步进电机变频控制在航海罗经模拟器中的应用.doc

２００8年 12 月 第 26 卷 第 6 期 龙 岩 学 院 学 报 JOURNAL OF LONGYAN UNIVERSITY December ２００8 Ｖｏｌ．２6 Ｎｏ．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)06－0054－02 1 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 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。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