王曉蘭，沈建華

WANG Xiao-lan, SHEN Jian-hua

（1.華東師范大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)系，上海 200062）

0 引 言

步進電機正在被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域中，對其轉(zhuǎn)動模式的要求也越來越高。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)動力學(xué)的專用分析儀器。利用光學(xué)剪切組件能詳細研究復(fù)雜流體在許多物理過程中的微細結(jié)構(gòu)變化。儀器采用兩片平行的高度拋光石英盤，石英盤通過加熱盤提供熱源，利用鉑電阻溫度傳感器測量溫度。樣品置于下石英盤上，石英盤可進行擺動和步進模式剪切。調(diào)節(jié)兩片石英盤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，即步進電機勻速運行模式；正弦波振蕩剪切，即步進電機正弦曲線運行模式；階躍剪切，即步進電機定步勻速運行模式；振蕩疊加剪切，即步進電機勻速加正弦的運行模式。本文所討論的內(nèi)容是如何實現(xiàn)步進電機正弦函數(shù)運行模式。

步進電機分三種：永磁式(PM)，反應(yīng)式(VR)和混合式(HB)永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大?；旌鲜讲竭M是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。四相混合式步進電機一般由兩相驅(qū)動器來驅(qū)動，因此，連接時可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機接成兩相使用?；谝陨蠋c，本系統(tǒng)采用性能平穩(wěn)，性價比較高，應(yīng)用廣泛的四相步進電機，它可以根據(jù)需要由片上電源驅(qū)動，還可以選擇通過驅(qū)動器由外部提供電源。另外，低頻振蕩是步進電機(尤其是反應(yīng)式電機)的固有特性，如果步進電機有時要如走圓弧，則必須在共振區(qū)工作，為了完全消除電機的低頻振蕩，建議最好選用細分驅(qū)動器。

1 步進頻率的算法

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個點的所對應(yīng)的頻率值，轉(zhuǎn)化為單片機的定時器的定時時間常數(shù)，存人單片機內(nèi)存中形成表格，當(dāng)步進電機在升頻過程中每走△P步，改變一次時間常數(shù)，輸出進給脈沖以實現(xiàn)定步升頻，使步進電機按照固定的頻率運行，從而實現(xiàn)步進電機的正弦運動。

圖1 定步法升速曲線

這種算法存在一個問題，即當(dāng)前速度如果比較慢時，定時就會很長，則延時超出了應(yīng)該的延時。所以這里應(yīng)該作一下修正，在延時超過一定值時以設(shè)定的值運行。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，來彌補已有算法的不足：即把時間劃分為多個段，每段時間做勻速運動。由于轉(zhuǎn)動角度為正弦波變化，所以轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)動角度的求導(dǎo)，即以余弦形式變化。其中正弦與余弦間的參數(shù)轉(zhuǎn)換可以由上位機軟件完成。在確定周期與步數(shù)的情況下，需要計算每步運行時間以便于定時器定時用。

輸入的參數(shù)是余弦運行周期n、余弦運行步數(shù)m。

這是個180個點的cos表，(這里的Max_cosval表示點數(shù)，故這里是180）對應(yīng)的是0-90度每0.5度產(chǎn)生一個值，如cos(0),cos(0.5),cos(1)....其中cos小括號中的是角度值。我們把整個周期平分x 等分，那么每等分的時間為n/x 秒。那么第i(i為0-x之間的整數(shù))等分運行的步數(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)

算出來的是浮點數(shù)，需要進行四舍五入。

這樣每個等分的步數(shù)確定后，每個等分中每步的時間也就確定了，這就是定時時間(但為了產(chǎn)生等脈寬的脈沖信號，可以把定時時間定為每步定時時間的一半，這樣在定時中斷中跳變一次，這樣兩次跳變即可完成一個脈沖的輸出，即前進一步)。定時時間是速率的倒數(shù)，可能的問題是速率為0，所以要程序判斷避免為0。

2 系統(tǒng)硬件與實現(xiàn)

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

單片機需要通過串口與PC機通訊，并通過四相電機驅(qū)動器與步進電機相連，如圖2：

圖2 硬件框圖

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

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MAX232與PC機串口進行數(shù)據(jù)通訊)，就能夠進行在系統(tǒng)調(diào)試、下載程序。另外，本系統(tǒng)還通過74HC595設(shè)計了一些控制電機的按鍵功能。

整個MCU由5V電源供電，另外可以外擴一塊支持IIC協(xié)議的EEPROM(如U2器件)用于數(shù)據(jù)存儲。其中可用JP1跳線用于下載程序使用，如需用ISP下載程序時需將JP1跳線短接接地，程序正常運行時JP1應(yīng)處于斷開狀態(tài)。

所有這些外圍芯片由一個函數(shù)控制，每執(zhí)行一次，發(fā)送三個字節(jié)數(shù)據(jù)用于控制輸出，同時接收來自控制開關(guān)的一個字節(jié)數(shù)據(jù)。由于四相步進電機控制器的驅(qū)動電流8-15mA，因為口線電流太小，無法驅(qū)動電機工作，需要用外部電源供電，提高驅(qū)動能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

整個系統(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發(fā)。

整個程序在Keil C51 for ADuC845下開發(fā)完成，實現(xiàn)了ADuC845BS62-5的硬件初始化、PC通信命令協(xié)議(SIO_INT)以及定時器中斷程序等(interrupt_T1、interrupt_T2)。為了簡化開發(fā)難度，Anlog Devices Inc.公司提供AduC845的庫函數(shù)(Hardware Library)，為用戶封裝了對芯片寄存器的操作，用戶只需根據(jù)具體需求調(diào)用相應(yīng)的庫函數(shù)以實現(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Keil C51的內(nèi)函數(shù)intrins.h、math.h和stdio.h。

程序采用定時器中斷延時，定時器定時時間由式(1)確定，電機走的最大步數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向、電機起停由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。

因為要兩次跳變即可完成一個脈沖的輸出，所以定時器中斷程序中要判斷“是不是第二次中斷”，是第二次中斷時，CP跳變，即4次中斷，輸出一個完整脈沖，步進電機走一步。如果當(dāng)前步數(shù)大于設(shè)定的最大步數(shù)，DIR跳變，步進電機反向旋轉(zhuǎn)。

計算模塊框圖如圖3所示。

圖3 計算模塊框圖

另外，定時時間是速率的倒數(shù)，如果轉(zhuǎn)速很低時，定時就會很長，應(yīng)避免定時超出最大定時時間。由于ADuC845在12.58 MHZ，定時器初值為FFFFH時，對應(yīng)的最大定時時間為5.20ms，所以，當(dāng)定時時間大于5.20ms時，步進電機應(yīng)以固定速率運行。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的系統(tǒng)對定步法算法進行了改進，實現(xiàn)了步進電機作任意步正弦函數(shù)的運行，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。步進運動并不是嚴(yán)格意義上的模擬正弦運行，但步進時間劃分足夠細的話，是完全可以滿足實際應(yīng)用需求的。

另外，本文采用的口線模擬方法實現(xiàn)了步進電機作正弦函數(shù)的運行，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，實現(xiàn)步進電機作任意函數(shù)的運行。

本文設(shè)計的正弦函數(shù)運行控制系統(tǒng)已經(jīng)過簡單改造成功應(yīng)用于光學(xué)剪切流變儀的開發(fā)中，其主要功能是利用步進電機帶動石英光盤作正弦波振蕩剪切。

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