步进电机变频控制在航海罗经模拟器中的应用

1、步进电机变频控制在航海罗经模拟器中的应用邓干铭i,江衍煩2q.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育不同的旋转速度。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（2 0 08）06-0054-02收稿日期：？ 00 806301引言航海罗经模拟

2、器是模拟在海上航行时指示方 向的-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。舵轮方向偏转越人航海罗经模拟器指示农盘上 显示航向偏转也越人。传统的航海罗经模拟器采用 遮光盘控制，当罗经模拟器耍求转动的角度偏大时 具冇控制误差大，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町以克服上述缺 点。具有不同偏转角度时都貝冇良好的控制粘度与 快速响应的特点。2步进电机的特点与设计步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应角 位移或立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0,简称步距叭步进电动机具有如下特点：q）步进电动机

3、的角位移与输入脉冲数成正比， 因此转动一周后，没有累计谋差，具有良好的跟 随性。0）由步进电机与驱动电路纽成的开环数控系 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。g）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，6）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 精度高，谋羌不会积累；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】。为了便丁数据的处理和驶动，设计了由步进电 枇

4、带动减速齿轮，再由齿轮帯动罗经数据转盘，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 c匕值越小，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，这样步进电机屮每个脉冲能 驱动1.5度。三相双六拍通电的控制模型如表1。表1三和双六拍通电的控制模型节拍正 转反转通电项控制模型二进制十六进制16a0000000101h25ab0000001103 h34b0000001002h43bc0000011006h52c0000010004h61ca0000010105h步进电机的驱动采用软

5、件设置和功率放大电 路来实现，其屮功率放大器也称为驱动电路，其作 用是将脉冲发生器的输岀脉冲进行功率放大，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。対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。3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。山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

6、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cto由计数器tho和tlo组成，ct1由th1 和tl1纽成,th、tl分别为高8位计数器和低8位 计数器，组合起来就可纽成16位计数器。应j1j cto产生1ms的定时，并使p1产牛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/f（）sc=12/12x 106=1x10" 6）,设定时初值为x,则有 2,6-x）xlx10-6=10-3q）解算得x=65036=fe0c h）

7、；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，就能改变延吋时间，x值越 小，延时时间就越长，脉冲宽度也越宽。因为模拟航海罗经的精度为一格即0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6o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，肖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,指针口 动向下移动或向上移动一组数

8、据，使步进电机按规 定的通电励磁方式运行。这样止转模型按照地址顺 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 发生堵转和失步现彖。所以步进电机在起动时必须 有加速过程，停止时耍有减速过程。因此当在设置 状态和转动数据为较人时，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z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。而步迹电机的响应频

9、率通常比较低，当步进电 机耍求走转动的度数比较多时，就对该电机提出了 耍求：低速启动，高速运转，然后降低速度，最后停 i上。这样才能解决快速而不失步啲要求。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lo步长l1 步长l2步长l3图1变换频率的设计思路其屮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，定时器的初值山 小变大，在降频时刚好和反，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8般为每分 钟几百转）需要200-400毫秒。所以经式q）计算得 如表2中的和应定时初值：表2不

10、同转动频率对应的定时初值频率延时十进制定时tlothohzms数初值h)h)2050155353cafaf3c25402553563bfbf633330355353acfcf3a502045535b1dfdfb11001055535d8efefd8200560536ec7878ec500263536f83030f81000165036feoc0cfe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，能使电机运转最人度数 为：2000x1.5=3000嫂），所以在髙速阶段2秒内电 机能驱动罗经转动3000汕034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

11、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:升频运行阶段侣动）、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（f转第59页）2 刘富强，钱建生.基于图像处理与识别技术的煤 肝石自动分选j.煤炭学报，2002,25(5)： 34-37.3 gonzalcz r c，woods r e. 2002. digital image processing m. 2nd ed，upper saddle river,nj. prentice hall,

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14、l method for separation of coal and gangue based on texture matures fusion is presentedand a new algorithm for texture feature extraction is designed in this paper. some multiple texture features as the input characteristics for classifier arc selected and then fused. lastly, the neural network is u

15、sed to realize the separation of coal and gangue experiment results show that the recognition rate of coal and gangues is increased by this algorithm and it can meet the requirements of real time.key words： separation of coal and gangue； texture feature: feature fusion: neural network装入原右数据祕取石要转动的豪山逆转判断转动方向i丈入il反向转动巾皿i升频g行ii高气运丹（i：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。判断选用合降频减速运行利用单片机來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