摘 要：介紹基于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和調(diào)速方法。 關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速；步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī) 0 引言 航空領(lǐng)域的轉(zhuǎn)速表多用來(lái)測(cè)量和指示發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸的轉(zhuǎn)速。它由傳感器和指示器兩部分組成。傳感器本質(zhì)上是發(fā)電機(jī)，在渦輪轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下，發(fā)出三相交流電,頻率與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速成正比。指示器一般由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和表頭組成。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與交流電的頻率成正比,因此，通過(guò)指示器就可指示出發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸的轉(zhuǎn)速。 在以往的轉(zhuǎn)速表測(cè)試中，常用直流電機(jī)和鎖相環(huán)組成電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。直流電機(jī)仿真發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)測(cè)量直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)測(cè)試轉(zhuǎn)速表工作是否正常。由于鎖相環(huán)在調(diào)速過(guò)程中存在轉(zhuǎn)速漂移和累積誤差等因素，故在轉(zhuǎn)速表測(cè)試的全量程范圍內(nèi)，其測(cè)試精度不高，測(cè)試的結(jié)果可信度差。 1步進(jìn)電機(jī)的原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種輸入脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出軸的角位移 （或直線位移） 的執(zhí)行元件。這種電動(dòng)機(jī)每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，輸出軸便轉(zhuǎn)動(dòng)一固定的角度，輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)的總角度與輸入脈沖數(shù)成正比，輸出軸的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。 2 步進(jìn)電機(jī)的特征 （1） 高精度的定位：步進(jìn)電機(jī)最大特征即是能夠簡(jiǎn)1單的做到高精度的定位控制。以 相步進(jìn)電機(jī)為例：其5定位基本單位（分辨率）為（全步級(jí)）（半0.72° /0.36°步級(jí)），是非常小的；停止定位精度誤差皆在分 （±3 ±） 以內(nèi)，且無(wú)累計(jì)誤差，故可達(dá)到高精度的定位控0.05°（步進(jìn)電機(jī)的定位精度是取決于電機(jī)本身的機(jī)械加工制精度）。 （2） 位置及速度控制：步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)2時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的旋轉(zhuǎn)進(jìn)而得到靈活的角度控制（位置控制），并可得到與該脈沖信號(hào)頻率成比例的旋轉(zhuǎn)速度。 （3） 具有定位保持力：步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下 （無(wú)3脈波信號(hào)輸入時(shí)），仍具有激磁保持力，故即使不依靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。 （4） 動(dòng)作靈敏：步進(jìn)電機(jī)因?yàn)榧铀傩阅軆?yōu)越，所以4可做到瞬時(shí)起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)快速、頻繁的定位動(dòng)作。 因此用它做伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于伺服系統(tǒng)時(shí)，往往可使系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，工作可靠，而且可以獲得較高的控制精度。 使用步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成。當(dāng)系統(tǒng)接受一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度或移動(dòng)一定的直線距離。電脈沖輸入越多，電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度或直線位移就越多；同時(shí)，輸入電脈沖的頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速或位移速度就越快。步進(jìn)電機(jī)控制的最大特點(diǎn)是沒(méi)有積累誤差（精度為 ）。因此，將步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于轉(zhuǎn)速測(cè)試是100%十分必要和合理的。 3轉(zhuǎn)速表測(cè)試的工作原理 轉(zhuǎn)速表測(cè)試的原理圖如圖1所示。單片機(jī)最小系統(tǒng)主頻最好在30MHZ以上，具有16位的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。定時(shí)器控制T0控制DO經(jīng)光電隔離器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)整定時(shí)器T0定時(shí)時(shí)間可以調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。光電碼盤安裝在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上；光電碼盤輸出的信號(hào)經(jīng)光電隔離后送給單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T1和用T1測(cè)量步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)速為步進(jìn)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)一方面帶動(dòng)光電碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面帶動(dòng)轉(zhuǎn)速表的傳感器，通過(guò)轉(zhuǎn)速表的指示器指示出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速為指示轉(zhuǎn)速。 當(dāng)指示轉(zhuǎn)速在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的允許誤差范圍內(nèi)時(shí)，可以診斷轉(zhuǎn)速表工作正常，否則，轉(zhuǎn)速表存在故障。 步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速是通過(guò)定時(shí)器來(lái)完成的。第一次定時(shí)時(shí)間內(nèi)單片機(jī)DO口輸出高電平，在第二次定時(shí)時(shí)間DO內(nèi)單片機(jī)口輸出低電平，完成一次步進(jìn)脈沖的輸出；DO在該脈沖的作用下，步進(jìn)電機(jī)完成一次步距角的轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)步進(jìn)電機(jī)的步距角為a，轉(zhuǎn)速為n，步進(jìn)脈沖的頻率為f，則1分鐘內(nèi)步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)為： 由此得出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： 由于f=1/2t 故定時(shí)器定時(shí)時(shí)間t和轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式為：t=a/120n。 AT89C51單片機(jī)定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖的頻率是主頻M的1/12，設(shè)16位定時(shí)器的初始值為N：則定時(shí)時(shí)間為t=12/M（2[sup]16[/sup]-N）=a/120n，由此得出定時(shí)器的初始值為： 通過(guò)該式可以看出，在轉(zhuǎn)速超過(guò)萬(wàn)轉(zhuǎn)后，為使定時(shí)器初始值選取容易，在選取步進(jìn)電機(jī)時(shí)，其步進(jìn)角應(yīng)比較大，單片機(jī)的主頻也應(yīng)較高。 在單片機(jī)系統(tǒng)中，可以通過(guò)鍵盤設(shè)定轉(zhuǎn)速。單片機(jī)計(jì)算出定時(shí)器初始值后，控制DO接口輸出步進(jìn)脈沖，計(jì)算出定時(shí)器初始值后DO步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)單片機(jī)的顯示器可以顯示出通過(guò)計(jì)數(shù)器得出的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。如果標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速不，可通過(guò)軟件修改定時(shí)器的初始值來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)速。由相同于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速依靠步進(jìn)脈沖個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，故可以通過(guò)連續(xù)更換定時(shí)器初始值來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的，使標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相同。待標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相同后，可讀取轉(zhuǎn)速表的指示值，診斷測(cè)試結(jié)果。 4軟件設(shè)計(jì) 作者用的是單片機(jī)C語(yǔ)言編制的程序，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是KeilC51，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。KeilC51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。以下是C51程序的部分源代碼，并附帶部分注釋，希望和大家共同分享，并請(qǐng)大家給予指證和提出寶貴的意見(jiàn)。 5結(jié)束語(yǔ) 相對(duì)鎖相環(huán)的電機(jī)調(diào)速，本測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)容易。調(diào)速依靠軟件進(jìn)行，克服了轉(zhuǎn)速漂移和累積誤差的缺點(diǎn)。筆者為了測(cè)試轉(zhuǎn)速表，完成過(guò)兩項(xiàng)轉(zhuǎn)速表測(cè)試儀的研究，認(rèn)為這種調(diào)速方法值得推廣。 參考文獻(xiàn) [1]吳健強(qiáng) 現(xiàn)代傳動(dòng)及其控制技術(shù)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003. [2]胡偉，季曉衡 單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例[M] 北京：人民郵電出版社,2003.