以要显示一组数字时，要倒序送显示码，如下面程序所示： d i s p l a y m o vr 1 # d i s s b u f；显示缓冲区尾址址送给r l 西北工业土学硕士论文k a 点波柬天线伺服系统 l o o p d i s ： m o v a ， r 1 m o v s b u f ，a；开始送数 j n b t i ，$；等待串行送数结束 c l rt i ；i f 标志 d e cr i ；倒序读下个显示码 c j n e r i ，# x x h ，l o o p d l s；显示码全部送完了? r e t 在系统中，使用了十四个l e d 管，显示器面板如图3 - 6 所示 图3 - 6 ：l e d 显示器面板 关于显示器显示内容和代表意义，将在后面章节进行介绍。 3 1 4 监控复位电路 为防止程序“跑飞”，在系统中需加入“看门狗”电路，在系统工作不正常 时对系统进行复位，系统中使用的m a x s l 3 芯片就起到这样的作用，其外形和 接法如下图所示： l8 脚r ，w d o 27r e s e t v c cr e s e t m x 8 1 3 36i 船呱 g n dw d i 45 p n阳f 。 幽3 7 ：m a x 8 1 3 当m a x 8 1 3 芯片的w d i ( i n p u t ) 引脚在1 6 s 内没有收到脉冲信号( 电平 跳变) 时，它的r e s e t 引脚将发出一个高电平，对系统进行复位。系统中利 1 6 西北工业大学硕士论文k a 点波束天线儡服系巍 用它对8 0 c 3 1 单片机、8 2 5 5 a 芯片复位，保证这些芯片正常工作。 3 1 5 方波信号产生电路 控制单元的方波信号发送给驱动单元使用，驱动步进电机。产生方波信号 有两种方案： 使用单片机的定时器中断，由i o 口发出一定频率的方波 使用方波产生电路 对前一种方案来说，优点是硬件结构简单，但加大了主控程序工作量；对后一 种方案，缺点是需要另外加硬件电路，但控制简单，并可保证方波频率精度。 出于可靠性和精度考虑，采用后种方案，即采用方波产生电路，系统中使用了 8 2 5 3 定时计数器。 1 8 2 5 3 引脚介绍 8 2 5 3 定时计数器是i n t e l 公司的微机外围芯片内含三个1 6 位减法计数器， 每个计数器均可单独工作，其封装如下图所示： 圈3 - 8 ：8 2 5 3 引脚图 8 2 5 3 内有一个控制寄存器和三个计数器，由c s 和a 0 、a 1 引脚组合决定 对哪个寄存器或计数器进行操作，在系统中，根据硬件电路接法可以得到8 2 5 3 的基址b a s e a d d r e s s ，由b a s e a d d r e s s + a 1 a 0 的值决定对寄存器或计数器进行 操作，+ o 对应计数器0 ，+ 1 对应计数器l ，+ 2 对应计数器2 ，+ 3 对应控制 寄存器。o u t ) ( 、g a t e x 、c l k x 分别是计数器x 的输出、门控、时钟引脚。 2 8 2 5 3 的编程 8 2 5 3 每个计数器均有以下六种工作方式( 计数初值n ，时钟周期t ) ： 方式0 ：计数期间保持低电平，需再次赋值才能继续计数。 方式1 ：可编程单次脉冲方式。 方式2 ：频率发生器方式，计满n 个时钟数后，输出t 宽的负脉冲。 曲北工业土学硕士论文k a 点波束天线伺服系境 方式3 ：方波频率发生器方式，前n 2 输出高电平，后n 2 变低。 方式4 ：软件触发选通方式。 方式5 ：硬件触发选通方式。 3 8 2 5 3 工作字的选择 控制格式如下： s c l 、s c o ： o o ：计数器00 1 ：计数器11 0 ：计数器21 1 ：非法 r l l 、r l 0 ： o o ：计数器锁存0 1 ：只读，写高字节 l o ：只读写低字节 1 l ：分两次读写，先低后高 m 2 、m l 、m 0 ： 0 0 0 ：工作方式0 ，0 0 1 ：工作方式10 1 0 ：工作方式2 0 1 1 ：工作方式3l o o ：工作方式41 0 1 ：工作方式5 b c d ： 0 ：二进制计数l ：十进制计数 4 8 2 5 3 的使用 在系统中使用二级分频，使8 2 5 3 的三个计数器都工作在方式3 ，即方波方 式，硬件接法如下图所示： 单片机总线 单片机 电机本体 驱动电路、芯片 系统中，对天线的每个轴向( 自由度) 采用完全相同而独立的驱动电路，即每 个电机都有自己的控制器、驱动芯片的。 下文将对控制器、驱动电路进行介绍，电机本体将在下章进行介绍。 3 2 1 控制器 驱动单元使用的控制器是a t m e l 系列的a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机，其外形图 如下图所示： f r 如j p o i t ) 1 p i l 哪盯叻p i 2 n m l 3 丌0 1p j i , 4 p t o 图3 - 1 l ：a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机封装图 a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机内含2 k 的p e r o m ，有两组8 位i o 口p 1 、p 3 ，其中 p 3 口复用，如上图所示；p t 口可以作为通用i o 使用，也可以在编程时作为代 码的输入引脚。 单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 的用法与m c s 5 1 单片机类似，在这里不再详细介绍。 3 2 2s b 3 8 5 5 介绍 s b 3 9 5 5 芯片是一种步进电机驱动芯片其外形及内部构造如图3 - 1 2 所示。 在步进电机微分驱动中，片$ 8 3 9 5 5 驱动二相步进电机中的一相绕组。能 输出连续的电流至1 5 a ，工作电压到5 0 v 内部p 州电流控制结合内部三位非 线性数模转换可以使电机工作在全步、1 2 、1 4 、1 8 细分模式。 在实际使用中，由两片s b 3 9 5 5 共同驱动一个两相步进电机，由控制器发出 其控制字，则s b 3 9 5 5 驱动电机按节拍运行，控制字表如表3 一l 所示。 西北工业大学硕士论文k a 点波束天线伺服系羲 3 1 2 ：s b 3 9 5 5 示意图 啊i 肆 h 岍q r - 日h m m b i p _ h u 嵯 i b m “m _ h 4 - 口 l1thh l摊，hhll 2 lhi hhlh t，hlhlj m r , &hh hl hli 1 hhhhh 2，ixlllhhhh lllh4 t nh “hh 7* 2 hh hl 0hhlh lhll拍，hhll -lhlh鲢 hlhh 6t lhhlm “hl l lhhh* hllh lhhhlll lhhh- i lllh 1 吼 ”lhklm 4 llhl lhlh ad1 i tlhl l 1 kh lh d伸埋2 lhhl 瓢lklhlhhh 1 1舯thhh 船hl 一lhhh h lhlhll 舒lhhl ei，hh* 峨 蛐hhh 1 引hhhl主“ 船hhl 1 表3 一l ：s b 3 9 5 5 芯片工作字 s b 3 9 5 5 驱动步进电机旋转时，电机细分状态取决于s b 3 9 5 5 接收的控制字， 它的四组3 2 个控制字对应电机一个通电循环的3 2 小拍，每组分别对应各大拍 之间电机绕组通电状态。从表中可以看出，如果取每组的第一个控制字送给 s b 3 9 5 5 ，则其驱动电机以全步长运行，即一个通电循环分为4 拍运行；如果取 每组数的第l 、第5 个控制字，则一个通电循环分为8 拍，电机以1 2 步长运 行；如果每个控制字部依次送给$ b 3 9 5 5 ，则其会驱动电机以l 8 步长运 行，即l 8 细分状态。在驱动单元控制程序中，主要是选择合适的控制字发给 s b 3 9 5 5 ，使其驰动电机以合适的步长运行，系统中电机运行在1 2 、1 8 细分两 西北工业太学硕士论文k a 点波柬天线伺厦系统 种状态。 3 2 3 驱动单元电路 驱动单元中某路驱动电路如下图所示 7 * p o 一亡 = l ll r l - - o o 捧垂点卯3 9 5 5c 矫)娄 i 尊 鑫 s i 3 9 5 5 倒瞬)强攀牛 c p v l 一 一一 。毕 f b 5y q - - - 亡 o 一_ “ 斫一 如4 o i 1 矾 d ii 甄 ) 。o 。# 。 d 3d 2 圈3 一i 3 ：驱动电路图 图中的c p u 即为a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机。两片s b 3 9 5 5 芯片( a 桥、b 桥) 分别驱动 电机的a 相和b 相。将控制单元发送的方波信号作为a t 8 0 c 2 0 5 1 的外部中断信 号，每次中断时，单片机都选择适当的控制字送给s b 3 9 5 5 ，驱动电机旋转。 3 2 4 驱动程序介绍 在本节中，将简要介绍一下驱动程序工作过程。从控制单元发出方波、细 分、转向等信号，对驱动单元来说，每接收到个方波时都要判断一下电机( 天 线) 的转向、是否细分等，以控制s b 3 9 5 5 发出正确的驱动信号。工作程序就是 协调各个芯片完成这个过程，程序流图如图3 1 4 所示。 图3 1 4 ：驱动控制流图 上面提出，工作程序每接收到一个方波都要判断电机( 天线) 的转向、细 罩妻 。一 西北工业土学硕士论文 k a 点波束天线伺服系巍 分状态，并发出s b 3 9 5 5 的控制字，控制其驱动电机。很明显，工作程序的核心 必须是中断，在中断服务程序中判断其它信号，依次读取s b 3 8 5 5 控制字并发给 s b 3 9 5 5 。 程序中使用外部o 号中断，响应每个方波的上跳沿。在中断服务程序中， 先判断电机是正转还是反转，正转则正序读控制字表，反转则反序读表，再根 据细分与否决定每次读表时偏移量为1 还是4 ，然后取数据送给s b 3 9 5 5 。 下面为程序略单： ：定义寄存器： m a i n h e r e i n t o s p o t 2 a j m p m a i n o r g0 0 0 b h a j m p i n t o o r b0 0 3 0 h；主程序开始 m o vd p t r # t a b l e 【0 vr o # 0 f 0 vr 2 g o s j m p $ f l a g s o ，s p o t l r 2 # 4 r 2 # l a r o c f l a g s l ，s p o t 2 a ，r 2 初始化 取得表首地址 以r o 作为偏移指针 ：以r i 作为偏移量； 不细分 细分 ：取得上次偏移量 电机反转 a d da 。r 2 a n la # l f 7 t t m o v r o ，a：取得偏移量 m o v c a ， a + d p t r b v v v r b b o 0 o l b u j m m m c j s li ， ( p s 西北工业大学硕士论文 k a 点波柬天线伺厦系统 m o v p i ，a r e t i o r g0 2 0 0 h t a b l e ： d b ： e n d 送控制字到s b 3 9 5 5 控制字 3 3 反馈单元 在本节中，对反馈单元的电路、器件等按下面两部分进行介绍： 旋转变压器 模数角度转换器( r d c ) 3 3 1 旋转变压器 旋转变压器是一种精密的控制电机。它的原、副绕组分别放置在定、转子 上，当原绕组接到单相交流电源时，转动它的转子可以改变输入绕组与输出绕 组之间的耦合关系，使副绕组的输出电压与转子转角成i e 弦、余弦或线形关系。 在自动控制系统中，它主要用来进行坐标变换、三角函数运算、角度信号传输 和作移相器使用。 1 基本结构 旋转变压器的结构与绕线型异步电动机相似，由定子和转子两大部分构成。 ( b ) 口c 圈3 一i 5 正、余弦旋转变压器工作原理 定子上装有两个完全相同的绕组d 和q ，在空间上互相垂直：转子上也装 有两个完全相同的绕组s 和c ，在空间互相垂直。它们一般都做成两极，转子绕 组由电刷和集电环引出。 llt，4 = 号 西北工业土学硕士论文 k a 点波束天线伺服系统 2 正、余弦旋转变压嚣的工作原理 正、余弦旋转变压器的输出电压是转子转角的正、余弦函数，其工作原理 如图3 一1 5 所示。图中定子绕组o 和q 匝数均为w l ，设d 绕组为励磁绕组，其轴 线d 为电机的直轴：q 绕组为补偿绕组。其轴线q 为电机的交轴。s 和c 为转子 上的两个输出绕组，匝数均为w 2 ，则转子绕组与定子绕组的有效匝数比为 k = 2 w l 。规定转子的转角为转子绕组c 与d 轴的夹角。 当旋变空载运行时，即励磁绕组d 接单相交流电压u d 转子绕组开路，如图 3 一1 5 所示。此时励磁绕组中的电流将在d 轴方向产生脉振磁通，最大值为中。 该脉振磁通必然在与其交链的绕组中感应电势。对定子绕组来说，绕组q 与中。 正交，无电磁耦合；对转子绕组来说，可先将中。分解成两个分量：中。和巾。 m c 与绕组c 轴线重合，在其感应电势e 。，不与绕组s 交链：巾。与绕组s 轴线 重合，在其中感应电势e s ，不与绕组c 交链，如图3 一1 5 所示。这样两个磁通的 虽大值分别为 q f = o d c o s o o s = 中d s i n 口 由变压器原理可知，在转子绕组c 和s 中产生的变压器电势的有效值为 巨，= k u d c o s o e s = k u d s i n 0 如果忽略各绕组漏阻抗，绕组c 和s 的端电压分别为 u c = e c = k u d c o s o u s = e s = k u d s i n o 上式表明，空载时，若励磁电压恒定，则转予绕组c 和s 的输出电压c 。和u 。 分别与转子转角成余弦和正弦关系。 当旋变带载时，感应电势会发生畸变，输出特性的畸变，必须采用补偿措 施以消除交轴磁势的影响。一般将定子绕组q 短接。根据楞次定理，绕组q 对 这个交轴脉振磁势有很强的阻尼作用，使旋转变压器的交轴磁势变得很小，从 而保证输出电压不产生畸变。另外，也可以在副边补偿或原、副边同时补偿。 在系统中，旋变与天线轴同轴连接，它的输出作为r d c 的输入，将天线的 旋转角度量转换为数字量供控制单元使用。 旋变在使用中，需要外加励磁电路，一般使用的旋变励磁为1 k h z 的励磁信 号，在系统中使用了1 6 0 0 1 t z 的励磁信号，使得旋变的_ 作电流减小，降低了系 统功耗。 西珐工业大学硕士论文 k a 点波柬天线伺服系统 3 3 2 模块式r d c s d c 转换器 该转换器为一个完整的双速系统，可提供任意比速( 抗干扰能力强：在负载范围内，步距角和转速不受电压大小、负载大 小和波形的影响，也不受环境条件如温度、冲击、震动的影响。 无积累定位误差：每转动一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运 行，其步距角不会长期积累。 西北工业大学硕士论文 k a 点波束天线伺服系统 具有自锁能力( 磁阻式) 和保持转矩( 永磁式) ，可重复堵转而不损坏。 机械结构简单，坚固耐用。 由其结构限制使得步进电机有一些明显的缺点。例如在步进分辨率方而缺 乏灵活性，效率低，单步响应有大的超调量和振荡以及转速不平稳等。但通过 合适的控制装置和策略可以尽量减少这些缺点对系统的影口l 自。 4 1 2 步进电机分类 按步进电机的作用原理，步进电机可以分为以下两类： 磁阻式步进电机。这类电机也称为反应式步进电机，它是基于磁阻变 化产生转矩，是步进电机中结构撮为简单，应用最为广泛的一种。其结构 特点是定子上有若干对磁极，上面只装有控制绕组，转予是无任何绕组的 铁心。无论是定子磁极还是转子铁心，均由软磁材料冲片迭制而成，目前 一般的磁阻式步进电机定予极靴处都带有均匀分布的小齿，转子周边也有 同样的小齿。 永磁式步进电机。这类电机的特点是由一对或多对星形永磁体组成， 定子上相应有二相或多相控制绕组，转子永磁体极数与定子每相控制绕组 的极数对应相等，并且二者的极宽通常相同。 这两种电机的典型结构图如下图所示： 磁阻式( 反应式) 步进电机结构筒宙永钳式步进电机结构简图 图4 - 1 ：两种步进电机结构简图 近年来又出现了一种混合了两种步进电机优点的新型步进电机混合励磁步 进电机，它具有结构简单、控制方便、起动频率低、断电情况下有定位转矩等 优点。本系统中使用的就是两相混合励磁步进电机。 西北工业大学硕士论文 k a 点波柬天娆伺服系统 4 2 步进电机的结构和工作原理 4 2 1 步进电机的基本结构 虽然磁阻式步进电机和永磁式步迸电机的结构不同，但其工作原理却基本 相似，所以以磁阻式步进电机的工作原理来进行介绍。对于磁阻式步进电机来 说，还分为单段式和多段式两种不同转子结构，此处只讨论与所用电机有关的 单段式转子结构步进电机。 与普通电机一样，步进电机结构上也分为定子、转子两大部分。定子由铁 心、绕组、外壳、端盖等部分组成。定子铁心由硅钢片迭压而成。定子铁心内 园上分布着若干个大齿( 见图4 一1 ) ，每个大齿称为一个磁极。这种从外形上能 明显的看出凸出磁极的结构称为显极式或凸极式结构。定子上每个磁极上都装 有绕组，称为控制绕组。所有的控制绕组接成m 相，定子的磁极数2 p 通常为相 数m 的2 倍，即2 p ：2 m ，所以每一相绕组包括两个磁极绕组，它们分别在_ 条 直径的两端，即径向相对的两个磁极上的绕组为一组。在定子磁极的极弧上开 有一些均布的小齿。转子也是由软磁迭片铁心构成，但转子上没有绕组。转