基于細(xì)分驅(qū)動(dòng)的船用儀表步進(jìn)電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)

在本設(shè)計(jì)中勵(lì)磁繞組采用階梯型電壓驅(qū)動(dòng)，在繞組上進(jìn)行電流疊加，即每經(jīng)過一個(gè)細(xì)分信號(hào)周期，單片機(jī)輸出到電機(jī)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(jī)能更平穩(wěn)地運(yùn)行。

組合電阻式細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指步進(jìn)電機(jī)每一相線圈一端與單片機(jī)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(shù)量和取值大小需要考慮電機(jī)內(nèi)部線圈電阻，以便產(chǎn)生能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的、接近于正弦波的階梯波形。單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)之間無專用驅(qū)動(dòng)芯片。圖2所示為該24細(xì)分驅(qū)動(dòng)法的硬件電路圖。

圖中M1、M2為步進(jìn)電機(jī)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(kuò)展PIC單片機(jī)的I/O口，每一相繞組上都接有3個(gè)并聯(lián)的電阻。因?yàn)閂ID29-05輸出軸的步距角最小可以達(dá)到（1/12）°，而它內(nèi)置減速比為180/1的齒輪系，因此一個(gè)微步表示指針轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)15°。VID29-05步進(jìn)電機(jī)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(xì)分為4個(gè)微步，整個(gè)周期細(xì)分為24個(gè)微步，即24細(xì)分，其對(duì)稱的階梯波形圖如圖3所示。

因?yàn)橛?2個(gè)不同的對(duì)稱階梯數(shù)值，故選取3個(gè)不同阻值的電阻與步進(jìn)電機(jī)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(gè)電阻相并聯(lián)，VID29-05步進(jìn)電機(jī)的每相內(nèi)部繞組電阻為210 ?贅，單片機(jī)I/O口輸出電壓為5 V,再根據(jù)VID29-05步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)的各相電流值，可以計(jì)算出3個(gè)電阻與電機(jī)內(nèi)部繞組在電路中的總等效電阻值和步進(jìn)電機(jī)一相繞組上的電壓值，根據(jù)這些數(shù)據(jù)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(dāng)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(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(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(jī)組合電阻式細(xì)分驅(qū)動(dòng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 指示參數(shù)位置與步進(jìn)電機(jī)微步數(shù)的關(guān)系

在本設(shè)計(jì)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(duì)溫度顯示與步進(jìn)電機(jī)微步數(shù)的計(jì)算關(guān)系進(jìn)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(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)中每一步旋轉(zhuǎn)角度（1/12）°，因此當(dāng)達(dá)到滿量程時(shí)步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)，且滿量程為120 ℃，滿量程點(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(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(jì)算出相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)溫度值y,再根據(jù)式（4）就可計(jì)算出目標(biāo)溫度相對(duì)應(yīng)的儀表指針位置，即指針距初始點(diǎn)（“40 ℃”點(diǎn)）的微步數(shù)。將此位置與指針的當(dāng)前位置進(jìn)行比較，即可得到指針應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和轉(zhuǎn)角。