步進(jìn)電機變頻技術(shù)的應用

航海羅經(jīng)模擬器的組成結構原理是：船舶舵輪的轉動(dòng)引起了船舶航向的改變，同時(shí)也就引起了船舶羅經(jīng)讀數的變化。當羅經(jīng)模擬器要求轉動(dòng)的角度偏大時(shí)，設計應用變頻轉動(dòng)的方法來(lái)克服轉動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)的缺點(diǎn)，也就是給出一個(gè)具體需要轉動(dòng)的航向值，該模擬器能夠迅速有效地按照要求轉到該值。

步進(jìn)電機的選用與設計

步進(jìn)電機具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優(yōu)點(diǎn)，具有瞬間起動(dòng)與急速停止的優(yōu)越特性。與其他驅動(dòng)元件相比，有明顯優(yōu)點(diǎn)：通常不需要反饋就能對位移或速度進(jìn)行精確控制;輸出的轉角或位移精度高，誤差不會(huì )積累;控制系統結構簡(jiǎn)單，與數字設備兼容，價(jià)格便宜。它每轉一周有固定步數，能夠精確控制步進(jìn)和接收數字量。為了便于數據的處理和驅動(dòng)，設計了由步進(jìn)電機帶動(dòng)減速齒輪，再由齒輪帶動(dòng)羅經(jīng)數據轉盤(pán)，為了提高數據精度和提高電機的負載能力，將減速比設計為：1:90(比值越小，精度越高，但是比值太小對控制和響應頻率要求就太高了)。步進(jìn)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(jìn)電機中每個(gè)脈沖能驅動(dòng)1.5度。三相雙六拍通電的控制模型如表1。

步進(jìn)電機的驅動(dòng)采用軟件設置和功率放大電路來(lái)實(shí)現，其中功率放大器也稱(chēng)為驅動(dòng)電路，其作用是將脈沖發(fā)生器的輸出脈沖進(jìn)行功率放大，給步進(jìn)電機相繞組提供足夠的電流，驅動(dòng)步進(jìn)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;運行穩定可靠，便于維修而且成本低。

軟件設計中脈沖波的要求

這里利用mcs-51系列單片機中的p1口來(lái)進(jìn)行控制，因為p1是8位準雙向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(jìn)行字節操作也可以進(jìn)行位的操作。mcs-51系列單片機中有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)器/計數器，定時(shí)器/計數器ct0由計數器th0和tl0組成，ct1由th1和tl1組成，th、tl分別為8位計數器，若拼接在一起就可組成16位計數器。

計算tl、th初值

應用cto產(chǎn)生1ms的定時(shí)，并使p1產(chǎn)生2ms的方波，設系統晶振頻率為12mhz。設12m晶振的周期：t=12/fosc=12/(12×10-6)=1×10-6(us)設定時(shí)初值為x，則有：(216-x)×1×10-6=10-3解算得x=65036=fe0c(h);所以tl0初值設為0ch;th0初值設為feh，這樣每秒能產(chǎn)生1000個(gè)方波。當改變初值x時(shí)，就能改變延時(shí)時(shí)間，x值越小，延時(shí)時(shí)間就越長(cháng)，脈沖寬度也越寬。

計算并設置轉動(dòng)數據

因為模擬航海羅經(jīng)的精度為一格(即0.1度)，同時(shí)減速裝置是1：90，所以電機每步應轉動(dòng)9度，又因為每個(gè)脈沖使電機轉動(dòng)1.5度，所以每步要求有6個(gè)脈沖，因此步長(cháng)要設置為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(shí)采用查表法來(lái)實(shí)現，首先將步進(jìn)電機通電方式運行邏輯數據列成表格，存入計算機指定內存，并設置數據指針，指針自動(dòng)向下移動(dòng)或向上移動(dòng)一組數據，使步進(jìn)電機按規定的通電勵磁方式運行。這樣正轉模型按照地址順序的分配分別為：01h、03h、02h、06h、04h、05h、00h;同樣，反轉模型地址中的分配分別為：05h、04h、06h、02h、03h、01h、00h。

在快速轉動(dòng)不同角度時(shí)的變頻設計思路

因為該模擬羅經(jīng)需要在任意時(shí)刻都能夠設置，所以當在設置狀態(tài)和轉動(dòng)數據大，使步進(jìn)電機在短時(shí)間內以比較快的速度運轉而不出現失步，就要求采用小于或等于步進(jìn)電機的響應頻率，在該頻率之下，步進(jìn)電機可以隨意地啟動(dòng)、停止或反轉而不發(fā)生失步現象。而步進(jìn)電機的響應頻率通常比較低，當步進(jìn)電機要求走轉動(dòng)的度數比較多時(shí)，就對該電機提出了要求：低速啟動(dòng)，高速運轉，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(shí)器的延時(shí)，如圖1。

其中f為步進(jìn)電機當前運行的頻率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(shí)器的延時(shí)，在升頻時(shí)，定時(shí)器的初值由小變大，在降頻時(shí)剛好相反，高速運行段初值不變。因為步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要200～400ms。所以經(jīng)上式計算得如附表中的相應定時(shí)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(gè)脈沖，能使電機運轉最大度數為：2000×1.5=3000°，所以在高速階段2s內電機能驅動(dòng)羅經(jīng)轉動(dòng)3000/90=34°，該數值已經(jīng)完全滿(mǎn)足模擬器轉動(dòng)要求了。

程序設計

該模擬器的步進(jìn)電機進(jìn)行控制的一個(gè)重要條件是，計算當前需要步進(jìn)電機轉動(dòng)的角度是多少，然后按照需要轉動(dòng)的角度進(jìn)行設置不同的電機所需要的三個(gè)階段的頻率即：升頻運行階段(啟動(dòng))、高速運行階段、降頻運行階段(減速)。程序的設計流程圖如圖2所示：其中針對需要正向或逆向轉動(dòng)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(shí)現。

結語(yǔ)

利用步進(jìn)電機和單片機來(lái)設計航海羅經(jīng)模擬器的方案是充分利用單片機的特點(diǎn)以及采用變頻的控制原理。此設計采用的硬件比較少，軟件采用模塊化結構，利于修改，并為將來(lái)程序功能的擴展留下了很好的余地。本設計對該模擬羅經(jīng)驅動(dòng)效果為：連續工作20小時(shí)，誤差僅在2°以?xún)?，完全符合模擬器的要求。