旋转驱动（精选4篇）
旋转驱动 篇1
1 前言
在目前的市场上,机旋转机构变频驱动的失速问题时常困扰着商家和购买客户。本文着重讨论了造成这一现象的几种问题,并提出了一些相应对策。
2 门机旋转机构变频驱动失速问题存在的原因及解决办法
门机旋转机构变频驱动失速问题不管在开环控制还是在闭环控制中都有出现,但是闭环控制出现的故障概率要比开环控制低。无论是在开环控制还是闭环控制,旋转驱动的失速一般有两种情况:第一种情况是发生在运行过程中的失速,第二种情况是发生在制动过程中的失速。以下将分别对两种情况作出分析:
2.1 运行过程中的失速
在运行过程中出现失速时,检测出来的故障代码常见有OS和DEV两种:
(1)OS含义:过速即设定值(F1-08)以上的速度且持续时间超过规定时间(F1-09)。
有以下几种情况会导致过速:
(1)发生了超调/欠调;
(2)指令速度过高;
(3)F1-08、F1-09的设定值不当。
针对以上出现的情况,分别对应做以下几种修改方式:
1当发生超调或者欠调现象时,调整增益的值来满足要求;
2当出现指令速度过高时,重新设定指令回路及指令增益;
3F1-08、F1-09 的设定值不当时,重新设定F1-08以及F1-09的设定值来满足要求;
(2)DEV含义:速度偏差大即设定值(F1-10)以上的速度偏差且持续时间超过规定时间(F1-11)。
有以下几种情况会导致速度偏差大:
(1)负载过大;
(2)加减速时间过短;
(3)负载为锁定状态;
(4)F1-10、F1-11的设定不当;
(5)电机处于制动状态;
(6)编码器故障。
针对以上出现的情况,分别对应做以下几种修改方式:
1当负载过大时,我们需要做的就是减轻负载;
2当加减速时间过短时,我们需要适当地增加加减速的时间以满足要求;
3当负载为锁定状态时,我们需要检查机械系统是否处于正常状态;
4当F1-10、F1-11 的设定不当时,我们需要检查变频驱动器的F1-10、F1-11的设定是否满足要求;
5当电机处于制动状态时,我们需要确认制动器(电机)是否处于“打开”状态;
6当编码器出现故障时,首先要确认编码器与电机的连接状态,然后再检查编码器的反馈值来确认编码器是否已经损坏。
2.2 制动过程中的失速故障
在制动过程中失速故障的代码大多数看似与“速度”无关,比如OV(过电压)、BB(基极封锁)、BUS(驱动通讯指令断开),但是实际上还是间接影响速度。研究制动过程中的失速,首先看变频驱动的停止方法。选择停止方法b1-03有4种方式:
0:减速停止
1:自由运行停止
2:全域直流制动(DB)停止
3:带计时功能的自由运行停止
我们一般选择b1-03=0,操作上,司机主令回零后,驱动上立即转为能耗制动,实现平稳停车。有的港口选用b1-03=1,即司机主令回零后,驱动系统停止一切输出,旋转机构这时处于自由滑行至停止状态。综合评估运行性能,港口业界大多选择b1-03=0。
2.3 故障代码及对策
2.3.1 OV(过电压)
我们通过U3参数组,可以查出变频器历史故障记录。司机反馈信息如果是制动过程中的失速,这种情况下,变频器历史故障记录OV(过电压)居多。减速过程为何会出现过电压?我们知道,减速开始后,变频器对电机的电源输出频率从50Hz迅速衰减至0Hz,电机由电动状态转为能耗制动,也可以把这时电机的状态理解为发电状态,旋转机械动能通过电机——变频器——制动单元——制动电阻进行消耗释放。变频器这时检测到的电压,实际上就是电机发电状态的电压情况。对策:变频器制动过程中的过电压故障检出,大多与减速时间C1-02的设置有关。门机旋转机构变频驱动早期的参数选择一般是6s,即在6s内完成减速停止。但由于过电压的频率过高,目前该数据修正为8s~11s。对于门机旋转机构,多年来港口业界一直在探索最佳的加减速时间。我们的经验值,一般在16t门机及以下,加速6s,减速8s;40t门机,加速9s,减速10s。
2.3.2 BB(基极封锁)、BUS(驱动通讯指令断开)
在日常的设备维护保障工作中,经常有司机反映在主令操作回零,同时踩下旋转机构的脚踏制动踏板时,会有突然升速现象的发生。下面我们通过分析司机操作过程,找到解决办法。司机主令回零,驱动系统自动进入电气制动状态,前面我们分析过,单靠电气制动是可以实现平稳制动停车的。生产中,操作人员往往再加上机械制动,通过双重的制动,实现平稳快速停车,以提高生产效率,系统设计允许,属于正常操作。双重的制动为何会产生升速问题呢?我们知道,旋转机构制动时,机械动能拖动电机,来自电机的再生能量会对变频器形成冲击。为了保护旋转机构制动过程中变频器的安全,在司机旋转脚踏制动踏板临近终点位置设置有基极封锁信号行程开关,这是问题的关键。发生这种情况后,应对基极封锁信号行程开关位置、机械制动片磨损情况、制动总泵、分泵、液压管线等进行全面检查,以确保开关可靠性、准确性以及机械制动器的技术性能。
结语
通过本次研究,我大致了解了机旋转机构变频驱动失速问题的几个原因,也参与了寻找对策的过程。在日后的使用中,我会密切关注,随时解决这些问题并探究发现的新问题。
摘要：门机旋转机构变频驱动的失速问题,是低频次的偶发故障,故障概率一般每运行200h出现一次。该类型故障虽属偶发故障,但是极其危险。发生时,司机通过主令操作手柄给定的驱动指令无车响应,出现短时失控,门机处在惯性作用下的自由滑行。出现旋转驱动失速问题后,大多数情况司机可以紧急应对处理,一方面脚踏制动紧急停车,一方面通过主令控制台设置的急停、故障复位把故障解除,部分需要工程技术人员解除故障。
关键词：变频驱动,失速,对策
参考文献
[1]刘竞成.交流调速系统[M].上海:上海交大出版社.
旋转驱动 篇2
滚珠丝杠又称滚珠螺杆, 是将回转运动转化为直线运动的部件, 滚珠丝杠由丝杠螺杆、滚珠和丝杠螺母组成。滚珠在丝杠螺杆与丝杠螺母间滚动, 属于滚动摩擦, 因此能取得比滑动摩擦高的传动效率。与过去的滑动丝杠相比, 滚珠丝杠由于钢球做滚动运动, 启动扭矩极小, 所需驱动扭矩仅为前者的三分之一;不会产生滑动摩擦中出现的爬行现象, 所以能进行非常精确的微量进给。基于以上优点, 目前伺服电机直接驱动滚珠丝杠带动负载的情况越来越多。如何选择伺服电机的参数与运送的负载相匹配从而最大限度地发挥伺服电机的性能就成为系统选型的关键。本文主要从工件水平运动和垂直运动两方面介绍伺服电机的旋转扭矩的计算步骤。
1 伺服电机驱动滚珠丝杠水平运动时轴向负荷的计算
图1为用滚珠丝杠直接运送负载的装置, 水平左右往返运送负载时的轴向负荷Fan按式 (1) ~式 (6) 计算:
式中:Fa1为去路加速时的轴向负荷, N;Fa2为去路等速时的等速负荷, N;Fa3为去路减速时的等速负荷, N;Fa4为返程加速时的轴向负荷, N;Fa5为返程等速时的轴向负荷, N;Fa6为返程减速时的轴向负荷, N;m为运送质量, kg;μ为导向面上的摩擦因数;f为导向面的阻力, N;a为加速度, m/s2。
式中:Vmax为最高速度, m/s;t1为加速时间, s。
2 伺服电机驱动滚珠丝杠垂直运动时轴向负荷的计算
图2为用滚珠丝杠直接运送负载的装置, 垂直上下往返运送负载时的轴向负荷Fan按下式计算。
式中:Fa1为上升加速时的轴向负荷, N;Fa2为上升等速时的等速负荷, N;Fa3为上升减速时的等速负荷, N;Fa4为下降加速时的轴向负荷, N;Fa5为下降等速时的轴向负荷, N;Fa6为下降减速时的轴向负荷, N;m为运送质量, kg;f为导向面的阻力, N;a为加速度, m/s2。
加速度a可通过下式求出:
式中:Vmax为最高速度, m/s;t1为加速时间, s。
3 伺服电机所需的旋转扭矩的计算
将滚珠螺杆的旋转运动转换成丝杠螺母的直线运动所需要的旋转扭矩可以由式 (15) ~式 (21) 求出。
式中:Tt为等速时需要的旋转扭矩, N·mm;T1为由外部负荷引起的摩擦扭矩, N·mm;T2为滚珠丝杠的预压扭矩, N·mm;T4为其它扭矩, N·mm。
式中:Tk为加速时需要的旋转扭矩, N·mm;T3为加速时需要的扭矩, N·mm。
式中:Tg为减速时需要的旋转扭矩, N·mm。
驱动滚珠丝杠旋转所需的旋转扭力之中, 由外部负荷 (主要指接触面的摩擦阻力) 所需要的旋转扭矩, 可根据下式求出:
式中:T1为由外部负荷引起的摩擦扭矩, N·mm;Fa为轴向负荷, N;Ph为滚珠丝杠的导程, mm;η为滚珠丝杠的效率, 0.9~0.95;A为减速比。
由滚珠丝杠出厂前施加的预压力引起的预压扭矩
式中:Td为滚珠丝杠的预压扭矩, N·mm。
滚珠丝杠加速运送负载时所需的加速扭矩[1]
式中:J为转动惯量, kg·m2;ω′为角加速度, rad/s2。
式中:Ph为滚珠丝杠的导程, mm;Js为丝杠轴的惯性力矩, kg·m2;JA为丝杠轴侧齿轮等的惯性力矩, kg·m2;JB为马达侧齿轮等的惯性力矩, kg·m2。
式中:Nm为马达转速, r/min;t为加速时间, s。
式中:J为圆形物的转动惯量[3], kg·m2;m为圆形物的质量, kg;D为丝杠轴外径, mm。
计算出等速时的旋转扭矩Tt、加速时的旋转扭矩Tk、减速时的旋转扭矩Tg, 取其中数值最大者即为选用伺服电机时参考的最小扭矩。
4 结语
目前, 用该种计算方法所选用的伺服电机已经应用于实际中, 从伺服电机反馈的参数来看, 此种计算方法完全合理可靠。
摘要：针对伺服电机直接驱动滚珠丝杠带动负载的应用, 介绍了伺服电机旋转扭矩的计算步骤, 以及相应的公式。
关键词：伺服电机,滚珠丝杠,旋转扭矩
参考文献
[1]哈尔滨工业大学理论力学教研组.理论力学[M].北京:高等教育出版社, 1997:264-265.
[2]孙恒, 陈作模.机械原理[M].6版.北京:高等教育出版社, 2001:160-162
旋转驱动 篇3
在采用磁场定向控制的永磁同步电机调速系统中,需要实时地检测电机转子位置及转速,以实现转矩、速度的闭环控制。通常的检测方法是使用光电编码器,常用的正交光电编码器启动时需要一段时间进行转轴定位,而且抗冲击震动性差,因此在需要快速响应的高速运行且对抗震要求较高的场合,往往使用旋转变压器。
旋转变压器的模拟输出信号sin,cos都是差分信号。为了将模拟信号变换成表示角度的数字信号,可以采用旋转变压器/数字转换器(RDC)器件。AU6802,ADS1200是使用较多、性能较好的解码芯片。然而这些芯片及其接口电路成本较高,因此,本文提出了一种低成本、无需解码芯片、计算转子位置和速度的方法。该系统采用TMS320F2812作为主控CPU,可满足系统对转子位置与速度信号实时快速检测和处理的要求。实验表明该方案确实可行,并具有较高的控制精度。
2 旋转变压器的原理
旋转变压器的工作原理与普通变压器本质一样,只是由于转子旋转,定子励磁绕组和转子输出绕组之间的相对位置发生变化会引起互感变化,而使输出电压与转子转角成正弦或余弦关系。本系统选用的无刷旋转变压器如图1所示。经过无刷化设计,旋转变压器初级励磁绕组(R1-R2)和二相正交的次级感应绕组(S1-S3,S2-S4)同在定子侧,转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的特殊结构的线圈绕组。
当旋转变压器转子随电机同步旋转、初级励磁绕组外加交流励磁电压后,次级两输出绕组中便会产生感应电势,大小为励磁与转子旋转角的正、余弦值的乘积。旋转变压器输入输出关系如下:
式中:E0为励磁最大幅值;ω为励磁角频率;K为旋转变压器变比;θ为转子位置角。
3 励磁信号调理电路设计
系统所用的多摩川旋转变压器型号为TS2225N12E102,所需励磁电压范围为3～7 V,原副边的电压比率为0.286。图2给出了旋转变压器励磁信号的调理电路。
旋转变压器的正弦交流励磁信号U0的频率由PWM7和PWM8产生,在图2的电路中励磁电压信号的频率为10 kHz,PWM信号的频率为160 kHz,励磁频率和PWM信号的频率可以通过软件进行修改。第1级运放THS4001构成的差分放大电路能过滤除PWM波的谐波信号,同时将单极性的PWM波转换成双极性的并进行功率放大,从而获得一个电压有效值为7 V,频率为10 kHz的正弦波,作为旋转变压器的励磁信号。第2级差分运放构成的低通滤波器可以进一步减少谐波失真。
4 信号输入调理电路设计
从旋转变压器输出的信号不仅仅是和转轴旋转角度成正弦和余弦关系的信号,也可能夹杂着许多干扰信号。因此,旋转变压器输出的信号不能直接输入TMS320F2812的ADC08和ADC09。2个器件之间还要设计一个输入调理电路。图3给出了旋转变压器2个差分输出正余弦信号的调理电路。主要功能有:抑制共模干扰信号的作用;同时进行电压平移,使双极性的差分输出转变成单极性的,以符合TMS320F2812的A/D接口模拟输入(0～3 V)范围;RC网络构成的低通滤波器起过滤噪音干扰的作用。
5 转子速度和位置的计算
在TMS320F2812控制器内部的转子速度和位置计算结构图如图4所示。从图4中可以看出,通过从旋转变压器输出的正余弦信号(Vs和VC)计算转子速度和位置的过程可以分成3个主要部分。图5给出了图4中提到的各变量的波形图。下面分别介绍一下这3个主要部分的功能。
5.1 解调和低通滤波
从旋转变压器输出的双极性正余弦调制信号经过图3所示电路变成单极性的,此信号的包络就是转子位置的一个函数。将旋转变压器输出信号取绝对值,对其进行采样滤波。采样窗的长度即为旋转变压器励磁信号一个周期的采样点数。本系统将A/D采样频率设为40 kHz,励磁频率为10 kHz,采样频率可通过软件进行设置。由于解调后的信号可能会包含一定的噪音,因此需要设计一个高阶的低通滤波器进行滤波。为了能够较好的进行线性相位延迟补偿,这里设计了一个17阶低通滤波的汉明窗。图6给出了解调和滤波过程中的波形图。
5.2 转子速度和位置计算
从旋转变压器输出的正余弦信号通过解调滤波后,利用下面的公式就能算出机械角
图5给出了这些机械角的波形图,从图5中可看出θ是一个双极性的信号,其中信号过零点的时刻是有用信号,因此需要对其进行过零检测。显然,相角θ在一个机械周期里有4次经过零点,因而就设置了一个变量n使它在每第4次过零点时复位为零(见图5)。机械相角θm的计算方法如下:
式中:n=0,1,2,3;θm的值在0～1之间,等价于0～2π。
另外,瞬时机械相角θm还可通过下式进行计算
转子速度ωr可以通过对相角θ1进行微分然后一阶低通滤波得到:
在实际中,每次过零点时,通过式(6)计算的瞬时θm可能不一定与式(5)中的θm相符合,因此对零点前、零点时、零点后的3个值取平均得到瞬时θm,再对它进行一阶低通滤波得到一个比较精确的机械相角θm。
5.3 相位补偿
这部分主要是为了补偿在转子位置计算过程中所产生的相角延迟。首先,在经过17阶和1阶低通滤波后,将会产生一定的线性延迟。由于这个线性相位延迟是转子频率的函数,所以很容易就能进行相位补偿。并且随着频率增加,相位延迟也将增加。另外,从图5c可看出还应该补偿一个π/4的机械角。
6 实验结果及结论
实验电机参数如下:额定转速6 000 r/min,功率42 kW,极对数为2;PWM采样频率为5 kHz;旋转变压器励磁信号频率10 kHz,有效值7 V。
实验给定转速6 000 r/min,图7a为旋转变压器励磁信号;图7b为旋转变压器输出正/余弦信号。
在高速大功率永磁同步电动机驱动系统中,以旋转变压器TS2225N12E102构成的高精度位置速度检测电路,通过TMS320F2812对转子位置的合理数字处理,能够实现转子位置转速的精确测量。实验证明,本文设计的接口电路和数字处理方法简单、精度高、可靠性好、抗干扰能力强,完全能够满足控制的要求。
参考文献
[1]Reza Hoseinnezhad.Calibration of Resolver Sensors in E-lectromechanical Braking Systems:A Modified RecursiveWeighted Least-squares Approach[J].IEEE Transactionson Industrial Electronics,2007,54(2):1052-1060.
[2]Lazhar Ben-brahim.A Resolver Angle Estimator Based onIts Excitation Signal[J].IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2009,56(2):574-580.
[3]Lazhar Ben-brahim.A New Angle Determination Methodfor Resolvers[C]∥AMC′08.10th IEEE InternationalWorkshop on,2008:126-131.
[4]Thung Khru.A Resolver-based Vector Control Drive of Perma-nent Magnet Synchronous Motor on a Fixed-point Digital SignalProcessor[C]∥2004 IEEE Region 10 Conference,2004:167-170.
[5]吴红星.基于旋转变压器的电动机转子位置检测研究[J].微电机,2008,41(1):1-3,9.
旋转驱动 篇4
微创介入治疗具有安全、可靠、无痛苦、愈合速度快等特点。目前已经研究出微型消化道胶囊内窥镜,利用消化道蠕动,可进行整个消化道区域的检查,并通过装载的微摄像头以无线方式传输检查图像[1,2,3]。但其缺点是不能主动控制胶囊机器人的行走。
外表面附着螺旋肋的胶囊微机器人,在有粘液的腔道内旋转时,螺旋肋处的流体产生动压效应,并在管壁表面形成动压保护膜,利用液体动压膜为动力媒介可实现体内非接触无损伤驱动[4]。
传统的有缆驱动方式因其拖带电缆,给操作带来极大不便,成为微机器人在医疗领域实际应用的最大障碍,因此,无缆驱动的微型机器人成为当前的研究热点。
本文介绍了一种以外部旋转磁场驱动的内嵌永磁体的螺旋结构胶囊机器人无缆驱动控制方法,并利用直接数字频率合成(DDS)和单片机控制技术,设计出驱动两组轴线正交的亥姆霍兹线圈产生空间旋转磁场的数字可控信号源。
磁控胶囊机器人体内驱动安全、可靠,最终可构成医疗微型机器人系统,完成窥视、施药、取样、手术等作业,在生物医疗领域有着广阔的应用前景。
2 机器人的驱动原理
胶囊机器人内嵌径向磁化的钕铁硼(NdFeB)圆柱作为内驱动器,当外磁场不转动时,磁场内的微机器人也保持静止。此时内驱动器与外磁场的N、S极相互对正,两磁极相对转角为α=0°。随着外磁场开始旋转,内驱动器与外磁场的磁极相对转角α不再为0,由于两者间的磁机耦合作用,旋转磁场对内驱动器产生一个磁驱动力矩TM,驱动微机器人在充满粘性液体的管道内旋转。微机器人外表面的螺旋结构旋转时产生流体动压力[5],其合力为沿轴线方向的作用力Fa,推动机器人前进,如图1所示。
3 旋转磁场的产生原理
典型的单轴亥姆霍兹线圈由具有相同线圈匝数,相同线圈绕制方式,线圈半径等于线圈间距的两个线圈组成,无论通入AC或DC电流,线圈中间都会产生一定体积的均匀磁场。当两组亥姆霍兹线圈轴线正交,如图2所示,分别给x、y轴的两组线圈通入相同频率、相位相差90°的正弦电流,两组线圈会产生相同频率、相位差为90°的谐波磁场。设计两组线圈的尺寸、结构、匝数及电流,使它们产生的谐波磁场磁感应强度幅值大小相同,则两轴磁场分量叠加后产生磁场和矢量方向随时间变化的旋转磁场[6]。
通过调节加载电流的频率可以控制磁场的旋转速度,改变加载电流的幅值可以改变磁感应强度的大小,从而控制胶囊式微机器人在旋转磁场内的运动。
4 系统设计
4.1 DDS的基本原理及AD9854芯片
驱动亥姆霍兹线圈产生旋转磁场要严格保证两路同幅度的正弦波信号频率相同、相位相差90°。利用直接数字频率合成(DDS)技术产生的信号可以满足要求。DDS的原理是利用奈奎斯特采样定律,经查表把一系列数字量信号由DAC转换成模拟量输出[7].
DDS由相位累加器、波形存储器、数模转换器和低通滤波器组成,如图3所示。在参考时钟脉冲的控制下,频率控制字由相位累加器累加得到相应的相位码,根据相位码对波形存储器寻址,进行相位-幅度变换输出不同的幅度编码,再经过数模转换器得到相应的阶梯波,最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑,即得到由频率控制字决定的连续变化的输出波形。
N为相位累加器的位数,K为频率控制字,fC为系统参考时钟频率,DDS输出信号的频率为:
根据采样定理,DDS的最高输出频率应小于fC/2,实际应用中一般只能达到40%fC。
采用先进DDS技术的高集成化芯片AD9854由AD公司生产[8]。其12位的双DAC可同时输出I、Q两路正余弦信号。AD9854具有48位的相位累加器,当系统时钟为300MHz时,输出信号分辨率可达0.001Hz。AD9854还具有14位的相位设置功能,输出信号最高相位分辨小于0.02°,且能够进行12位的输出幅度调整。AD9854内部有39个可编程寄存器,用户可以通过串行和并行的方式对片内寄存器进行编程,本设计采用并行方式。
4.2 系统结构
信号源以单片机和DDS芯片为核心,系统电路主要功能模块如图4所示。
系统硬件电路主要包括三部分:单片机控制AD9854的波形产生电路,键盘显示电路,信号滤波放大电路。
4.3 波形产生电路
单片机是DDS波形产生电路的控制核心,完成键值采集、信息显示、DDS芯片初始化等任务。本设计选用AT89S52单片机[9]。AT89S52为5V电源供电,AD9854的电源电压为3.3V,由三片双向8通道电平转换芯片MAX3002实现两者的连接。
AT89S52与AD8954的接口电路如图5所示。包括地址线、数据线及相关控制引脚。AD9854共有80根引脚,其中有六根地址线AO-A5,可在并行编程时寻址AD9854内部的39个寄存器,8根数据线DO-D7仅在并行编程时使用。AT89S52的P0口同时连接AO-A5和DO-D7,地址与数据分时复用,由74LS573对地址数据进行锁存。
MASTER RESET为AD9854复位引脚,大于10个时钟周期的高电平脉冲可将AD9854复位。I/0_UD_CLK为双向频率更新信号线,当AT89S52对AD9854完成设置后,由P1.1引脚送出一个更新脉冲,输出所设置的信号。WR、RD引脚分别为AD9854写、读信号控制线,控制单片机对AD9854内部寄存器写入、读取数据。S/P SELECT为串并行编程模式选择引脚,电路中置为高电平,选择并行模式。FSK/BPSK/HOLD是多功能选择引脚,本设计中AD9854主要工作在单频模式,故由P1.2置为高电平。
AVDD、DVDD分别为AD9854模拟、数字3.3V电源输入端,AGND、DGND分别为模拟、数字接地端,为保证输出信号性能,由两个LM317三段可调式稳压芯片分别提供数字电源和模拟电源,并对数字地和模拟地进行分割。
4.4 键盘显示及滤波放大
由于对AD9854采用了并行编程的控制模式,占用了单片机比较多的I/O口,因而要对单片进行扩展。用Intel公司的可编程I/O接口芯片81C55,扩展AT89S52的并行I/O口。
键盘设计使用了独立式按键,单片机对键盘的扫描采用了中断触发的方式。共设置了10个按键,频率设置、相位设置、幅度设置3个功能键,6个增减量控制键,1个确认键,其中三个功能键的输出经“与”门后与AT89S52单片机的INT0引脚相连,按下这三个按键中任何一个都可以触发单片机中断,对键盘进行扫描。
显示电路主要功能是显示系统的运行状态,采用了八段数码管的显示方法,由5个数码管显示输出信号的一些参数信息。
AD9854由内部正余弦DAC输出的单极性信号含有高频噪声且幅度很小,需要经过滤波放大后才能满足系统要求。选用有源滤波器构成二阶压控电压源LPF对信号进行处理,滤除高频噪声,然后采用加直流偏置的方法抵消信号中的直流分量,将输出信号转化为双极性交流信号,经过两级前置放大后,再通过由功率放大器组成的压控恒流源电路,进行功率放大,使输出信号能够驱动线圈产生一定强度的磁场。
4.5 软件设计
系统控制程序包括AD9854芯片的初始化程序,芯片81C55的初始化程序,键盘与显示程序,键值转换成对应AD9854控制字的译码程序和AD9854输出信号刷新程序等。在主程序中,单片机首先开中断,再对AD9854和81C55进行初始化,输出初始信号并显示状态,等待按键触发中断。
当有功能键按下时会触发单片机的外部中断,执行中断服务子程序。单片机对键盘电路的扫描、输出信号的更新和刷新显示都是在子程序中实现的,这样就避免了不停的扫描键盘电路,节省资源,提高运行效率。中断服务子程序的结构如图6所示。
为避免单片机进行复杂的AD9854控制字计算,本设计采用了增减固定值的方法来对输出信号的参数进行设置。以频率设置为例,当按下频率设置功能键时,LED数码管显示当前输出信号的频率值,然后根据所需的频率值,按下相应的增减量按键组合对原频率值进行增减,单片机在中断服务程序中对键盘进行扫描,并记录各个增减量键按下的次数,等到确认键按下后停止扫描,译码程序将频率的增减量值换算成频率控制字的增减,改变输出信号的频率控制字,更新输出信号,刷新频率值显示,然后中断返回。输出信号相位和幅度值的设置与上述过程类似。
5 结束语
运行控制程序,对系统电路进行调试,结果如下:以40MHz有源晶振作为系统参考时钟时,AD9854输出频率范围0Hz～10MHz,输出幅度范围2mV～500mV,滤波后输出频率范围0Hz～500Hz,频率分辨率可达0.05Hz,系统输出两路正弦波信号,两路信号相位严格相差90°,频率和幅度皆可设置,完全满足设计要求。
图7所示为经过滤波和前置放大后的信号,可见两路信号相位差为90°,经两级前置放大后的幅值为7.2V。
系统输出的信号经过功率放大后进行了驱动线圈的测试。测试所用负载线圈的静态电阻为8.62欧,静态电感为212mH,信号源在0～50Hz频率范围内可驱动线圈产生磁场,驱动电流大小为-1.7A～+1.7A。
本文设计的旋转磁场驱动信号源的调试结果表明,利用DDS技术产生两路正交信号,由单片机对输出信号进行灵活控制,信号精度达到了设计要求。上述电路可用于两轴正交亥姆霍兹线圈内旋转磁场的产生和控制,驱动内嵌永磁体螺旋结构胶囊式微机器人沿轴线方向运动,这种方法摆脱了有缆驱动的不便,实现了微机器人的无缆软驱动,为最终实现空间万向旋转磁场的驱动奠定了基础。
摘要：针对微机器人有缆驱动的缺点,介绍了一种以外旋转磁场驱动内嵌永磁体的胶囊微机器人游动的无缆驱动方法。阐述了胶囊微机器人的驱动原理与旋转磁场的产生方法,并结合直接数字频率合成(DDS)技术,开发了以单片机AT89S52和DDS芯片AD9854为核心的旋转磁场驱动信号源。对系统进行软硬件设计和调试,产生的两路正余弦信号可驱动两组亥姆霍兹线圈产生旋转磁场。
关键词：胶囊微机器人,旋转磁场,直接数字频率合成(DDS),亥姆霍兹线圈
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