步进电机变频控制在航海罗经模拟器中的应用

16A0000000101H25AB0000001103H34B0000001002H43BC0000011006H52C0000010004H61CA0000010105H２００8年12月第26卷第6期龙岩学院学报JOURNALOFLONGYANUNIVERSITYDecember２００8Ｖｏｌ．２6Ｎｏ．6步进电机变频控制在航海罗经模拟器中的应用邓干铭1，江衍煊2（1.龙岩学院物理与机电工程学院福建龙岩364012；2.福建交通职业技术学院福建福州350007）摘要：针对航海罗经模拟器在偏转角度不同时需要不同的旋转速度，介绍了利用单片机控制步进电机的变频输出，进而实现控制罗经数据转盘具有不同的旋转速度。与传统的遮光盘控制相比，使用步进电机驱动控制的航海罗经模拟器具有控制精度高、响应速度快等优点。关键词：变频技术；步进电机；航海罗经模拟器；单片机中图分类号：TM383.6文献标识码：A文章编号：１６７3－4629(２００8)06－0054－021引言航海罗经模拟器是模拟在海上航行时指示方向的一种航海技术专业的教学演示设备，它能根据船舶舵轮方向改变及时通过转盘旋转显示航行方向。舵轮方向偏转越大航海罗经模拟器指示表盘上显示航向偏转也越大。传统的航海罗经模拟器采用遮光盘控制，当罗经模拟器要求转动的角度偏大时具有控制误差大，响应滞后等缺点。本文提出的应用步进电机变频驱动控制的方法可以克服上述缺点。具有不同偏转角度时都具有良好的控制精度与快速响应的特点。2步进电机的特点与设计精度高，误差不会积累；控制系统结构简单，与数字设备兼容,价格便宜。它每转一周有固定步数，它可以根据控制脉冲精确地控制每步转动角度[2]。为了便于数据的处理和驱动，设计了由步进电机带动减速齿轮，再由齿轮带动罗经数据转盘，为了提高数据精度和提高电机的负载能力，将减速比设计为1：90（比值越小，精度越高，但是比值越小对响应频率要求就越高）。步进电机的通电方式可采用三相双六拍通电方式，即按照A、AB、B、BC、C、CA顺序循环通电，这样步进电机中每个脉冲能驱动1.5度。三相双六拍通电的控制模型如表1。表1三相双六拍通电的控制模型步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个点脉冲时，它便转过一个角度叫步距角β，简称步距[1]。步进电动机具有如下特点：（1）步进电动机的角位移与输入脉冲数成正比，因此转动一周后，没有累计误差，具有良好的跟随性。（2）由步进电机与驱动电路组成的开环数控系节拍正转反转通电项控制模型二进制十六进制统，既非常简单、廉价，又非常可靠，同时也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。（3）步进电机的动态响应快，不但能瞬间起动与急速停止，而且可以正反转及变速。（4）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，（5）步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，与其他驱动元件相比，输出的转角或位移步进电机的驱动采用软件设置和功率放大电路来实现，其中功率放大器也称为驱动电路，其作用是将脉冲发生器的输出脉冲进行功率放大，给步进电机相绕组提供足够的电流，驱动步进电机正常工作。对功率放大器的要求包括：能提供足够的幅值；前后沿较陡的励磁电流；功耗小，效率高；运行稳定可靠，便于维修而且成本低。收稿日期：２００8—06—30延时ms十进制数定时初值50155353CAF402553563BF30355353ACF2045535B1DF1055535D8EF560536EC78263536F830165036FE0C3定时器的选用、初值计算和设置本设计的功能是基于MCS-51系列单片机控制的三相步进电机系统。由单片机产生驱动脉冲信号，步进电机的驱动器收到驱动脉冲信号后，步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度，将脉冲转化为角位移。此处采用单片机的P1口来进行控制，因为P1是8位准双向I/O口，每一位可以独立地定义为输入或输出，既可以对P1口进行字节操作也可以进行位的操作。MCS-51系列单片机中有两个16位的可编程定时器/计数器，定时器/计数器CT0由计数器TH0和TL0组成，CT1由TH1和TL1组成，TH、TL分别为高8位计数器和低8位计数器，组合起来就可组成16位计数器[3]。应用CTO产生1ms的定时，并使P1产生2ms的方波，进而获得TL、TH的初值。设系统晶振频率为12MHz，则12M晶振的周期T=12/FOSC=12/12×106=1×10-6（S），设定时初值为X，则有（216-X）×1×10-6=10-3（1）解算得X=65036=FE0C（H）；所以TL0初值设为0CH；TH0初值设为FEH，这样每秒能产生1000个方波。当改变初值X时，就能改变延时时间，X值越小，延时时间就越长，脉冲宽度也越宽。机要求走转动的度数比较多时，就对该电机提出了要求：低速启动，高速运转，然后降低速度，最后停止。这样才能解决“快速而不失步”的要求。依照该思路，采用改变输出脉冲宽度的方法，也就是改变控制定时器的延时，如图1。图1变换频率的设计思路其中F为步进电机当前运行的频率；L1为升频运行阶段；L2为高速运行阶段；L3为降频运行阶段。利用定时器的延时，在升频时，定时器的初值由小变大，在降频时刚好相反，高速运行段初值不变。因为步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。所以经式（1）计算得如表2中的相应定时初值：表2不同转动频率对应的定时初值因为模拟航海罗经的精度为一格（即0.1度），同时减速装置是1：90，所以电机每步应转动9度，又因为每个脉冲使电机转动1.5度，所以每步需要6个脉冲，因此步长要设置为6。按照表1得知若以A、AB、B、BC、C、CA、A循环，则控制脉冲为：01H，03H，02H，06H，04H，05H；编程时采用查表法来实现,首先将步进电机通电方式运行逻辑数据列成表格,存入计算机指定内存,并设置数据指针,指针自动向下移动或向上移动一组数据,使步进电机按规频率Hz202533501002005001000TL0（H）AFBFCFDFEF78300CTHO（H）3C633AB1D8ECF8FE定的通电励磁方式运行。这样正转模型按照地址顺序的分配分别为：01H、03H、02H、06H、04H、05H、00H；同样，反转模型地址中的分配分别为：05H、04H、06H、02H、03H、01H、00H。4快速转动不同角度时的变频设计在步进电机控制系统中，如果信号变化太快会发生堵转和失步现象。所以步进电机在起动时必须有加速过程，停止时要有减速过程。因此当在设置状态和转动数据为较大时，步进电机在短时间内以较快的速度运转而不出现失步，就要求采用小于或等于步进电机的响应频率，在该频率之下，步进电机可以随意地启动、停止或反转而不发生失步现象。而步进电机的响应频率通常比较低，当步进电按照表2得出高速运行阶段：频率为1000Hz，2秒能产生2000个脉冲，能使电机运转最大度数为：2000×1.5=3000（度），所以在高速阶段2秒内电机能驱动罗经转动3000÷90=34度，该数值已经完全满足模拟器转动要求了。5程序设计该模拟器运用步进电机进行控制的一个重要条件是，计算当前需要步进电机转动的角度是多少，然后按照需要转动的角度设置不同的电机所需要的三个阶段的频率，即：升频运行阶段（启动）、高速运行阶段、降频运行阶段（减速）。程序的设计流程图如图2：其中针对需要正向或逆向转动不同的（下转第59页）[2]刘富强，钱建生.基于图像处理与识别技术的煤矸石自动分选[J].煤炭学报，2002，25(5)：34-37.[3]GonzalezRC，WoodsRE.[2002].DigitalImageProcessing[M].2nded.，UpperSaddleRiver,NJ.PrenticeHall，2002.[4]HeDC,WangL.TextureFeaturesBasedonTextureSpectrum[J].PatternRecognition,1991,24(5)：391-399.[5]SarkarN，ChaudhuriBB.Anefficientapproachtoestimatefractaldimensionoftextureimages[J].PatternRecognition，1992，25：1035-1041.[6]李厚强，刘政凯，林峰.基于分形理论的航空图像分类方法[J].遥感学报，2001，5(5)：353-358.[7]OrtegaM,RuiY,ChakrabartiK,etal.SupportingSimilarityQueriesinMARS[C].//ProceedingsofAssociationforComputingMachineryOrlando，1997：269-277.〔责任编辑：邱维敦〕ResearchonSeparationTechnologyofCoalandGangueBasedonTextureFeaturesFusionLANTian-cai，ZHENGHan-yuanAbstract：Anovelmethodforseparationofcoalandganguebasedontexturefeaturesfusionispresentedandanewalgorithmfortexturefeatureextractionisdesignedinthispaper.Somemultipletexturefeaturesastheinputcharacteristicsforclassifierareselectedandthenfused.Lastly,theneuralnetworkisusedtorealizetheseparationofcoalandgangue.Experimentresultsshowthattherecognitionrateofcoalandganguesisincreasedbythisalgorithmanditcanmeettherequirementsofrealtime.Keywords：separationofcoalandgangue；texturefeature；featurefusion；neuralnetwork55555555555555555555555555555555555555555555（上接第55页）角度，就需要选择合适的脉冲值，也就是TL0和TH0的初值就能够轻松实现。图26结论利用单片机来实现步进电机的加减速控制，实际上是控制触发脉冲的频率，充分利用了单片机良好控制性能来控制步进电机的变频输出。此方案采用的硬件比较少，软件采用模块化结构，便于修改，并为将来程序功能的扩展留下了很好的余地。改进后的模拟罗经驱动效果可以达到：连续工作200小时，误差仅在0.5度以内，精度非常高。参考文献：[1]陈汝全.单片机实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.[2]何立民.单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.[3]吴微.单片机原理及制作[M].武汉：武汉大学出版社，2003.〔责任编辑：邱维敦〕