深圳海旭儀器儀表有限公司
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閱讀：16發(fā)布時間：2026-5-27
船用儀表用步進電機細分驅(qū)動的實現(xiàn)（一）
（本參數(shù)表由共立、福祿克、德圖、DeltaTRAK華南區(qū)總代理—深圳海旭儀器儀表提供）
介紹一種基于組合電阻式步進電機細分驅(qū)動的原理，并給出用該方法實現(xiàn)的船用柴油機狀態(tài)監(jiān)控儀表。儀表實現(xiàn)了對船用柴油機的轉(zhuǎn)速、機油壓力、機油溫度、冷卻水溫度、電瓶電壓等參數(shù)進行實時顯示監(jiān)控的功能。設(shè)計采用軟硬件相結(jié)合的驅(qū)動方法，既保障了系統(tǒng)的可靠性，又降低了儀表成本。
船用儀表從工作原理上區(qū)分，有模擬式儀表和數(shù)字式儀表[1]。以模擬量組合單元儀表為主的監(jiān)控儀表所需要的器件數(shù)量多，指示精度低。數(shù)字式船用儀表多為LED數(shù)碼管顯示方式，雖然分辨率高，但不夠直觀，尤其在單屏面上顯示多個數(shù)據(jù)時，不利于進行遠距離觀察，而且它顯示的是單純的一個數(shù)據(jù)，沒有在一定范圍內(nèi)進行顯示，觀察人員還需將觀察到的數(shù)據(jù)再過濾比較，才能對運行狀況作出判斷，不利于發(fā)現(xiàn)異常情況。因此為了既適應(yīng)船用儀表的需要，又滿足人機工程的要求，本文提出了一種全數(shù)字步進電機式船用柴油機狀態(tài)監(jiān)控儀表，與傳統(tǒng)的模擬量為傳輸量的指針式儀表不同的是，它把數(shù)字量用步進電機式指針進行了模擬式指示，將數(shù)字顯示的準確性和模擬指示的直觀性結(jié)合在一起，克服了以往模擬式儀表指針指示的非線性、抖動、卡滯等現(xiàn)象，指針示值準確、能夠快速追蹤參數(shù)的變化，運行平穩(wěn)。
1、步進電機式船用儀表的總體設(shè)計方案
步進電機式船用儀表總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，本設(shè)計采用帶有LCD顯示模塊的PIC核的單片機作為控制器，對柴油機運行參數(shù)（包括轉(zhuǎn)速、機油壓力、機油溫度、冷卻水溫度、電瓶電壓等）進行數(shù)據(jù)采集，把數(shù)據(jù)處理成相對應(yīng)的步進電機式指針要走的步數(shù)，并在指針式儀表上進行顯示。選用的VID29-05步進電機為兩相步進電機，內(nèi)置減速比180/1的齒輪系，可用分步模式或微步模式驅(qū)動。輸出軸的步距角最小可以達到(1/12)。，角速度為600。／s。
2步進電機組合電阻式細分驅(qū)動的硬件設(shè)計
步進電機是把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的執(zhí)行元件，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖相對應(yīng)的增量驅(qū)動元件[2]。步進電機的運行方式主要有整步、分步、微步3種[3]。為了使儀表指針能夠高精度地準確定位，使步進電機平穩(wěn)、無卡滯地運行，減少電機的振蕩和噪聲，需要對步進電機進行細分驅(qū)動，即微步模式。步進電機的細分驅(qū)動方式有專用芯片法和PWM脈寬調(diào)制法。專用芯片法采用硬件的方法實現(xiàn)步進電機的細分驅(qū)動，容易實現(xiàn)，但成本較高。PWM脈寬調(diào)制法采用PWM脈沖直接對步進電機進行驅(qū)動，采用軟件的方式實現(xiàn)，驅(qū)動硬件成本較低，但需要多路PWM模塊，對單片機的選型要求較高。因此綜合成本和實用性兩方面的因素考慮后，本設(shè)計提出一種基于組合電阻式的步進電機細分驅(qū)動方法，該驅(qū)動方式的硬件為3個電阻的組合，成本低，原理簡單，易實現(xiàn)。驅(qū)動軟件為儀表指針跟蹤算法的設(shè)計，不需要單片機的PWM模塊，實用性較強。在本設(shè)計中勵磁繞組采用階梯型電壓驅(qū)動，在繞組上進行電流疊加，即每經(jīng)過一個細分信號周期，單片機輸出到電機線圈的電壓順次發(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，使電機能更平穩(wěn)地運行。組合電阻式細分驅(qū)動是指步進電機每一相線圈一端與單片機的I/O口相連，另一端與N個阻值不同、處于并聯(lián)方式的電阻相連，N個電阻的數(shù)量和取值大小需要考慮電機內(nèi)部線圈電阻，以便產(chǎn)生能夠驅(qū)動電機的、接近于正弦波的階梯波形。單片機與步進電機之間無專用驅(qū)動芯片。并聯(lián)電阻N的個數(shù)越多，則步進電機每一相上出現(xiàn)的狀態(tài)就越多，細分的程度也越高。 如Ml、M2為步進電機的一相繞
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(nèi)置減速比為180/1的齒輪系，因此一個微步表示指針轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動15。。VID29-05步進電機一個周期共有6個分步，即每個分步相位相差60。，每個分步可以細分為4個微步，整個周期細分為24個微步，即24細分，其對稱的階梯波形圖。因為有12個不同的對稱階梯數(shù)值，故選取3個不同阻值的電阻與步進電機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個電阻相并聯(lián)，VID29-05步進電機的每相內(nèi)部繞組電阻為210 7贅，單片機I/O口輸出電壓為5
V，再根據(jù)VID29-05步進電機微步驅(qū)動的各相電流值，可以計算出3個電阻與電機內(nèi)部繞組在電路中的總等效電阻值和步進電機一相繞組上的電壓值，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可選配3個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，QA、QB、QC有8種組合可選，除去輸出全高狀態(tài)（因為若QA、QB、QC、QD全為高時，就沒有電流輸出），可根據(jù)需要取出其中的6種狀態(tài)。當QD輸出低電平時，同理可取出除去全低狀態(tài)外的的6種狀態(tài)，由此可得到12個值。將此12個值進行x軸對稱則可得出另一組階梯波。將整組數(shù)據(jù)建成一個表，通過查表的方式就可以控制步進電機。（未完待續(xù).........）
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