姜 霖，譚錫聯(lián)，鄒 濤，徐亨成

(1.空軍第一航空學(xué)院 航空儀電工程系，河南 信陽464000;2.防空兵學(xué)院 高炮系，河南 鄭州450052)

正弦控制信號是某型裝備隨動系統(tǒng)性能檢測必不可少的控制信號，其一般由機電模擬的正弦機產(chǎn)生，該種方法存在設(shè)備舊、體積大、造價高和控制不便等缺陷［1］。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，正弦信號逐漸由計算機控制的數(shù)字/自整角信號模塊產(chǎn)生，但此種方法也存在著造價高的問題。為適應(yīng)隨動系統(tǒng)檢測的需要，采用步進(jìn)電機控制自整角機生成了正弦控制信號。步進(jìn)電機是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各類開環(huán)控制系統(tǒng)中。該步進(jìn)電機控制自整角機生成正弦信號的方法充分利用了步進(jìn)電機數(shù)字化的特性，為正弦信號的控制帶來了較大的靈活性，且具有實現(xiàn)容易、造價低廉的特點。

1 單片機產(chǎn)生正弦曲線的數(shù)學(xué)模型

在單片機中實時計算正弦曲線較為困難，因此一般采用離散化方法，事先計算某些離散點，再用折線或直線擬合［2］。一種可行的方法是將正弦函數(shù)按時間間隔均勻劃分為n段，如圖1所示。圖中，Δt表示均勻時間段。

式中，T表示用戶設(shè)定的正弦信號的周期。

圖1 正弦曲線離散過程

通過正弦曲線表達(dá)式計算出每個時間段的步進(jìn)電機步進(jìn)速率。

式中，A表示均勻時間段內(nèi)正弦信號的振幅;A*用戶設(shè)定的正弦信號振幅。

步進(jìn)電機的步進(jìn)速率是通過其線圈電源導(dǎo)通時間的長短控制的。因此，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動速度可在單片機的控制下按正弦規(guī)律變化，步進(jìn)電機再帶動自整角機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，由自整角機產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動相同的正弦控制信號。步進(jìn)電機的控制涉及到諸多時間參數(shù)，而利用單片機的定時器可協(xié)調(diào)這些時間參數(shù)，所以步進(jìn)電機的執(zhí)行動作最終落實到了單片機定時器的溢出率上。而步進(jìn)電機步進(jìn)半步所需的時間為

式中，tb表示一個步進(jìn)電機步進(jìn)一個半步所需的時間;θb表示步進(jìn)電機的步距角;A*是設(shè)定的正弦信號的振幅;則溢出率為

通過式(1)～式(4)計算出單片機定時器溢出率ty，并通過一定的格式發(fā)送至步進(jìn)電機控制電路。

由上述分析可看出:當(dāng)n越大時，通過直線或折線擬合出的曲線則越接近正弦曲線，但由于步進(jìn)電機對數(shù)字量有一個固定的反應(yīng)時間，所以n的取值有一定限制。觀察正弦曲線易知n的取值跟正弦曲線的周期有一定關(guān)系，文中n值的取值算法如下

式中，T表示正弦信號的周期;k表示一個比例系數(shù)，經(jīng)反復(fù)的試驗得出k=250時既能保證正弦曲線的離散足夠精細(xì)，又能使步進(jìn)電機不失真地反映數(shù)字量。

2 軟件和硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件原理

圖2給出了方法實現(xiàn)的硬件原理圖，主要包括控制、光耦隔離和執(zhí)行部分。

圖2 步進(jìn)電機控制的硬件原理圖

單片機89C2051通過串口接收上位機軟件計算出正弦數(shù)據(jù)，然后通過P3.4、P3.5、P3.3這3個I/O口對步進(jìn)電機進(jìn)行控制，由于步進(jìn)電機運行是在脈沖供電工作下的感性負(fù)載，所以自感干擾較強烈，為抑制干擾，采取了光耦隔離的方法。由圖可知單片機每個輸出腳對應(yīng)了步進(jìn)電機的一相線圈，單片機按照一定規(guī)律拉低3個輸出腳，便可使步進(jìn)電機的對應(yīng)相導(dǎo)通，使步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動。

2.2 上位機操作軟件

上位機軟件采用C++Builde編寫，軟件主要功能是將用戶設(shè)定的基本參數(shù)的正弦信號離散化，計算出均勻時間段里步進(jìn)電機的速率和單片機定時器溢出率，并按照協(xié)議數(shù)據(jù)格式進(jìn)行打包，將相應(yīng)規(guī)律的指令和數(shù)據(jù)通過串口進(jìn)行發(fā)送。

2.3 步進(jìn)電機控制軟件

由于在步進(jìn)電機的控制中對時間的要求較高，所以最終的控制環(huán)節(jié)采取了與硬件結(jié)合更緊密的匯編語言進(jìn)行編程［3］。

圖3 步進(jìn)電機控制流程圖

3 步進(jìn)電機控制中應(yīng)注意的問題

3.1 步進(jìn)電機停轉(zhuǎn)時的控制問題

步進(jìn)電機停轉(zhuǎn)時仍需控制，主要有兩個原因:首先，步進(jìn)電機是一種功率元件，線圈在工作時發(fā)熱量大，所以不能長時間使電機的某一相或幾相通電，由此會導(dǎo)致電機過熱而燒毀。即使當(dāng)電機無需輸出時，也要有選擇地給步進(jìn)電機的某相或某幾相通斷電。其次，若停轉(zhuǎn)時不進(jìn)行處理，長時間的保持步進(jìn)電機的某個狀態(tài)會使步進(jìn)電機的某相或某幾相累積過大的電感，當(dāng)要切換到下一狀態(tài)時，由于積累的電感會對突然斷電的某相或某幾相產(chǎn)生力矩，使步進(jìn)電機向預(yù)定方向的反方向轉(zhuǎn)動一個角度，若需將轉(zhuǎn)換狀態(tài)的磁場建立起時，定子和轉(zhuǎn)子的位置已不再一致，便會導(dǎo)致失步［4－6］。

3.2 最佳導(dǎo)通時間問題

步進(jìn)電機線圈控制脈沖的最佳導(dǎo)通時間因電機型號而異，不同的步進(jìn)電機有其最合適的線圈通電時間，經(jīng)反復(fù)試驗，文中使用的常州電機廠生產(chǎn)的45BC340E型步進(jìn)電機的線圈通電時間約為530μs時，電機可工作于最佳狀態(tài):既不會因通電時間過短而失步，又不會因通電時間長而過熱。

4 控制結(jié)果

圖4描述了當(dāng)步進(jìn)電機工作時，控制脈沖與步進(jìn)電機定子線圈上工作電壓的關(guān)系。

圖4 步進(jìn)電機工作曲線圖

從圖中可看出:當(dāng)步進(jìn)電機停轉(zhuǎn)時，電路中仍存在規(guī)則的控制脈沖;而實際上步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動的時間較少，可控制的時間參數(shù)為停轉(zhuǎn)時間，停轉(zhuǎn)的時間越長，步進(jìn)電機速率越小。若利用程序控制步進(jìn)電機停轉(zhuǎn)的時間按照正弦規(guī)律變化時，步進(jìn)電機便通過機械鉸鏈將該種轉(zhuǎn)動規(guī)律傳遞至自整角機上，從而形成正弦工作狀態(tài)。

5 結(jié)束語

步進(jìn)電機控制同步機生成正弦信號的方法控制靈活、實現(xiàn)簡單，對實驗室條件下的同步機教學(xué)與研究具有積極意義，但該方法中涉及的傳遞環(huán)節(jié)較多，正弦信號也并非直接生成，如何更精確地擬合正弦信號仍值得進(jìn)一步的研究。

［1］ 王鴻鈺.步進(jìn)電機控制技術(shù)入門［M］.上海:同濟大學(xué)出版社，1990.

［2］ 宋戈，黃鶴松，員玉良，等.51單片機應(yīng)用開發(fā)范例大全［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［3］ 孫曉云，郭立煒，孫會琴.基于Lab Windows/CVI的虛擬儀器設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［4］ 李發(fā)海，王巖.電機與拖動基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000.

［5］ 花同.步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子工程設(shè)計，2011，19(15):13－15.

［6］ 莊瑞榮，吳先球.基于LabVIEW的步進(jìn)電機控制［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(4):202－204.