基于步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)的航海羅經(jīng)模擬器方案設(shè)計(jì)淺析

航海羅經(jīng)模擬器的組成結(jié)構(gòu)原理是：船舶舵輪的轉(zhuǎn)動(dòng)引起了船舶航向的改變，同時(shí)也就引起了船舶羅經(jīng)讀數(shù)的變化。當(dāng)羅經(jīng)模擬器要求轉(zhuǎn)動(dòng)的角度偏大時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)用變頻轉(zhuǎn)動(dòng)的方法來克服轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間過長的缺點(diǎn)，也就是給出一個(gè)具體需要轉(zhuǎn)動(dòng)的航向值，該模擬器能夠迅速有效地按照要求轉(zhuǎn)到該值。

步進(jìn)電機(jī)的選用與設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，具有瞬間起動(dòng)與急速停止的優(yōu)越特性。與其他驅(qū)動(dòng)元件相比，有明顯優(yōu)點(diǎn)：通常不需要反饋就能對(duì)位移或速度進(jìn)行精確控制；輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會(huì)積累；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，與數(shù)字設(shè)備兼容，價(jià)格便宜。它每轉(zhuǎn)一周有固定步數(shù)，能夠精確控制步進(jìn)和接收數(shù)字量。為了便于數(shù)據(jù)的處理和驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)了由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)減速齒輪，再由齒輪帶動(dòng)羅經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)盤，為了提高數(shù)據(jù)精度和提高電機(jī)的負(fù)載能力，將減速比設(shè)計(jì)為：1:90（比值越小，精度越高，但是比值太小對(duì)控制和響應(yīng)頻率要求就太高了）。步進(jìn)電機(jī)的通電方式可采用三相雙六拍通電方式，即按照a、ab、b、bc、c、ca順序循環(huán)通電，這樣步進(jìn)電機(jī)中每個(gè)脈沖能驅(qū)動(dòng)1.5度。三相雙六拍通電的控制模型如表1。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用軟件設(shè)置和功率放大電路來實(shí)現(xiàn)，其中功率放大器也稱為驅(qū)動(dòng)電路，其作用是將脈沖發(fā)生器的輸出脈沖進(jìn)行功率放大，給步進(jìn)電機(jī)相繞組提供足夠的電流，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常工作。對(duì)功率放大器的要求包括：能提供足夠的幅值；前后沿較陡的勵(lì)磁電流；功耗小，效率高；運(yùn)行穩(wěn)定可靠，便于維修而且成本低。

軟件設(shè)計(jì)中脈沖波的要求

這里利用mcs-51系列單片機(jī)中的p1口來進(jìn)行控制，因?yàn)閜1是8位準(zhǔn)雙向i/o口，每一位可以獨(dú)立地定義為輸入或輸出，所以，既可以對(duì)p1口進(jìn)行字節(jié)操作也可以進(jìn)行位的操作。mcs-51系列單片機(jī)中有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器ct0由計(jì)數(shù)器th0和tl0組成，ct1由th1和tl1組成，th、tl分別為8位計(jì)數(shù)器，若拼接在一起就可組成16位計(jì)數(shù)器。

計(jì)算tl、th初值

應(yīng)用cto產(chǎn)生1ms的定時(shí)，并使p1產(chǎn)生2ms的方波，設(shè)系統(tǒng)晶振頻率為12mhz。設(shè)12m晶振的周期：t=12/fosc=12/（12×10-6）=1×10-6（us）設(shè)定時(shí)初值為x，則有：（216-x）×1×10-6=10-3解算得x=65036=fe0c（h）；所以tl0初值設(shè)為0ch；th0初值設(shè)為feh，這樣每秒能產(chǎn)生1000個(gè)方波。當(dāng)改變初值x時(shí)，就能改變延時(shí)時(shí)間，x值越小，延時(shí)時(shí)間就越長，脈沖寬度也越寬。

計(jì)算并設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)

因?yàn)槟M航海羅經(jīng)的精度為一格（即0.1度），同時(shí)減速裝置是1：90，所以電機(jī)每步應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)9度，又因?yàn)槊總€(gè)脈沖使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1.5度，所以每步要求有6個(gè)脈沖，因此步長要設(shè)置為6。按照上表得知若以a、ab、b、bc、c、ca、a循環(huán)，則控制脈沖為：01h，03h，02h，06h，04h，05h；編程時(shí)采用查表法來實(shí)現(xiàn)，首先將步進(jìn)電機(jī)通電方式運(yùn)行邏輯數(shù)據(jù)列成表格，存入計(jì)算機(jī)指定內(nèi)存，并設(shè)置數(shù)據(jù)指針，指針自動(dòng)向下移動(dòng)或向上移動(dòng)一組數(shù)據(jù)，使步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定的通電勵(lì)磁方式運(yùn)行。這樣正轉(zhuǎn)模型按照地址順序的分配分別為：01h、03h、02h、06h、04h、05h、00h；同樣，反轉(zhuǎn)模型地址中的分配分別為：05h、04h、06h、02h、03h、01h、00h。

在快速轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度時(shí)的變頻設(shè)計(jì)思路

因?yàn)樵撃M羅經(jīng)需要在任意時(shí)刻都能夠設(shè)置，所以當(dāng)在設(shè)置狀態(tài)和轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)大，使步進(jìn)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)以比較快的速度運(yùn)轉(zhuǎn)而不出現(xiàn)失步，就要求采用小于或等于步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)頻率，在該頻率之下，步進(jìn)電機(jī)可以隨意地啟動(dòng)、停止或反轉(zhuǎn)而不發(fā)生失步現(xiàn)象。而步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)頻率通常比較低，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)要求走轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)比較多時(shí)，就對(duì)該電機(jī)提出了要求：低速啟動(dòng)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，然后降低速度，最后停止。這樣才能解決“快速而不失步”的要求。依照該思路，采用改變輸出脈沖寬度的方法，也就是改變控制定時(shí)器的延時(shí)，如圖1。

其中f為步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的頻率l1為升頻運(yùn)行階段；l2為高速運(yùn)行階段；l3為降頻運(yùn)行階段。利用定時(shí)器的延時(shí)，在升頻時(shí)，定時(shí)器的初值由小變大，在降頻時(shí)剛好相反，高速運(yùn)行段初值不變。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400ms。所以經(jīng)上式計(jì)算得如附表中的相應(yīng)定時(shí)初值。

按照附表得出高速運(yùn)行階段：頻率為1000hz，2s能產(chǎn)生2000個(gè)脈沖，能使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)最大度數(shù)為：2000×1.5=3000°，所以在高速階段2s內(nèi)電機(jī)能驅(qū)動(dòng)羅經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)3000/90=34°，該數(shù)值已經(jīng)完全滿足模擬器轉(zhuǎn)動(dòng)要求了。

程序設(shè)計(jì)

該模擬器的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的一個(gè)重要條件是，計(jì)算當(dāng)前需要步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是多少，然后按照需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度進(jìn)行設(shè)置不同的電機(jī)所需要的三個(gè)階段的頻率即：升頻運(yùn)行階段（啟動(dòng)）、高速運(yùn)行階段、降頻運(yùn)行階段（減速）。程序的設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示：其中針對(duì)需要正向或逆向轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度，就需要選擇合適的脈沖值，也就是tl0和th0的初值就能夠輕松實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語

利用步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)來設(shè)計(jì)航海羅經(jīng)模擬器的方案是充分利用單片機(jī)的特點(diǎn)以及采用變頻的控制原理。此設(shè)計(jì)采用的硬件比較少，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，利于修改，并為將來程序功能的擴(kuò)展留下了很好的余地。本設(shè)計(jì)對(duì)該模擬羅經(jīng)驅(qū)動(dòng)效果為：連續(xù)工作20小時(shí)，誤差僅在2°以內(nèi)，完全符合模擬器的要求。