細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源

細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)放大電路

驅(qū)動(dòng)放大電路的功能是將環(huán)形分配器發(fā)出的TTL電平信號(hào)放大到幾安培的電流,送至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組。驅(qū)動(dòng)放大電路的控制方式種類較多,常使用單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓切換驅(qū)動(dòng)、恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓等驅(qū)動(dòng)電路,所采用的功率半導(dǎo)體元件可以是大功率晶體管GTR,也可以是功率場效應(yīng)管 MOSFET或可關(guān)斷晶閘管GTO。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源

恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源也稱定電流驅(qū)動(dòng)電源，或稱波頂補(bǔ)償控制驅(qū)動(dòng)電源。這種動(dòng)電源的控制原理是隨時(shí)檢測繞組的電流值，當(dāng)繞組電流值下降到下限設(shè)定值時(shí)，便使高壓功率管導(dǎo)通，使繞組電流上升；當(dāng)繞組電流值上升到上限設(shè)定值時(shí)，便關(guān)斷高壓管。這樣，在一個(gè)步進(jìn)周期內(nèi)，高壓管多次通斷，使繞組電流在上、下限之間波動(dòng)，接近恒定值，提高了繞組電流的平均值，有效地抑制了電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的降低。如圖2所示為恒流斬波電源電路圖。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

折波電路雖然復(fù)雜,但它使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性有了明顯的改善,提高了快速響應(yīng)性，可以在很大的頻率范圍內(nèi)保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在各方面的廣泛應(yīng)用，其驅(qū)動(dòng)裝置也從分立元件電路發(fā)展到集成元件電路,目前已經(jīng)形成了系列化、模塊化的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提供了模塊化的選擇，簡化了設(shè)計(jì)過程,提高了效率。

圖3中所示為上海開通數(shù)控有限公司生產(chǎn)的KT350型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器外形圖。各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器雖然標(biāo)準(zhǔn)不同，但其接口定義基本相同，只要了解接口中接線端子、標(biāo)準(zhǔn)接口及撥動(dòng)開關(guān)的定義和使用，即可利用驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式是步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)，即毎給電動(dòng)機(jī)一相繞組或幾相繞組一個(gè)脈沖電壓,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就旋轉(zhuǎn)一步。前述的各種驅(qū)動(dòng)電源,都是按電動(dòng)機(jī)工作方式輪流給各相繞組供電,毎換一次相,電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一步,即每拍電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。如果在一拍中,通電相的電流不是一次達(dá)到最大值,而是分成多次,每次使繞組電流增加一些。每次增加,都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一小步。同樣,繞組電流的下降也是分多次完成。這樣步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原來的一個(gè)步距,便分成許多微步運(yùn)動(dòng)來完成,即實(shí)現(xiàn)了步距的細(xì)分。這樣使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨力得以提高,運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn),振動(dòng)減小,噪聲降低,且不易失步。要實(shí)現(xiàn)細(xì)分,需將繞組中的矩形電流波變成階梯形電流波。階梯波控制信號(hào)可由很多方法產(chǎn)生,如圖1所示為一種恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源。

曲面細(xì)分NVIDIA細(xì)分

作為GPU領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，nVIDIA認(rèn)為曲面細(xì)分技術(shù)所代表的GPU幾何性能是新一代顯卡最重要的功能，也是DirectX 11最重要的組成部分。GPU的發(fā)展從Geforce FX5800時(shí)代發(fā)展到Geforce GTX285，五代時(shí)間內(nèi)像素處理能力增長了1500%，而幾何性能只增長了300%。因此nVIDIA認(rèn)為幾何性能已經(jīng)成為制約GPU性能的瓶頸，在新一代Fermi架構(gòu)（費(fèi)米架構(gòu)，包括GT400，GT500系列顯卡）中，要專門加強(qiáng)幾何處理能力，曲面細(xì)分作為幾何處理的典范便首先得到了加強(qiáng)。

在Fermi架構(gòu)中，nVIDIA通過PolyMorph Engine，將Tessellation任務(wù)分配給CUDA單元（CUDA單元也就是通常說的“流處理器”，nVIDIA稱其為CUDA單元）處理。Fermi第一代旗艦顯卡GTX480擁有15個(gè)PolyMorph Engine，也就等效于擁有15個(gè)具有Tessellation技術(shù)處理能力的單元。

nVIDIA這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，可以在高曲面細(xì)分負(fù)載下獲得優(yōu)秀的曲面細(xì)分能力，也就是在純Tessellation計(jì)算中GPU的幾何性能相當(dāng)出色。在單純的Tessellation計(jì)算中，nVIDIA以16倍于AMD的Tessellation處理單元的數(shù)量，得到了6倍于AMD的Tessellation處理能力。不過缺點(diǎn)在于，這種設(shè)計(jì)占用了CUDA單元的計(jì)算能力，前文說過，曲面細(xì)分并不是DirectX 11的全部。在實(shí)際游戲中，并不是單純的Tessellation計(jì)算。CUDA單元還要處理其他游戲相關(guān)的3D渲染數(shù)據(jù)，如果游戲中3D渲染數(shù)據(jù)處理需求不大，這種設(shè)計(jì)就不成問題，不過一旦3D渲染數(shù)據(jù)處理需求很大，比如高分辨率，高全屏抗鋸齒，豐富的光影效果等，那么這種設(shè)計(jì)的缺陷就會(huì)暴露出來。

這就是在3DMARK 11中，GTX460成績不如HD5830的原因之一，3DMARK軟件圖形、光照、抗鋸齒計(jì)算壓力很大，GPU還要分出CUDA單元去處理曲面細(xì)分計(jì)算，因此整體計(jì)算能力便捉襟見肘。再比如在《地鐵2033》中，即使GTX580也不能打開全部效果在1080P下全程流暢運(yùn)行， 且表現(xiàn)不及HD5970 。這與nVIDIA的曲面細(xì)分實(shí)現(xiàn)方法也是有關(guān)的。

曲面細(xì)分AMD細(xì)分

作為Tessellation技術(shù)的開發(fā)者，AMD(ATI) 對(duì)曲面細(xì)分的態(tài)度有所不同。AMD認(rèn)為，在當(dāng)前的DirectX 11游戲中，將一個(gè)物體的細(xì)分后最小的像素在16個(gè)是比較合適的，過分的加大曲面細(xì)分負(fù)載所帶來的變化，是人的肉眼無法分辨的。因此AMD堅(jiān)持對(duì)模型做適度的Tessellation處理才是理智的，過分的加大Tessellation計(jì)算負(fù)載，只是在白白浪費(fèi)計(jì)算資源，因?yàn)槿说娜庋蹮o法分辨。

在Evergreen架構(gòu)（即HD5000系列）中，AMD秉承了自R600以來的做法，集成了一個(gè)專用的Tessellation處理單元。在之后的Northern Islands架構(gòu)的Barts核心中（即HD6800系列），AMD又對(duì)Tessellation處理單元做了優(yōu)化，通過增強(qiáng)的線程分配模塊設(shè)計(jì)，Barts核心在低Tessellation計(jì)算負(fù)載下?lián)碛?.5倍于5800系列的處理能力。當(dāng)然高負(fù)載下仍然不理想。之后的采用Cayman核心的HD6900系列顯卡，則將專用的Tessellation處理單元增加到2個(gè)。

AMD這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，專用的Tessellation單元并不占用流處理器資源，不影響3D渲染數(shù)據(jù)的計(jì)算。在實(shí)際游戲中，畫面分辨率越高，抗鋸齒級(jí)別越高，3D渲染處理需求越大，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢就越明顯。

其缺點(diǎn)是，在3D渲染數(shù)據(jù)處理需求不大時(shí)，遇到高負(fù)載Tessellation計(jì)算，便力不從心。

2011年12月22日，AMD發(fā)布了新一代測采用SI GCN架構(gòu)的AMD Radeon HD7970顯卡。得益于GCN架構(gòu)，其曲面細(xì)分計(jì)算能力也得到了飛躍式的發(fā)展。HD7970顯卡的曲面細(xì)分單元概念被幾何引擎流水線所代替，仍為專用的2個(gè)，但是采用了最新的硬件Tessellation迭代單元，提高了頂點(diǎn)的復(fù)用度、片外緩存設(shè)計(jì)有所增強(qiáng)、采用了更大參數(shù)的高速緩存，因此HD7970的Tessellation和幾何緩存都有顯著的增強(qiáng)，能在所有拆分倍率下達(dá)到4 倍于HD6970 。與競爭對(duì)手相比，HD7970較之于GTX580，以八分之一的幾何引擎數(shù)量獲得了1.6倍的性能。特別是這種設(shè)計(jì)仍不會(huì)占用顯卡的3D數(shù)據(jù)計(jì)算資源。

曲面細(xì)分，或者更準(zhǔn)確的說“鑲嵌化處理技術(shù)”，就是在頂點(diǎn)與頂點(diǎn)之間自動(dòng)嵌入新的頂點(diǎn)。在自動(dòng)插入大量新的頂點(diǎn)之后，模型的曲面會(huì)被分得非常細(xì)膩，看上去更加平滑致密。它是一種能夠在圖形芯片內(nèi)部自動(dòng)創(chuàng)造頂點(diǎn)，使模型細(xì)化，從而獲得更好畫面效果的技術(shù)。 曲面細(xì)分能自動(dòng)創(chuàng)造出數(shù)百倍與原始模型的頂點(diǎn)，這些不是虛擬的頂點(diǎn)，而是實(shí)實(shí)在在的頂點(diǎn)，效果是等同于建模的時(shí)候直接設(shè)計(jì)出來的。

曲面細(xì)分技術(shù)是完全可編程的，它提供了多種插值頂點(diǎn)位置的方法來創(chuàng)造各種曲面：

1. N-Patch曲面，就是和當(dāng)年TruForm技術(shù)一樣，根據(jù)基礎(chǔ)三角形頂點(diǎn)的法線決定曲面；

2. 貝塞爾曲面，根據(jù)貝塞爾曲線的公式計(jì)算頂點(diǎn)的位置；

3. B-Spline、NURBs、NUBs曲線（這三種曲線均為CAD領(lǐng)域常用曲線，在Maya中均有相應(yīng)工具可以生成）

4. 通過遞歸算法接近Catmull-Clark極限曲面。Tessellation技術(shù)最初主要被用以“細(xì)分曲面”，隨著該技術(shù)被納入DirectX11范疇，得到大范圍推廣之后，插值頂點(diǎn)的算法也越來越多，因此用途也越來越廣，產(chǎn)生了很多非常有創(chuàng)意的應(yīng)用。 例如nVIDIA的一個(gè)Demo演示了利用Tessellation技術(shù)生產(chǎn)的“頭發(fā)”，這些頭發(fā)都是真實(shí)存在的，當(dāng)然并不是為每一根頭發(fā)建立一個(gè)模型，而是利用Tessellation技術(shù)在有限的頭發(fā)模型中，鑲嵌入更多的頭發(fā)模型。

除了大幅提升模型細(xì)節(jié)和畫質(zhì)外，Tessellation最吸引程序員的地方就是：他們無需手動(dòng)設(shè)計(jì)上百萬個(gè)三角形的復(fù)雜模型，只需簡單勾繪一個(gè)輪廓，剩下的就可以交給Tessellation技術(shù)自動(dòng)鑲嵌，大大提高開發(fā)效率；而且簡單的模型在GPU處理時(shí)也能大幅節(jié)約顯存開銷，同時(shí)大幅提升渲染速度。