基于细分驱动的船用仪表步进电机控制的实现

3 步进电机组合电阻式细分驱动的软件设计

3.1 指示参数位置与步进电机微步数的关系

在本设计中，要显示的参数有温度、压力、转速和电压。温度显示范围为40 ℃~120 ℃，压力显示范围为0~1 MPa，转速显示范围为0~3 000 r/min，电压显示范围为18 V~32 V。在此对温度显示与步进电机微步数的计算关系进行说明，其余三表类似。根据厂家给定的温度面板满量程刻度为112.5°，步进电机细分驱动中每一步旋转角度（1/12）°，因此当达到满量程时步进电机的微步数为step=112.5×12=1 350 步。但温度是从40 ℃开始显示的，应将40 ℃作为指示零点，且满量程为120 ℃，满量程点与初始点相差温度为80 ℃，而它们之间的物理角度差为112.5°，因此温度每相差一度，指针应走过的物理角度为（112.5/80）°，温度与电压近似成线性关系，如图4所示的温度-电压关系图，由此可得关系式：

根据式（2）和式（3）就可计算出相对应的目标温度值y,再根据式（4）就可计算出目标温度相对应的仪表指针位置，即指针距初始点（"40 ℃"点）的微步数。将此位置与指针的当前位置进行比较，即可得到指针应转动的方向和转角。

由于温度与电压之间的非线性关系及电机齿轮的误差影响，导致满度定位有偏差，可以通过分段线性处理的方法，在半满量程点、2/3满量程点和满量程点，对式（4）进行补偿修正，从而获得准确的定位。

3.2 仪表指针跟踪算法的实现

仪表指针运行的效果要求平滑且跟踪快，要满足这两项要求，必须要有好的升降频控制算法，因此必须在软件设计上配合实现硬件电路的细分驱动。硬件电路提供驱动步进电机的阶梯波形，软件设计将控制此波形的时间间隔，使得指针快速、精准地定位，并且平滑、无卡滞地运行。

常用的升降频控制方法有3种：直线升降频、指数曲线升降频、抛物线升降频。直线升降频是以恒定的加速度进行升降，平稳性较好，适用于速度变化较大的快速定位方式。软件实现比较简单，但其加速度时间比较长。指数升降频控制具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大的时侯其平衡性较差。抛物线升降频是将直线升降频和指数曲线升降频相融合，充分考虑到步进电机低速时的有效转矩，使升降速的时间大为缩短，同时又考虑使其具有较强的跟踪能力。

指针跟踪程序流程图如图5所示，查参数-微步数表得到目标微步数后，与当前位置比较确定指针的转动方向和转角。为使指针能快速跟踪、准确定位，需要按抛物线升降频法，建立一张位置差值-指针速度表，当目标位置离当前位置较远时，指针速度较快，反之则较慢，如参数突然变化较大，不能直接从上一较快（较慢）的指针速度一次变化到较慢（较快）的目标速度，会使指针产生卡滞、抖动等现象。

将步进电机应用到船用仪表中，推动了数字化指针仪表的发展，显示方式更符合人机工程学的要求。本文对实现组合电阻式步进电机细分驱动的软硬件设计进行了描述，与专用芯片法（硬件）和PWM脉宽调制法（软件）相比，性价比较好。仪表指针跟踪位置的准确性、快速性及运行平稳性都超过了普通模拟指针表的功能，有着较强的通用性和广阔的应用前景。