基于细分驱动的船用仪表步进电机控制的实现

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 船用仪表从工作原理上区分,有模拟式仪表和数字式仪表。以模拟量组合单元仪表为主的监控仪表所需要的器件数量多,指示精度低。数字式船用仪表多为LED数码管显示方式,LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的,加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后,这些特定的段就会发亮,以形成我们眼睛看到的字样了。如:显示一个“2”字,那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分,也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成,而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成,一般情况下,单个发光二极管的管压降为1.8V左右,电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管,发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。因此为了既适应船用仪表的需要,又满足人机工程的要求,本文提出了一种全数字步进电机式船用柴油机状态监控仪表,与传统的模拟量为传输量的指针式仪表不同的是,它把数字量用步进电机式指针进行了模拟式指示,将数字显示的准确性和模拟指示的直观性结合在一起,克服了以往模拟式仪表指针指示的非线性、抖动、卡滞等现象,指针示值准确、能够快速追踪参数的变化,运行平稳。

  1 步进电机式船用仪表的总体设计方案

步进电机式船用仪表总体结构框图如图1所示,本设计采用带有LCD显示模块的PIC核的单片机作为控制器,采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离,即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行,且由于一般指令线宽于数据线,使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息,执行效率更高,速度亦更快。同时,这种单片机指令多为单字节,程序存储器的空间利用率大大提高,有利于实现超小型化。属于CISC结构的单片机有Motorola的M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Philips的PCF80C51系列等;属于RISC结构的有Intel8051系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。


2 步进电机组合电阻式细分驱动的硬件设计

  步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

步进电机的细分驱动方式有专用芯片法和PWM脉宽调制法。专用芯片法采用硬件的方法实现步进电机的细分驱动,容易实现,但成本较高。PWM脉宽调制法采用PWM脉冲直接对步进电机进行驱动,采用软件的方式实现,驱动硬件成本较低,但需要多路PWM模块,对单片机的选型要求较高。因此综合成本和实用性两方面的因素考虑后,本设计提出一种基于组合电阻式的步进电机细分驱动方法,该驱动方式的硬件为3个电阻的组合,成本低,原理简单,易实现。

  在本设计中励磁绕组采用阶梯型电压驱动,在绕组上进行电流叠加,即每经过一个细分信号周期,单片机输出到电机线圈的电压顺次发生变化,使得通过线圈的电流按上述公式产生接近正弦波的变化,逐渐增大或减少,而不是一次性地通入或切断,使电机能更平稳地运行。

组合电阻式细分驱动是指步进电机每一相线圈一端与单片机的I/O口相连,另一端与N个阻值不同、处于并联方式的电阻相连,N个电阻的数量和取值大小需要考虑电机内部线圈电阻,以便产生能够驱动电机的、接近于正弦波的阶梯波形。单片机与步进电机之间无专用驱动芯片。图2所示为该24细分驱动法的硬件电路图。

图中M1、M2为步进电机的一相绕组,M3、M4为另一相绕组,SN74HC595是串行输入并行输出芯片,用作扩展PIC单片机的I/O口,每一相绕组上都接有3个并联的电阻。因为VID29-05输出轴的步距角最小可以达到(1/12)°,而它内置减速比为180/1的齿轮系,因此一个微步表示指针转子转动15°。VID29-05步进电机一个周期共有6个分步,即每个分步相位相差60°,每个分步可以细分为4个微步,整个周期细分为24个微步,即24细分,其对称的阶梯波形图如图3所示。

因为有12个不同的对称阶梯数值,故选取3个不同阻值的电阻与步进电机绕组线圈电阻一起就能得到16种逻辑组合,选取其中最合适的12种即可。在硬件电路中每一相都有3个电阻相并联,VID29-05步进电机的每相内部绕组电阻为210 ?赘,单片机I/O口输出电压为5 V,再根据VID29-05步进电机微步驱动的各相电流值,可以计算出3个电阻与电机内部绕组在电路中的总等效电阻值和步进电机一相绕组上的电压值,根据这些数据就可选配3个电阻的阻值和控制电阻引脚的电平逻辑。当QD输出高电平时,QA、QB、QC有8种组合可选,除去输出全高状态,可根据需要取出其中最适合的6种状态。当QD输出低电平时,同理可取出除去全低状态外的最适合的6种状态,由此可得到12个值。

  3 步进电机组合电阻式细分驱动的软件设计

3.1 指示参数位置与步进电机微步数的关系

在本设计中,要显示的参数有温度、压力、转速和电压。温度显示范围为40 ℃~120 ℃,压力显示范围为0~1 MPa,转速显示范围为0~3 000 r/min,电压显示范围为18 V~32 V。在此对温度显示与步进电机微步数的计算关系进行说明,其余三表类似。根据厂家给定的温度面板满量程刻度为112.5°,步进电机细分驱动中每一步旋转角度(1/12)°,因此当达到满量程时步进电机的微步数为step=112.5×12=1 350 步。但温度是从40 ℃开始显示的,应将40 ℃作为指示零点,且满量程为120 ℃,满量程点与初始点相差温度为80 ℃,而它们之间的物理角度差为112.5°,因此温度每相差一度,指针应走过的物理角度为(112.5/80)°,温度与电压近似成线性关系,如图4所示的温度-电压关系图,由此可得关系式:

根据式(2)和式(3)就可计算出相对应的目标温度值y,再根据式(4)就可计算出目标温度相对应的仪表指针位置,即指针距初始点(“40 ℃”点)的微步数。将此位置与指针的当前位置进行比较,即可得到指针应转动的方向和转角。

由于温度与电压之间的非线性关系及电机齿轮的误差影响,导致满度定位有偏差,可以通过分段线性处理的方法,在半满量程点、2/3满量程点和满量程点,对式(4)进行补偿修正,从而获得准确的定位。

3.2 仪表指针跟踪算法的实现

仪表指针运行的效果要求平滑且跟踪快,要满足这两项要求,必须要有好的升降频控制算法,因此必须在软件设计上配合实现硬件电路的细分驱动。硬件电路提供驱动步进电机的阶梯波形,软件设计将控制此波形的时间间隔,使得指针快速、精准地定位,并且平滑、无卡滞地运行。

常用的升降频控制方法有3种:直线升降频、指数曲线升降频、抛物线升降频。直线升降频是以恒定的加速度进行升降,平稳性较好,适用于速度变化较大的快速定位方式。软件实现比较简单,但其加速度时间比较长。指数升降频控制具有较强的跟踪能力,但当速度变化较大的时侯其平衡性较差。抛物线升降频是将直线升降频和指数曲线升降频相融合,充分考虑到步进电机低速时的有效转矩,使升降速的时间大为缩短,同时又考虑使其具有较强的跟踪能力。

指针跟踪程序流程图如图5所示,查参数-微步数表得到目标微步数后,与当前位置比较确定指针的转动方向和转角。为使指针能快速跟踪、准确定位,需要按抛物线升降频法,建立一张位置差值-指针速度表,当目标位置离当前位置较远时,指针速度较快,反之则较慢,如参数突然变化较大,不能直接从上一较快(较慢)的指针速度一次变化到较慢(较快)的目标速度,会使指针产生卡滞、抖动等现象。

将步进电机应用到船用仪表中,推动了数字化指针仪表的发展,显示方式更符合人机工程学的要求。本文对实现组合电阻式步进电机细分驱动的软硬件设计进行了描述,与专用芯片法(硬件)和PWM脉宽调制法(软件)相比,性价比较好。仪表指针跟踪位置的准确性、快速性及运行平稳性都超过了普通模拟指针表的功能,有着较强的通用性和广阔的应用前景。

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