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　　摘要：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(jìn)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(jìn)電機式指針進(jìn)行了模擬式指示，將數(shù)字顯示的準(zhǔn)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(zhǔn)確、能夠快速追蹤參數(shù)的變化，運行平穩(wěn)。
　　
　　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。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，LED數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個“2”字，那么應(yīng)當(dāng)是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED數(shù)碼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。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個或多個發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個發(fā)光二極管的管壓降為1.8V左右，電流不超過30mA。發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負(fù)極的稱為共陰數(shù)碼管。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(jìn)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(jìn)電機式指針進(jìn)行了模擬式指示，將數(shù)字顯示的準(zhǔn)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(zhǔn)確、能夠快速追蹤參數(shù)的變化，運行平穩(wěn)。
　　
　　1、步進(jìn)電機式船用儀表的總體設(shè)計方案
　　
　　步進(jìn)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，采用RISC結(jié)構(gòu)的單片機數(shù)據(jù)線和指令線分離，即所謂哈佛結(jié)構(gòu)。這使得取指令和取數(shù)據(jù)可同時進(jìn)行，且由于一般指令線寬于數(shù)據(jù)線，使其指令較同類CISC單片機指令包含更多的處理信息，執(zhí)行效率更高，速度亦更快。同時，這種單片機指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實現(xiàn)超小型化。屬于CISC結(jié)構(gòu)的單片機有Motorola的M68HC系列、Atmel的AT89系列、中國臺灣Winbond（華邦）W78系列、荷蘭Philips的PCF80C51系列等；屬于RISC結(jié)構(gòu)的有In8051系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韓國三星公司的KS57C系列4位單片機、中國臺灣義隆的EM-78系列等。　　
　　2、步進(jìn)電機組合電阻式細(xì)分驅(qū)動的硬件設(shè)計
　　
　　步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
　　
　　步進(jìn)電機的細(xì)分驅(qū)動方式有芯片法和PWM脈寬調(diào)制法。芯片法采用硬件的方法實現(xiàn)步進(jìn)電機的細(xì)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(jìn)電機進(jìn)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(jìn)電機細(xì)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)。
　　
　　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(jìn)行電流疊加，即每經(jīng)過一個細(xì)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(xì)分驅(qū)動是指步進(jìn)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(jìn)電機之間無驅(qū)動芯片。圖2所示為該24細(xì)分驅(qū)動法的硬件電路圖。　　
　　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個并聯(lián)的電阻。因為VID29-05輸出軸的步距角zui小可以達(dá)到（1/12）°，而它內(nèi)置減速比為180/1的齒輪系，因此一個微步表示指針轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動15°。VID29-05步進(jìn)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(xì)分為4個微步，整個周期細(xì)分為24個微步，即24細(xì)分，其對稱的階梯波形圖如圖3所示。　　
　　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(jìn)電機繞組線圈電阻一起就能得到16種邏輯組合，選取其中zui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(jìn)電機的每相內(nèi)部繞組電阻為210?贅，單片機I/O口輸出電壓為5V,再根據(jù)VID29-05步進(jìn)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(jìn)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(dāng)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)，可根據(jù)需要取出其中的6種狀態(tài)。當(dāng)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。
　　
　　3、步進(jìn)電機組合電阻式細(xì)分驅(qū)動的軟件設(shè)計
　　
　　3.1指示參數(shù)位置與步進(jìn)電機微步數(shù)的關(guān)系
　　
　　在本設(shè)計中，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0~1MPa，轉(zhuǎn)速顯示范圍為0~3000r/min，電壓顯示范圍為18V~32V。在此對溫度顯示與步進(jìn)電機微步數(shù)的計算關(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)電機細(xì)分驅(qū)動中每一步旋轉(zhuǎn)角度（1/12）°，因此當(dāng)達(dá)到滿量程時步進(jìn)電機的微步數(shù)為step=112.5×12=1350步。但溫度是從40℃開始顯示的，應(yīng)將40℃作為指示零點，且滿量程為120℃，滿量程點與初始點相差溫度為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）就可計算出相對應(yīng)的目標(biāo)溫度值y,再根據(jù)式（4）就可計算出目標(biāo)溫度相對應(yīng)的儀表指針位置，即指針距初始點（“40℃”點）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)動的方向和轉(zhuǎn)角。
　　
　　由于溫度與電壓之間的非線性關(guān)系及電機齒輪的誤差影響，導(dǎo)致滿度定位有偏差，可以通過分段線性處理的方法，在半滿量程點、2/3滿量程點和滿量程點，對式（4）進(jìn)行補償修正，從而獲得準(zhǔn)確的定位。
　　
　　3.2儀表指針跟蹤算法的實現(xiàn)
　　
　　儀表指針運行的效果要求平滑且跟蹤快，要滿足這兩項要求，必須要有好的升降頻控制算法，因此必須在軟件設(shè)計上配合實現(xiàn)硬件電路的細(xì)分驅(qū)動。硬件電路提供驅(qū)動步進(jìn)電機的階梯波形，軟件設(shè)計將控制此波形的時間間隔，使得指針快速、地定位，并且平滑、無卡滯地運行。
　　
　　常用的升降頻控制方法有3種：直線升降頻、指數(shù)曲線升降頻、拋物線升降頻。直線升降頻是以恒定的加速度進(jìn)行升降，平穩(wěn)性較好，適用于速度變化較大的快速定位方式。軟件實現(xiàn)比較簡單，但其加速度時間比較長。指數(shù)升降頻控制具有較強的跟蹤能力，但當(dāng)速度變化較大的時侯其平衡性較差。拋物線升降頻是將直線升降頻和指數(shù)曲線升降頻相融合，充分考慮到步進(jìn)電機低速時的有效轉(zhuǎn)矩，使升降速的時間大為縮短，同時又考慮使其具有較強的跟蹤能力。
　　
　　指針跟蹤程序流程圖如圖5所示，查參數(shù)-微步數(shù)表得到目標(biāo)微步數(shù)后，與當(dāng)前位置比較確定指針的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)角。為使指針能快速跟蹤、準(zhǔn)確定位，需要按拋物線升降頻法，建立一張位置差值-指針?biāo)俣缺恚?dāng)目標(biāo)位置離當(dāng)前位置較遠(yuǎn)時，指針?biāo)俣容^快，反之則較慢，如參數(shù)突然變化較大，不能直接從上一較快（較慢）的指針?biāo)俣纫淮巫兓捷^慢（較快）的目標(biāo)速度，會使指針產(chǎn)生卡滯、抖動等現(xiàn)象。
　　
　　將步進(jìn)電機應(yīng)用到船用儀表中，推動了數(shù)字化指針儀表的發(fā)展，顯示方式更符合人機工程學(xué)的要求。 
        4、結(jié)束語

        本文對實現(xiàn)組合電阻式步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動的軟硬件設(shè)計進(jìn)行了描述，與芯片法（硬件）和PWM脈寬調(diào)制法（軟件）相比，性價比較好。儀表指針跟蹤位置的準(zhǔn)確性、快速性及運行平穩(wěn)性都超過了普通模擬指針表的功能，有著較強的通用性和廣闊的應(yīng)用前景。