船用儀表用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

梅小雨，許 昌

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州310018）

船用儀表從工作原理上區(qū)分,有模擬式儀表和數(shù)字式儀表[1]。以模擬量組合單元儀表為主的監(jiān)控儀表所需要的器件數(shù)量多，指示精度低。數(shù)字式船用儀表多為L(zhǎng)ED數(shù)碼管顯示方式，雖然分辨率高，但不夠直觀，尤其在單屏面上顯示多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，不利于進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀察，而且它顯示的是單純的一個(gè)數(shù)據(jù)，沒有在一定范圍內(nèi)進(jìn)行顯示，觀察人員還需將觀察到的數(shù)據(jù)再過濾比較,才能對(duì)運(yùn)行狀況作出判斷，不利于發(fā)現(xiàn)異常情況。因此為了既適應(yīng)船用儀表的需要，又滿足人機(jī)工程的要求，本文提出了一種全數(shù)字步進(jìn)電機(jī)式船用柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)控儀表，與傳統(tǒng)的模擬量為傳輸量的指針式儀表不同的是，它把數(shù)字量用步進(jìn)電機(jī)式指針進(jìn)行了模擬式指示，將數(shù)字顯示的準(zhǔn)確性和模擬指示的直觀性結(jié)合在一起，克服了以往模擬式儀表指針指示的非線性、抖動(dòng)、卡滯等現(xiàn)象，指針示值準(zhǔn)確、能夠快速追蹤參數(shù)的變化，運(yùn)行平穩(wěn)。

1 步進(jìn)電機(jī)式船用儀表的總體設(shè)計(jì)方案

步進(jìn)電機(jī)式船用儀表總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)采用帶有LCD顯示模塊的PIC核的單片機(jī)作為控制器，對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)(包括轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、冷卻水溫度、電瓶電壓等)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把數(shù)據(jù)處理成相對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)式指針要走的步數(shù)，并在指針式儀表上進(jìn)行顯示。選用的VID29-05步進(jìn)電機(jī)為兩相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)置減速比180/1的齒輪系，可用分步模式或微步模式驅(qū)動(dòng)。輸出軸的步距角最小可以達(dá)到(1/12)°，最大角速度為 600°/s。

2 步進(jìn)電機(jī)組合電阻式細(xì)分驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的執(zhí)行元件,是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖相對(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件[2]。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式主要有整步、分步、微步3種[3]。為了使儀表指針能夠高精度地準(zhǔn)確定位，使步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)、無卡滯地運(yùn)行，減少電機(jī)的振蕩和噪聲，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)，即微步模式。

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式有專用芯片法和PWM脈寬調(diào)制法。專用芯片法采用硬件的方法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)，容易實(shí)現(xiàn)，但成本較高。PWM脈寬調(diào)制法采用PWM脈沖直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用軟件的方式實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)硬件成本較低，但需要多路PWM模塊，對(duì)單片機(jī)的選型要求較高。因此綜合成本和實(shí)用性兩方面的因素考慮后，本設(shè)計(jì)提出一種基于組合電阻式的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，該驅(qū)動(dòng)方式的硬件為3個(gè)電阻的組合，成本低，原理簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)軟件為儀表指針跟蹤算法的設(shè)計(jì)，不需要單片機(jī)的PWM模塊，實(shí)用性較強(qiáng)。

步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)的公式如下：

在本設(shè)計(jì)中勵(lì)磁繞組采用階梯型電壓驅(qū)動(dòng)，在繞組上進(jìn)行電流疊加，即每經(jīng)過一個(gè)細(xì)分信號(hào)周期，單片機(jī)輸出到電機(jī)線圈的電壓順次發(fā)生變化，使得通過線圈的電流按上述公式產(chǎn)生接近正弦波的變化，逐漸增大或減少，而不是一次性地通入或切斷，使電機(jī)能更平穩(wěn)地運(yùn)行。

組合電阻式細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指步進(jìn)電機(jī)每一相線圈一端與單片機(jī)的I/O口相連，另一端與N個(gè)阻值不同、處于并聯(lián)方式的電阻相連，N個(gè)電阻的數(shù)量和取值大小需要考慮電機(jī)內(nèi)部線圈電阻，以便產(chǎn)生能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的、接近于正弦波的階梯波形。單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)之間無專用驅(qū)動(dòng)芯片。并聯(lián)電阻N的個(gè)數(shù)越多，則步進(jìn)電機(jī)每一相上出現(xiàn)的狀態(tài)就越多，細(xì)分的程度也越高。圖2所示為該24細(xì)分驅(qū)動(dòng)法的硬件電路圖。

圖中 M1、M2為步進(jìn)電機(jī)的一相繞組，M3、M4為另一相繞組，SN74HC595是串行輸入并行輸出芯片，用作擴(kuò)展PIC單片機(jī)的I/O口，每一相繞組上都接有3個(gè)并聯(lián)的電阻。因?yàn)閂ID29-05輸出軸的步距角最小可以達(dá)到(1/12)°，而它內(nèi)置減速比為 180/1的齒輪系，因此一個(gè)微步表示指針轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)15°。VID29-05步進(jìn)電機(jī)一個(gè)周期共有6個(gè)分步，即每個(gè)分步相位相差60°，每個(gè)分步可以細(xì)分為4個(gè)微步，整個(gè)周期細(xì)分為24個(gè)微步，即24細(xì)分，其對(duì)稱的階梯波形圖如圖3所示。

因?yàn)橛?2個(gè)不同的對(duì)稱階梯數(shù)值，故選取3個(gè)不同阻值的電阻與步進(jìn)電機(jī)繞組線圈電阻一起就能得到16種邏輯組合，選取其中最合適的12種即可。在硬件電路中每一相都有3個(gè)電阻相并聯(lián)，VID29-05步進(jìn)電機(jī)的每相內(nèi)部繞組電阻為210 Ω，單片機(jī)I/O口輸出電壓為5 V,再根據(jù)VID29-05步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)的各相電流值，可以計(jì)算出3個(gè)電阻與電機(jī)內(nèi)部繞組在電路中的總等效電阻值和步進(jìn)電機(jī)一相繞組上的電壓值，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可選配3個(gè)電阻的阻值和控制電阻引腳的電平邏輯。當(dāng) QD輸出高電平時(shí)，QA、QB、QC有 8種組合可選，除去輸出全高狀態(tài)(因?yàn)槿?QA、QB、QC、QD全為高時(shí)，就沒有電流輸出)，可根據(jù)需要取出其中最適合的6種狀態(tài)。當(dāng)QD輸出低電平時(shí)，同理可取出除去全低狀態(tài)外的最適合的6種狀態(tài)，由此可得到12個(gè)值。將此12個(gè)值進(jìn)行x軸對(duì)稱則可得出另一組階梯波。將整組數(shù)據(jù)建成一個(gè)表，通過查表的方式就可以控制步進(jìn)電機(jī)。

3 步進(jìn)電機(jī)組合電阻式細(xì)分驅(qū)動(dòng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 指示參數(shù)位置與步進(jìn)電機(jī)微步數(shù)的關(guān)系

在本設(shè)計(jì)中，要顯示的參數(shù)有溫度、壓力、轉(zhuǎn)速和電壓。溫度顯示范圍為40℃～120℃，壓力顯示范圍為0～1 MPa，轉(zhuǎn)速顯示范圍為 0～3 000 r/min，電壓顯示范圍為18 V～32 V。在此對(duì)溫度顯示與步進(jìn)電機(jī)微步數(shù)的計(jì)算關(guān)系進(jìn)行說明，其余三表類似。根據(jù)廠家給定的溫度面板滿量程刻度為112.5°，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)中每一步旋轉(zhuǎn)角度(1/12)°，因此當(dāng)達(dá)到滿量程時(shí)步進(jìn)電機(jī)的微步數(shù)為step=112.5×12=1 350步。但溫度是從40℃開始顯示的，應(yīng)將40℃作為指示零點(diǎn)，且滿量程為120℃，滿量程點(diǎn)與初始點(diǎn)相差溫度為80℃，而它們之間的物理角度差為112.5°，因此溫度每相差一度，指針應(yīng)走過的物理角度為(112.5/80)°，溫度與電壓近似成線性關(guān)系，如圖4所示的溫度-電壓關(guān)系圖，由此可得關(guān)系式：

根據(jù)式（2）和式（3）就可計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)溫度值y,再根據(jù)式（4）就可計(jì)算出目標(biāo)溫度相對(duì)應(yīng)的儀表指針位置，即指針距初始點(diǎn)(“40℃”點(diǎn))的微步數(shù)。將此位置與指針的當(dāng)前位置進(jìn)行比較，即可得到指針應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和轉(zhuǎn)角。由此可建立溫度-微步數(shù)表，通過查表的方式就可得到目標(biāo)溫度值所對(duì)應(yīng)的微步數(shù)。

由于溫度與電壓之間的非線性關(guān)系及電機(jī)齒輪的誤差影響，導(dǎo)致滿度定位有偏差，可以通過分段線性處理的方法，在半滿量程點(diǎn)、2/3滿量程點(diǎn)和滿量程點(diǎn)，對(duì)式（4）進(jìn)行補(bǔ)償修正，從而獲得準(zhǔn)確的定位。

3.2 儀表指針跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)

儀表指針運(yùn)行的效果要求平滑且跟蹤快，要滿足這兩項(xiàng)要求，必須要有好的升降頻控制算法，因此必須在軟件設(shè)計(jì)上配合實(shí)現(xiàn)硬件電路的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。硬件電路提供驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的階梯波形，軟件設(shè)計(jì)將控制此波形的時(shí)間間隔，使得指針快速、精準(zhǔn)地定位，并且平滑、無卡滯地運(yùn)行。主要包括指針歸零模塊、分頻驅(qū)動(dòng)中斷模塊、跟蹤控制模塊。

常用的升降頻控制方法有3種[4]：直線升降頻、指數(shù)曲線升降頻、拋物線升降頻。直線升降頻是以恒定的加速度進(jìn)行升降，平穩(wěn)性較好，適用于速度變化較大的快速定位方式。軟件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但其加速度時(shí)間比較長(zhǎng)。指數(shù)升降頻控制具有較強(qiáng)的跟蹤能力，但當(dāng)速度變化較大的時(shí)侯其平衡性較差。拋物線升降頻是將直線升降頻和指數(shù)曲線升降頻相融合，充分考慮到步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩，使升降速的時(shí)間大為縮短，同時(shí)又考慮使其具有較強(qiáng)的跟蹤能力，這是一種比較好的升降頻控制方法，本設(shè)計(jì)所采用的升降頻控制方法正是此方法。

指針跟蹤程序流程圖如圖5所示，查參數(shù)-微步數(shù)表得到目標(biāo)微步數(shù)后，與當(dāng)前位置比較確定指針的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)角。為使指針能快速跟蹤、準(zhǔn)確定位，需要按拋物線升降頻法，建立一張位置差值-指針?biāo)俣缺?，?dāng)目標(biāo)位置離當(dāng)前位置較遠(yuǎn)時(shí)，指針?biāo)俣容^快，反之則較慢，如參數(shù)突然變化較大，不能直接從上一較快（較慢）的指針?biāo)俣纫淮巫兓捷^慢（較快）的目標(biāo)速度，會(huì)使指針產(chǎn)生卡滯、抖動(dòng)等現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)在程序中控制指針?biāo)俣葷u進(jìn)的變化。

將步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用到船用儀表中，推動(dòng)了數(shù)字化指針儀表的發(fā)展，顯示方式更符合人機(jī)工程學(xué)的要求。本文對(duì)實(shí)現(xiàn)組合電阻式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述，與專用芯片法(硬件)和 PWM脈寬調(diào)制法(軟件)相比，性價(jià)比較好。儀表指針跟蹤位置的準(zhǔn)確性、快速性及運(yùn)行平穩(wěn)性都超過了普通模擬指針表的功能，有著較強(qiáng)的通用性和廣闊的應(yīng)用前景。該儀表已通過廠家的裝船測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并已交付使用，運(yùn)行正常。

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