用步進電機改進位移式傳感器實驗系統(tǒng)

王士湖， 陳 奇

(淮陰工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

0 引 言

傳感器技術(shù)或自動檢測技術(shù)是一門實踐性很強的課程，一般都會在教學(xué)計劃中安排適當(dāng)?shù)膶嶒烅椖縼礤憻拰W(xué)生的實踐能力。位移傳感器是重要的一部分，針對位移傳感器開設(shè)的實驗的項目有很多，如浙江高聯(lián)科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的CSY-XS-01型傳感器系列實驗系統(tǒng)中就可以開設(shè)電容式位移傳感器實驗、差動變壓器的性能實驗、激勵頻率對差動變壓器特性的影響實驗、差動變壓器零點殘余電壓補償實驗、差動變壓器測位移實驗、差動變壓器測振動實驗、電渦流傳感器位移特性實驗、被測體材質(zhì)和面積對電渦流傳感器特性影響實驗、電渦流傳感器測振動實驗、線性霍爾傳感器位移特性實驗、光纖位移傳感器測位移特性實驗等實驗項目。這些項目中的位移變化都是通過手動調(diào)節(jié)螺旋測微儀的微分筒進行，調(diào)節(jié)到位后進行讀數(shù)和記錄操作，操作結(jié)束后由學(xué)生在課后進行數(shù)據(jù)處理和分析，從而完成實驗報告的撰寫。在整個實驗過程中學(xué)生必須非常小心和耐心地調(diào)節(jié)微分筒以免過調(diào)，由于機械回差的原因，過調(diào)后不能回調(diào)，這樣就丟失一個數(shù)據(jù)點，若回調(diào)則測得的該點數(shù)據(jù)可信度就極大降低，該點數(shù)據(jù)往往是個壞數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理時也應(yīng)予以剔除。在數(shù)據(jù)量較多的情況下，學(xué)生要有足夠的耐心，實驗強度也較大。當(dāng)然,其實驗系統(tǒng)可以外置數(shù)據(jù)采集卡,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集,但學(xué)生仍需要調(diào)節(jié)測微儀,上述的缺陷仍然不能彌補,另外，每次讀數(shù)時測微儀微分筒的定位是靠人工判斷，也會帶來讀數(shù)誤差。為了改變這一現(xiàn)狀，對原有系統(tǒng)進行了改進。

1 原實驗系統(tǒng)

電容傳感器實驗為例介紹原實驗系統(tǒng)，其安裝示意圖如圖1所示。圖中上部分是機頭安裝部分，下部分是各種基于各種傳感器的變換電路及信號源與指示儀表。差動電容位移傳感器實驗的連接如圖1所示，基本原理是：差動電容傳感器將位移信息轉(zhuǎn)換為差動電容的變化，理論上，在量程范圍內(nèi)，電容變化與位移成正比，電容變換電路將電容變化轉(zhuǎn)換為直流輸出電壓，再經(jīng)過差動放大器放大后送入數(shù)顯表頭指示，放大后的直流輸出電壓與電容變化量正比，即直流輸出電壓與位移成正比，研究輸出電壓與位移的關(guān)系就可以得到電容傳感器的特性。做其他實驗時只要將電容傳感器和變換器用其他傳感器和相應(yīng)變換器替換即可。

圖1 改進前實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 改進方案硬件結(jié)構(gòu)

針對原系統(tǒng)存在的如下缺陷：① 實驗效率低；② 實驗強度大；③ 實驗課堂容量?。虎?無法避免讀數(shù)誤差；⑤ 課后還要進行枯燥的數(shù)據(jù)處理。在仔細(xì)分析和觀察的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的大部分課堂時間用于調(diào)節(jié)和記錄以及課后的數(shù)據(jù)處理上。改進的思路是采用單片機為核心控制器，控制直線式步進電機來驅(qū)動各種傳感器的連桿實現(xiàn)位移的改變[1-3]。設(shè)計了兩種模式，① 無上位機模式(即本地模式);② 有上位機模式。在有上位機的情況下，定位后由單片機控制A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲到存儲體器中，當(dāng)正程和回程均測量完畢后，將測量數(shù)據(jù)上傳到上位機，由上位機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。在無上位機模式下，采用固定量程，直接通過下位機的鍵盤控制步進電機產(chǎn)生恒定的步進位移，通過原來的數(shù)顯表讀取實驗結(jié)果，人工進行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中，單片機采用通用單片機AT89C52[4],它具有較為豐富的資源，“看門狗”電路的設(shè)置是為了防止系統(tǒng)跑飛;鍵盤用于設(shè)定必要的參數(shù)：步進電機的轉(zhuǎn)向(即正程或回程)、量程、本地處理還是上傳處理;顯示器采用1602液晶顯示器顯示設(shè)置值和每次的采樣結(jié)果，為了滿足原來系統(tǒng)的測量精度要求，A/D轉(zhuǎn)換器采用12位A/D轉(zhuǎn)換器[2]。為了實現(xiàn)直線步進電機在運行中的平穩(wěn)性, 在控制上采用了細(xì)分控制策略。其控制方法是在每個齒距下,對直線步進電機繞組按細(xì)分規(guī)律通電, 采用每個整步距下逐漸變占空比的PWM 恒流控制辦法。即:一相繞組的PWM占空比按正弦規(guī)律由大變小;另一相繞組的占空比按余弦曲線由小變大。這種逐漸過渡的變占空比控制方法可使電機磁勢幅值均勻變化, 出力均勻,從而實現(xiàn)平穩(wěn)運行，如果每個整步(不細(xì)分) 的細(xì)分步數(shù)為N,則在每個輸入脈沖下步進電機運行步距為不細(xì)分時步距的1/n,從正、余弦波形來看, 細(xì)分?jǐn)?shù)n取偶數(shù)容易做到半周期等細(xì)分,一般取n=2n(n=1,2,…,k),k為正整數(shù)。本系統(tǒng)單片機為8位,k最大為8,則n最大為256。但是細(xì)分?jǐn)?shù)過多,電機快速運轉(zhuǎn)時容易出現(xiàn)“丟步”或“越步”,直線位移不準(zhǔn)確，在本系統(tǒng)的應(yīng)用中要求直線位移準(zhǔn)確、步進平穩(wěn)，而對速度沒有過高要求。細(xì)分控制驅(qū)動電路采用全橋PWM微型步進電機驅(qū)動器3957，該芯片將微步控制與H 橋功率器件集成在一起,是一種具有16細(xì)分功能的兩相步進電機專用驅(qū)動芯片[5,15]。一片可以用來驅(qū)動一相電機繞組, 工作電壓最高可達50 V,電流達1.5 A,易于與單片機接口,節(jié)約了單片機的軟件開銷，步進電機采用廉價的帶絲桿的相機調(diào)焦電機改裝。在結(jié)構(gòu)上，只需要在原來安裝測微頭的位置上安裝步進電機，控制器單獨封裝，在實驗時與步進電機連接。

3 軟件設(shè)計

為了簡化設(shè)計，在該控制系統(tǒng)中，步進電機采用恒定的轉(zhuǎn)速v，在本地處理時采用恒定的位移量Δx和恒定量程l，顯示采用原來系統(tǒng)的數(shù)顯表頭顯示，這樣在本地處理時的操作就極為簡單，只需要設(shè)定轉(zhuǎn)向后每次按動“NEXT”按鈕，便產(chǎn)生恒定的位移量Δx，然后讀取數(shù)值并記錄，相當(dāng)于一個點動控制，每點動一次位移一個恒定的位移量Δx。在上位機模式下，由于數(shù)據(jù)處理無需人工進行，所以數(shù)據(jù)量可以大一點，步進電機的量程l、每次位移量Δx均由上位機設(shè)定后下傳。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié) 語

改進后的方案，由于位移的產(chǎn)生由步進電機控制，避免了回調(diào)，也就避免了機械回差的產(chǎn)生，數(shù)據(jù)可信度更高。在上位機模式下，位移產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集和處理均

自動完成，大大降低了實驗強度，提高了實驗效率，擴大了實驗容量，更為有效地利用了有限課內(nèi)實驗學(xué)時。

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