基于細分驅動(dòng)的船用儀表步進(jìn)電機控制的實(shí)現

在本設計中勵磁繞組采用階梯型電壓驅動(dòng)，在繞組上進(jìn)行電流疊加，即每經(jīng)過(guò)一個(gè)細分信號周期，單片機輸出到電機線(xiàn)圈的電壓順次發(fā)生變化，使得通過(guò)線(xiàn)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，使電機能更平穩地運行。

組合電阻式細分驅動(dòng)是指步進(jìn)電機每一相線(xiàn)圈一端與單片機的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)電阻的數量和取值大小需要考慮電機內部線(xiàn)圈電阻，以便產(chǎn)生能夠驅動(dòng)電機的、接近于正弦波的階梯波形。單片機與步進(jìn)電機之間無(wú)專(zhuān)用驅動(dòng)芯片。圖2所示為該24細分驅動(dòng)法的硬件電路圖。

圖中M1、M2為步進(jìn)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(gè)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）°，而它內置減速比為180/1的齒輪系，因此一個(gè)微步表示指針轉子轉動(dòng)15°。VID29-05步進(jìn)電機一個(gè)周期共有6個(gè)分步，即每個(gè)分步相位相差60°，每個(gè)分步可以細分為4個(gè)微步，整個(gè)周期細分為24個(gè)微步，即24細分，其對稱(chēng)的階梯波形圖如圖3所示。

因為有12個(gè)不同的對稱(chēng)階梯數值，故選取3個(gè)不同阻值的電阻與步進(jìn)電機繞組線(xiàn)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)電機的每相內部繞組電阻為210 ?贅，單片機I/O口輸出電壓為5 V,再根據VID29-05步進(jìn)電機微步驅動(dòng)的各相電流值，可以計算出3個(gè)電阻與電機內部繞組在電路中的總等效電阻值和步進(jìn)電機一相繞組上的電壓值，根據這些數據就可選配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)，可根據需要取出其中最適合的6種狀態(tài)。當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。

3 步進(jìn)電機組合電阻式細分驅動(dòng)的軟件設計

3.1 指示參數位置與步進(jìn)電機微步數的關(guān)系

在本設計中，要顯示的參數有溫度、壓力、轉速和電壓。溫度顯示范圍為40 ℃~120 ℃，壓力顯示范圍為0~1 MPa，轉速顯示范圍為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(jìn)電機微步數的計算關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明，其余三表類(lèi)似。根據廠(chǎng)家給定的溫度面板滿(mǎn)量程刻度為112.5°，步進(jìn)電機細分驅動(dòng)中每一步旋轉角度（1/12）°，因此當達到滿(mǎn)量程時(shí)步進(jìn)電機的微步數為step=112.5×12=1 350 步。但溫度是從40 ℃開(kāi)始顯示的，應將40 ℃作為指示零點(diǎn)，且滿(mǎn)量程為120 ℃，滿(mǎn)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，指針應走過(guò)的物理角度為（112.5/80）°，溫度與電壓近似成線(xiàn)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：

根據式（2）和式（3）就可計算出相對應的目標溫度值y,再根據式（4）就可計算出目標溫度相對應的儀表指針位置，即指針距初始點(diǎn)（“40 ℃”點(diǎn)）的微步數。將此位置與指針的當前位置進(jìn)行比較，即可得到指針應轉動(dòng)的方向和轉角。