船用儀表用步進電機細分驅(qū)動的實現(xiàn)

摘 要： 介紹了一種基于組合電阻式步進電機細分驅(qū)動的原理，并給出用該方法實現(xiàn)的船用柴油機狀態(tài)監(jiān)控儀表。儀表實現(xiàn)了對船用柴油機的轉(zhuǎn)速、機油壓力、機油溫度、冷卻水溫度、電瓶電壓等參數(shù)進行實時顯示監(jiān)控的功能。設(shè)計采用軟硬件相結(jié)合的驅(qū)動方法，既保障了系統(tǒng)的可靠性，又降低了儀表成本。
關(guān)鍵詞： 船用儀表；步進電機；細分驅(qū)動；組合電阻

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LED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數(shù)據(jù)時，不利于進行遠距離觀察，而且它顯示的是單純的一個數(shù)據(jù)，沒有在一定范圍內(nèi)進行顯示，觀察人員還需將觀察到的數(shù)據(jù)再過濾比較,才能對運行狀況作出判斷，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，又滿足人機工程的要求，本文提出了一種全數(shù)字步進電機式船用柴油機狀態(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)字量用步進電機式指針進行了模擬式指示，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、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，運行平穩(wěn)。
1 步進電機式船用儀表的總體設(shè)計方案
步進電機式船用儀表總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，本設(shè)計采用帶有LCD顯示模塊的PIC核的單片機作為控制器，對柴油機運行參數(shù)(包括轉(zhuǎn)速、機油壓力、機油溫度、冷卻水溫度、電瓶電壓等)進行數(shù)據(jù)采集，把數(shù)據(jù)處理成相對應(yīng)的步進電機式指針要走的步數(shù)，并在指針式儀表上進行顯示。選用的VID29-05步進電機為兩相步進電機，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。輸出軸的步距角最小可以達到(1/12)°，最大角速度為600 °/s。

2 步進電機組合電阻式細分驅(qū)動的硬件設(shè)計
步進電機是把脈沖信號轉(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)字脈沖相對應(yīng)的增量驅(qū)動元件[2]。步進電機的運行方式主要有整步、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，使步進電機平穩(wěn)、無卡滯地運行，減少電機的振蕩和噪聲，需要對步進電機進行細分驅(qū)動，即微步模式。
步進電機的細分驅(qū)動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現(xiàn)步進電機的細分驅(qū)動，容易實現(xiàn)，但成本較高。PWM脈寬調(diào)制法采用PWM脈沖直接對步進電機進行驅(qū)動，采用軟件的方式實現(xiàn)，驅(qū)動硬件成本較低，但需要多路PWM模塊，對單片機的選型要求較高。因此綜合成本和實用性兩方面的因素考慮后，本設(shè)計提出一種基于組合電阻式的步進電機細分驅(qū)動方法，該驅(qū)動方式的硬件為3個電阻的組合，成本低，原理簡單，易實現(xiàn)。驅(qū)動軟件為儀表指針跟蹤算法的設(shè)計，不需要單片機的PWM模塊，實用性較強。

在本設(shè)計中勵磁繞組采用階梯型電壓驅(qū)動，在繞組上進行電流疊加，即每經(jīng)過一個細分信號周期，單片機輸出到電機線圈的電壓順次發(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，使電機能更平穩(wěn)地運行。
組合電阻式細分驅(qū)動是指步進電機每一相線圈一端與單片機的I/O口相連，另一端與N個阻值不同、處于并聯(lián)方式的電阻相連，N個電阻的數(shù)量和取值大小需要考慮電機內(nèi)部線圈電阻，以便產(chǎn)生能夠驅(qū)動電機的、接近于正弦波的階梯波形。單片機與步進電機之間無專用驅(qū)動芯片。并聯(lián)電阻N的個數(shù)越多，則步進電機每一相上出現(xiàn)的狀態(tài)就越多，細分的程度也越高。圖2所示為該24細分驅(qū)動法的硬件電路圖。

圖中M1、M2為步進電機的一相繞組，M3、M4為另一相繞組，SN74HC595是串行輸入并行輸出芯片，用作擴展PIC單片機的I/O口，每一相繞組上都接有3個并聯(lián)的電阻。因為VID29-05輸出軸的步距角最小可以達到(1/12)°，而它內(nèi)置減速比為180/1的齒輪系，因此一個微步表示指針轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動15°。VID29-05步進電機一個周期共有6個分步，即每個分步相位相差60°，每個分步可以細分為4個微步，整個周期細分為24個微步，即24細分，其對稱的階梯波形圖如圖3所示。

因為有12個不同的對稱階梯數(shù)值，故選取3個不同阻值的電阻與步進電機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個電阻相并聯(lián)，VID29-05步進電機的每相內(nèi)部繞組電阻為210 ?贅，單片機I/O口輸出電壓為5 V,再根據(jù)VID29-05步進電機微步驅(qū)動的各相電流值，可以計算出3個電阻與電機內(nèi)部繞組在電路中的總等效電阻值和步進電機一相繞組上的電壓值，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可選配3個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，QA、QB、QC有8種組合可選，除去輸出全高狀態(tài)(因為若QA、QB、QC、QD全為高時，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，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個值。將此12個值進行x軸對稱則可得出另一組階梯波。將整組數(shù)據(jù)建成一個表，通過查表的方式就可以控制步進電機。
3 步進電機組合電阻式細分驅(qū)動的軟件設(shè)計
3.1 指示參數(shù)位置與步進電機微步數(shù)的關(guān)系
在本設(shè)計中，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。在此對溫度顯示與步進電機微步數(shù)的計算關(guān)系進行說明，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°，步進電機細分驅(qū)動中每一步旋轉(zhuǎn)角度(1/12)°，因此當(dāng)達到滿量程時步進電機的微步數(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，且滿量程為120 ℃，滿量程點與初始點相差溫度為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）就可計算出相對應(yīng)的目標(biāo)溫度值y,再根據(jù)式（4）就可計算出目標(biāo)溫度相對應(yīng)的儀表指針位置，即指針距初始點(“40 ℃”點)的微步數(shù)。將此位置與指針的當(dāng)前位置進行比較，即可得到指針應(yīng)轉(zhuǎn)動的方向和轉(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、2/3滿量程點和滿量程點，對式（4）進行補償修正，從而獲得準(zhǔn)確的定位。
3.2 儀表指針跟蹤算法的實現(xiàn)
儀表指針運行的效果要求平滑且跟蹤快，要滿足這兩項要求，必須要有好的升降頻控制算法，因此必須在軟件設(shè)計上配合實現(xiàn)硬件電路的細分驅(qū)動。硬件電路提供驅(qū)動步進電機的階梯波形，軟件設(shè)計將控制此波形的時間間隔，使得指針快速、精準(zhǔn)地定位，并且平滑、無卡滯地運行。主要包括指針歸零模塊、分頻驅(qū)動中斷模塊、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。軟件實現(xiàn)比較簡單，但其加速度時間比較長。指數(shù)升降頻控制具有較強的跟蹤能力，但當(dāng)速度變化較大的時侯其平衡性較差。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，充分考慮到步進電機低速時的有效轉(zhuǎn)矩，使升降速的時間大為縮短，同時又考慮使其具有較強的跟蹤能力，這是一種比較好的升降頻控制方法，本設(shè)計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)前位置較遠時，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，會使指針產(chǎn)生卡滯、抖動等現(xiàn)象，此時應(yīng)在程序中控制指針?biāo)俣葷u進的變化。

將步進電機應(yīng)用到船用儀表中，推動了數(shù)字化指針儀表的發(fā)展，顯示方式更符合人機工程學(xué)的要求。本文對實現(xiàn)組合電阻式步進電機細分驅(qū)動的軟硬件設(shè)計進行了描述，與專用芯片法(硬件)和PWM脈寬調(diào)制法(軟件)相比，性價比較好。儀表指針跟蹤位置的準(zhǔn)確性、快速性及運行平穩(wěn)性都超過了普通模擬指針表的功能，有
著較強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試，各項指標(biāo)達到設(shè)計要求，并已交付使用，運行正常。

參考文獻
[1] 陳立軍，黃學(xué)武，鄭華耀.SMSC船用智能儀表的研究[J].自動化與儀表，2007,22（4）：21-24.
[2] 胡惟文，蔡劍華，王先春.基于FPGA的步進電機均勻細 分驅(qū)動器的實現(xiàn)[J].微計算機信息，2008，24（2）：183-184.
[3] 李錚,鮮繼清,王平.直驅(qū)型數(shù)控指針式儀表的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報，2007，28（2）：327-330.
[4] 李明泉.功率步進電機升降頻過程的最優(yōu)控制[J].微電機,1988（4）：8-16.