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閱讀：21發(fā)布時(shí)間：2026-5-27
船用儀表用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的實(shí)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(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理，并給出用該方法實(shí)現(xiàn)的船用柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)控儀表。儀表實(shí)現(xiàn)了對(duì)船用柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、冷卻水溫度、電瓶電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控的功能。設(shè)計(jì)采用軟硬件相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)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L(zhǎng)ED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(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，不利于進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀察，而且它顯示的是單純的一個(gè)數(shù)據(jù)，沒有在一定范圍內(nèi)進(jìn)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(duì)運(yùn)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(jī)工程的要求，本文提出了一種全數(shù)字步進(jìn)電機(jī)式船用柴油機(jī)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(jī)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(dòng)、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(yùn)行平穩(wěn)。
1、步進(jìn)電機(jī)式船用儀表的總體設(shè)計(jì)方案
步進(jìn)電機(jī)式船用儀表總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)采用帶有LCD顯示模塊的PIC核的單片機(jī)作為控制器，對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)（包括轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、冷卻水溫度、電瓶電壓等）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把數(shù)據(jù)處理成相對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)式指針要走的步數(shù)，并在指針式儀表上進(jìn)行顯示。選用的VID29-05步進(jìn)電機(jī)為兩相步進(jìn)電機(jī)，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(dòng)。輸出軸的步距角最小可以達(dá)到(1/12)。，角速度為600。／s。
2步進(jìn)電機(jī)組合電阻式細(xì)分驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)是把脈沖信號(hào)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(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件[2]。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)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(zhǔn)確定位，使步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)、無卡滯地運(yùn)行，減少電機(jī)的振蕩和噪聲，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)，即微步模式。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)，容易實(shí)現(xiàn)，但成本較高。PWM脈寬調(diào)制法采用PWM脈沖直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用軟件的方式實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)硬件成本較低，但需要多路PWM模塊，對(duì)單片機(jī)的選型要求較高。因此綜合成本和實(shí)用性兩方面的因素考慮后，本設(shè)計(jì)提出一種基于組合電阻式的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，該驅(qū)動(dòng)方式的硬件為3個(gè)電阻的組合，成本低，原理簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)軟件為儀表指針跟蹤算法的設(shè)計(jì)，不需要單片機(jī)的PWM模塊，實(shí)用性較強(qiáng)。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。并聯(lián)電阻N的個(gè)數(shù)越多，則步進(jìn)電機(jī)每一相上出現(xiàn)的狀態(tài)就越多，細(xì)分的程度也越高。 如Ml、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。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 7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)（因?yàn)槿鬛A、QB、QC、QD全為高時(shí)，就沒有電流輸出），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(shí)，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(gè)值。將此12個(gè)值進(jìn)行x軸對(duì)稱則可得出另一組階梯波。將整組數(shù)據(jù)建成一個(gè)表，通過查表的方式就可以控制步進(jìn)電機(jī)。（未完待續(xù).........）
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