步進電機變頻技術(shù)的應(yīng)用

航海羅經(jīng)模擬器的組成結(jié)構(gòu)原理是：船舶舵輪的轉(zhuǎn)動引起了船舶航向的改變，同時也就引起了船舶羅經(jīng)讀數(shù)的變化。當(dāng)羅經(jīng)模擬器要求轉(zhuǎn)動的角度偏大時，設(shè)計應(yīng)用變頻轉(zhuǎn)動的方法來克服轉(zhuǎn)動時間過長的缺點，也就是給出一個具體需要轉(zhuǎn)動的航向值，該模擬器能夠迅速有效地按照要求轉(zhuǎn)到該值。

步進電機的選用與設(shè)計

步進電機具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點，具有瞬間起動與急速停止的優(yōu)越特性。與其他驅(qū)動元件相比，有明顯優(yōu)點：通常不需要反饋就能對位移或速度進行精確控制;輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會積累;控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，與數(shù)字設(shè)備兼容，價格便宜。它每轉(zhuǎn)一周有固定步數(shù)，能夠精確控制步進和接收數(shù)字量。為了便于數(shù)據(jù)的處理和驅(qū)動，設(shè)計了由步進電機帶動減速齒輪，再由齒輪帶動羅經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)盤，為了提高數(shù)據(jù)精度和提高電機的負(fù)載能力，將減速比設(shè)計為：1:90(比值越小，精度越高，但是比值太小對控制和響應(yīng)頻率要求就太高了)。步進電機的通電方式可采用三相雙六拍通電方式，即按照a、ab、b、bc、c、ca順序循環(huán)通電，這樣步進電機中每個脈沖能驅(qū)動1.5度。三相雙六拍通電的控制模型如表1。

步進電機的驅(qū)動采用軟件設(shè)置和功率放大電路來實現(xiàn)，其中功率放大器也稱為驅(qū)動電路，其作用是將脈沖發(fā)生器的輸出脈沖進行功率放大，給步進電機相繞組提供足夠的電流，驅(qū)動步進電機正常工作。對功率放大器的要求包括：能提供足夠的幅值;前后沿較陡的勵磁電流;功耗小，效率高;運行穩(wěn)定可靠，便于維修而且成本低。

軟件設(shè)計中脈沖波的要求

這里利用mcs-51系列單片機中的p1口來進行控制，因為p1是8位準(zhǔn)雙向i/o口，每一位可以獨立地定義為輸入或輸出，所以，既可以對p1口進行字節(jié)操作也可以進行位的操作。mcs-51系列單片機中有兩個16位的可編程定時器/計數(shù)器，定時器/計數(shù)器ct0由計數(shù)器th0和tl0組成，ct1由th1和tl1組成，th、tl分別為8位計數(shù)器，若拼接在一起就可組成16位計數(shù)器。

計算tl、th初值

應(yīng)用cto產(chǎn)生1ms的定時，并使p1產(chǎn)生2ms的方波，設(shè)系統(tǒng)晶振頻率為12mhz。設(shè)12m晶振的周期：t=12/fosc=12/(12×10-6)=1×10-6(us)設(shè)定時初值為x，則有：(216-x)×1×10-6=10-3解算得x=65036=fe0c(h);所以tl0初值設(shè)為0ch;th0初值設(shè)為feh，這樣每秒能產(chǎn)生1000個方波。當(dāng)改變初值x時，就能改變延時時間，x值越小，延時時間就越長，脈沖寬度也越寬。

計算并設(shè)置轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)

因為模擬航海羅經(jīng)的精度為一格(即0.1度)，同時減速裝置是1：90，所以電機每步應(yīng)轉(zhuǎn)動9度，又因為每個脈沖使電機轉(zhuǎn)動1.5度，所以每步要求有6個脈沖，因此步長要設(shè)置為6。按照上表得知若以a、ab、b、bc、c、ca、a循環(huán)，則控制脈沖為：01h，03h，02h，06h，04h，05h;編程時采用查表法來實現(xiàn)，首先將步進電機通電方式運行邏輯數(shù)據(jù)列成表格，存入計算機指定內(nèi)存，并設(shè)置數(shù)據(jù)指針，指針自動向下移動或向上移動一組數(shù)據(jù)，使步進電機按規(guī)定的通電勵磁方式運行。這樣正轉(zhuǎn)模型按照地址順序的分配分別為：01h、03h、02h、06h、04h、05h、00h;同樣，反轉(zhuǎn)模型地址中的分配分別為：05h、04h、06h、02h、03h、01h、00h。

在快速轉(zhuǎn)動不同角度時的變頻設(shè)計思路

因為該模擬羅經(jīng)需要在任意時刻都能夠設(shè)置，所以當(dāng)在設(shè)置狀態(tài)和轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)大，使步進電機在短時間內(nèi)以比較快的速度運轉(zhuǎn)而不出現(xiàn)失步，就要求采用小于或等于步進電機的響應(yīng)頻率，在該頻率之下，步進電機可以隨意地啟動、停止或反轉(zhuǎn)而不發(fā)生失步現(xiàn)象。而步進電機的響應(yīng)頻率通常比較低，當(dāng)步進電機要求走轉(zhuǎn)動的度數(shù)比較多時，就對該電機提出了要求：低速啟動，高速運轉(zhuǎn)，然后降低速度，最后停止。這樣才能解決“快速而不失步”的要求。依照該思路，采用改變輸出脈沖寬度的方法，也就是改變控制定時器的延時，如圖1。

其中f為步進電機當(dāng)前運行的頻率l1為升頻運行階段;l2為高速運行階段;l3為降頻運行階段。利用定時器的延時，在升頻時，定時器的初值由小變大，在降頻時剛好相反，高速運行段初值不變。因為步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200～400ms。所以經(jīng)上式計算得如附表中的相應(yīng)定時初值。

按照附表得出高速運行階段：頻率為1000hz，2s能產(chǎn)生2000個脈沖，能使電機運轉(zhuǎn)最大度數(shù)為：2000×1.5=3000°，所以在高速階段2s內(nèi)電機能驅(qū)動羅經(jīng)轉(zhuǎn)動3000/90=34°，該數(shù)值已經(jīng)完全滿足模擬器轉(zhuǎn)動要求了。

程序設(shè)計

該模擬器的步進電機進行控制的一個重要條件是，計算當(dāng)前需要步進電機轉(zhuǎn)動的角度是多少，然后按照需要轉(zhuǎn)動的角度進行設(shè)置不同的電機所需要的三個階段的頻率即：升頻運行階段(啟動)、高速運行階段、降頻運行階段(減速)。程序的設(shè)計流程圖如圖2所示：其中針對需要正向或逆向轉(zhuǎn)動不同的角度，就需要選擇合適的脈沖值，也就是tl0和th0的初值就能夠輕松實現(xiàn)。

結(jié)語

利用步進電機和單片機來設(shè)計航海羅經(jīng)模擬器的方案是充分利用單片機的特點以及采用變頻的控制原理。此設(shè)計采用的硬件比較少，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，利于修改，并為將來程序功能的擴展留下了很好的余地。本設(shè)計對該模擬羅經(jīng)驅(qū)動效果為：連續(xù)工作20小時，誤差僅在2°以內(nèi)，完全符合模擬器的要求。