王曉蘭，沈建華

WANG Xiao-lan, SHEN Jian-hua

（1.華東師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，上海 200062）

0 引 言

步進(jìn)電機(jī)正在被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車(chē)等領(lǐng)域中，對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)模式的要求也越來(lái)越高。光學(xué)剪切流變儀是控制復(fù)雜流體在不同溫度和各種剪切模式下利用光學(xué)顯微系統(tǒng)分析其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的專(zhuān)用分析儀器。利用光學(xué)剪切組件能詳細(xì)研究復(fù)雜流體在許多物理過(guò)程中的微細(xì)結(jié)構(gòu)變化。儀器采用兩片平行的高度拋光石英盤(pán)，石英盤(pán)通過(guò)加熱盤(pán)提供熱源，利用鉑電阻溫度傳感器測(cè)量溫度。樣品置于下石英盤(pán)上，石英盤(pán)可進(jìn)行擺動(dòng)和步進(jìn)模式剪切。調(diào)節(jié)兩片石英盤(pán)的間距使儀器適合各種材質(zhì)和顆粒大小的物質(zhì)。

剪切模式可設(shè)置為穩(wěn)態(tài)剪切，即步進(jìn)電機(jī)勻速運(yùn)行模式；正弦波振蕩剪切，即步進(jìn)電機(jī)正弦曲線運(yùn)行模式；階躍剪切，即步進(jìn)電機(jī)定步勻速運(yùn)行模式；振蕩疊加剪切，即步進(jìn)電機(jī)勻速加正弦的運(yùn)行模式。本文所討論的內(nèi)容是如何實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正弦函數(shù)運(yùn)行模式。

步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式(PM)，反應(yīng)式(VR)和混合式(HB)永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，因此，連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機(jī)接成兩相使用。基于以上幾點(diǎn)，本系統(tǒng)采用性能平穩(wěn)，性?xún)r(jià)比較高，應(yīng)用廣泛的四相步進(jìn)電機(jī)，它可以根據(jù)需要由片上電源驅(qū)動(dòng)，還可以選擇通過(guò)驅(qū)動(dòng)器由外部提供電源。另外，低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)(尤其是反應(yīng)式電機(jī))的固有特性，如果步進(jìn)電機(jī)有時(shí)要如走圓弧，則必須在共振區(qū)工作，為了完全消除電機(jī)的低頻振蕩，建議最好選用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。

1 步進(jìn)頻率的算法

現(xiàn)在經(jīng)常采用的主要算法是定步法，正弦函數(shù)前1/4周期的曲線如圖1所示。將總升頻步數(shù)N等分，得步數(shù)間隔為△p=P/N，然后求取這N個(gè)點(diǎn)的所對(duì)應(yīng)的頻率值，轉(zhuǎn)化為單片機(jī)的定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間常數(shù)，存人單片機(jī)內(nèi)存中形成表格，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在升頻過(guò)程中每走△P步，改變一次時(shí)間常數(shù)，輸出進(jìn)給脈沖以實(shí)現(xiàn)定步升頻，使步進(jìn)電機(jī)按照固定的頻率運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正弦運(yùn)動(dòng)。

圖1 定步法升速曲線

這種算法存在一個(gè)問(wèn)題，即當(dāng)前速度如果比較慢時(shí)，定時(shí)就會(huì)很長(zhǎng)，則延時(shí)超出了應(yīng)該的延時(shí)。所以這里應(yīng)該作一下修正，在延時(shí)超過(guò)一定值時(shí)以設(shè)定的值運(yùn)行。所以這種算法只保證了精確的步數(shù)，周期不能保證。

基于這種情況，本系統(tǒng)算法做如下設(shè)計(jì)，來(lái)彌補(bǔ)已有算法的不足：即把時(shí)間劃分為多個(gè)段，每段時(shí)間做勻速運(yùn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)動(dòng)角度為正弦波變化，所以轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)動(dòng)角度的求導(dǎo)，即以余弦形式變化。其中正弦與余弦間的參數(shù)轉(zhuǎn)換可以由上位機(jī)軟件完成。在確定周期與步數(shù)的情況下，需要計(jì)算每步運(yùn)行時(shí)間以便于定時(shí)器定時(shí)用。

輸入的參數(shù)是余弦運(yùn)行周期n、余弦運(yùn)行步數(shù)m。

這是個(gè)180個(gè)點(diǎn)的cos表，(這里的Max_cosval表示點(diǎn)數(shù)，故這里是180）對(duì)應(yīng)的是0-90度每0.5度產(chǎn)生一個(gè)值，如cos(0),cos(0.5),cos(1)....其中cos小括號(hào)中的是角度值。我們把整個(gè)周期平分x 等分，那么每等分的時(shí)間為n/x 秒。那么第i(i為0-x之間的整數(shù))等分運(yùn)行的步數(shù)為

m*cos[i/x*Max_cosval]/(cos[0/x*Max_cosval]+cos[1/x*Max_cosval]+cos[2/x*Max_cosval]+...+cos[(x-2)/x*Max_cosval]+cos[(x-1)/x*Max_cosval]) (1)

算出來(lái)的是浮點(diǎn)數(shù)，需要進(jìn)行四舍五入。

這樣每個(gè)等分的步數(shù)確定后，每個(gè)等分中每步的時(shí)間也就確定了，這就是定時(shí)時(shí)間(但為了產(chǎn)生等脈寬的脈沖信號(hào)，可以把定時(shí)時(shí)間定為每步定時(shí)時(shí)間的一半，這樣在定時(shí)中斷中跳變一次，這樣兩次跳變即可完成一個(gè)脈沖的輸出，即前進(jìn)一步)。定時(shí)時(shí)間是速率的倒數(shù)，可能的問(wèn)題是速率為0，所以要程序判斷避免為0。

2 系統(tǒng)硬件與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)微處理器采用了ADI公司的AduC845，和uln2003達(dá)靈頓管實(shí)現(xiàn)了上述控制。 電機(jī)采用5V四相單極電機(jī)(Airpax [Thomson]生產(chǎn)，型號(hào)為M82101-P1)。

單片機(jī)需要通過(guò)串口與PC機(jī)通訊，并通過(guò)四相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)相連，如圖2：

圖2 硬件框圖

本系統(tǒng)外接電源信號(hào)為12V，并經(jīng)過(guò)LM7805轉(zhuǎn)換后輸出5V為MCU供電，同時(shí)也可以為外接5V電機(jī)控制器提供電源。

本系統(tǒng)微處理器采用了ADI公司的AduC845，只需一根RS232串口通訊線(微處理器通過(guò)MAX232與PC機(jī)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊)，就能夠進(jìn)行在系統(tǒng)調(diào)試、下載程序。另外，本系統(tǒng)還通過(guò)74HC595設(shè)計(jì)了一些控制電機(jī)的按鍵功能。

整個(gè)MCU由5V電源供電，另外可以外擴(kuò)一塊支持IIC協(xié)議的EEPROM(如U2器件)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其中可用JP1跳線用于下載程序使用，如需用ISP下載程序時(shí)需將JP1跳線短接接地，程序正常運(yùn)行時(shí)JP1應(yīng)處于斷開(kāi)狀態(tài)。

所有這些外圍芯片由一個(gè)函數(shù)控制，每執(zhí)行一次，發(fā)送三個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)用于控制輸出，同時(shí)接收來(lái)自控制開(kāi)關(guān)的一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。由于四相步進(jìn)電機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)電流8-15mA，因?yàn)榭诰€電流太小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，需要用外部電源供電，提高驅(qū)動(dòng)能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)軟件主要有AduC845的固件編程、PC交互界面。由于PC界面需根據(jù)不同需求改變，這里主要介紹一下固件的開(kāi)發(fā)。

整個(gè)程序在Keil C51 for ADuC845下開(kāi)發(fā)完成，實(shí)現(xiàn)了ADuC845BS62-5的硬件初始化、PC通信命令協(xié)議(SIO_INT)以及定時(shí)器中斷程序等(interrupt_T1、interrupt_T2)。為了簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)難度，Anlog Devices Inc.公司提供AduC845的庫(kù)函數(shù)(Hardware Library)，為用戶(hù)封裝了對(duì)芯片寄存器的操作，用戶(hù)只需根據(jù)具體需求調(diào)用相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能(修改AduC845.h，選擇相應(yīng)功能)。此外，程序還包含有三個(gè)Keil C51的內(nèi)函數(shù)intrins.h、math.h和stdio.h。

程序采用定時(shí)器中斷延時(shí)，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間由式(1)確定，電機(jī)走的最大步數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向、電機(jī)起停由UART中斷(SIO_INT)輸入，主函數(shù)main()用于頻率設(shè)置、I/O、TIM以及UART初始化。

因?yàn)橐獌纱翁兗纯赏瓿梢粋€(gè)脈沖的輸出，所以定時(shí)器中斷程序中要判斷“是不是第二次中斷”，是第二次中斷時(shí)，CP跳變，即4次中斷，輸出一個(gè)完整脈沖，步進(jìn)電機(jī)走一步。如果當(dāng)前步數(shù)大于設(shè)定的最大步數(shù)，DIR跳變，步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。

計(jì)算模塊框圖如圖3所示。

圖3 計(jì)算模塊框圖

另外，定時(shí)時(shí)間是速率的倒數(shù)，如果轉(zhuǎn)速很低時(shí)，定時(shí)就會(huì)很長(zhǎng)，應(yīng)避免定時(shí)超出最大定時(shí)時(shí)間。由于ADuC845在12.58 MHZ，定時(shí)器初值為FFFFH時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大定時(shí)時(shí)間為5.20ms，所以，當(dāng)定時(shí)時(shí)間大于5.20ms時(shí)，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)以固定速率運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)定步法算法進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)作任意步正弦函數(shù)的運(yùn)行，并且不僅可以保證精確的步數(shù)，而且還可以保證精確的周期。步進(jìn)運(yùn)動(dòng)并不是嚴(yán)格意義上的模擬正弦運(yùn)行，但步進(jìn)時(shí)間劃分足夠細(xì)的話(huà)，是完全可以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求的。

另外，本文采用的口線模擬方法實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)作正弦函數(shù)的運(yùn)行，大大提高了輸出脈沖的靈活性。我們利用這種方法，還可以根據(jù)需要，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)作任意函數(shù)的運(yùn)行。

本文設(shè)計(jì)的正弦函數(shù)運(yùn)行控制系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改造成功應(yīng)用于光學(xué)剪切流變儀的開(kāi)發(fā)中，其主要功能是利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)石英光盤(pán)作正弦波振蕩剪切。

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