摘 要：介紹基于步進電機的轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和調(diào)速方法。 關鍵詞：轉(zhuǎn)速；步進電機；單片機 0 引言 航空領域的轉(zhuǎn)速表多用來測量和指示發(fā)動機渦輪軸的轉(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，在渦輪轉(zhuǎn)軸的帶動下，發(fā)出三相交流電,頻率與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速成正比。指示器一般由電動機、傳動機構(gòu)和表頭組成。電動機的轉(zhuǎn)速與交流電的頻率成正比,因此，通過指示器就可指示出發(fā)動機渦輪軸的轉(zhuǎn)速。 在以往的轉(zhuǎn)速表測試中，常用直流電機和鎖相環(huán)組成電機調(diào)速系統(tǒng)。直流電機仿真發(fā)動機渦輪軸的轉(zhuǎn)動,通過測量直流電機的轉(zhuǎn)速來測試轉(zhuǎn)速表工作是否正常。由于鎖相環(huán)在調(diào)速過程中存在轉(zhuǎn)速漂移和累積誤差等因素，故在轉(zhuǎn)速表測試的全量程范圍內(nèi)，其測試精度不高，測試的結(jié)果可信度差。 1步進電機的原理 步進電動機或稱脈沖電動機，是一種輸入脈沖信號轉(zhuǎn)換成輸出軸的角位移 （或直線位移） 的執(zhí)行元件。這種電動機每輸入一個脈沖信號，輸出軸便轉(zhuǎn)動一固定的角度，輸出軸轉(zhuǎn)過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 步進電機的特征 （1） 高精度的定位：步進電機最大特征即是能夠簡1單的做到高精度的定位控制。以 相步進電機為例：其5定位基本單位（分辨率）為（全步級）（半0.72° /0.36°步級），是非常小的；停止定位精度誤差皆在分 （±3 ±） 以內(nèi)，且無累計誤差，故可達到高精度的定位控0.05°（步進電機的定位精度是取決于電機本身的機械加工制精度）。 （2） 位置及速度控制：步進電機在輸入脈沖信號2時，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的旋轉(zhuǎn)進而得到靈活的角度控制（位置控制），并可得到與該脈沖信號頻率成比例的旋轉(zhuǎn)速度。 （3） 具有定位保持力：步進電機在停止狀態(tài)下 （無3脈波信號輸入時），仍具有激磁保持力，故即使不依靠機械式的剎車，也能做到停止位置的保持。 （4） 動作靈敏：步進電機因為加速性能優(yōu)越，所以4可做到瞬時起動、停止、正反轉(zhuǎn)快速、頻繁的定位動作。 因此用它做伺服電動機應用于伺服系統(tǒng)時，往往可使系統(tǒng)簡單化，工作可靠，而且可以獲得較高的控制精度。 使用步進電機的運動系統(tǒng)由步進電機驅(qū)動器和步進電機構(gòu)成。當系統(tǒng)接受一個電脈沖信號時，步進電機的轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)過一定的角度或移動一定的直線距離。電脈沖輸入越多，電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度或直線位移就越多；同時，輸入電脈沖的頻率越高，電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速或位移速度就越快。步進電機控制的最大特點是沒有積累誤差（精度為 ）。因此，將步進電機應用于轉(zhuǎn)速測試是100%十分必要和合理的。 3轉(zhuǎn)速表測試的工作原理 轉(zhuǎn)速表測試的原理圖如圖1所示。單片機最小系統(tǒng)主頻最好在30MHZ以上，具有16位的定時器和計數(shù)器。定時器控制T0控制DO經(jīng)光電隔離器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。通過調(diào)整定時器T0定時時間可以調(diào)整步進電機的轉(zhuǎn)速。光電碼盤安裝在步進電機的轉(zhuǎn)軸上；光電碼盤輸出的信號經(jīng)光電隔離后送給單片機的計數(shù)器T1和用T1測量步進電機的轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)速為步進電機的標準轉(zhuǎn)速。步進電機一方面帶動光電碼盤轉(zhuǎn)動，另一方面帶動轉(zhuǎn)速表的傳感器，通過轉(zhuǎn)速表的指示器指示出步進電機的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速為指示轉(zhuǎn)速。 當指示轉(zhuǎn)速在標準轉(zhuǎn)速的允許誤差范圍內(nèi)時，可以診斷轉(zhuǎn)速表工作正常，否則，轉(zhuǎn)速表存在故障。 步進電機的調(diào)速是通過定時器來完成的。第一次定時時間內(nèi)單片機DO口輸出高電平，在第二次定時時間DO內(nèi)單片機口輸出低電平，完成一次步進脈沖的輸出；DO在該脈沖的作用下，步進電機完成一次步距角的轉(zhuǎn)動。設步進電機的步距角為a，轉(zhuǎn)速為n，步進脈沖的頻率為f，則1分鐘內(nèi)步進脈沖的個數(shù)為： 由此得出步進電機的轉(zhuǎn)速為： 由于f=1/2t 故定時器定時時間t和轉(zhuǎn)速n的關系式為：t=a/120n。 AT89C51單片機定時器計數(shù)脈沖的頻率是主頻M的1/12，設16位定時器的初始值為N：則定時時間為t=12/M（2[sup]16[/sup]-N）=a/120n，由此得出定時器的初始值為： 通過該式可以看出，在轉(zhuǎn)速超過萬轉(zhuǎn)后，為使定時器初始值選取容易，在選取步進電機時，其步進角應比較大，單片機的主頻也應較高。 在單片機系統(tǒng)中，可以通過鍵盤設定轉(zhuǎn)速。單片機計算出定時器初始值后，控制DO接口輸出步進脈沖，計算出定時器初始值后DO步進電機開始轉(zhuǎn)動，此時單片機的顯示器可以顯示出通過計數(shù)器得出的標準轉(zhuǎn)速。如果標準轉(zhuǎn)速與設定轉(zhuǎn)速不，可通過軟件修改定時器的初始值來調(diào)整轉(zhuǎn)速。由相同于步進電機的轉(zhuǎn)速依靠步進脈沖個數(shù)來調(diào)節(jié)，故可以通過連續(xù)更換定時器初始值來達到調(diào)速的目的，使標準轉(zhuǎn)速與設定轉(zhuǎn)速相同。待標準轉(zhuǎn)速與設定轉(zhuǎn)速相同后，可讀取轉(zhuǎn)速表的指示值，診斷測試結(jié)果。 4軟件設計 作者用的是單片機C語言編制的程序，開發(fā)系統(tǒng)是KeilC51，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(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，并請大家給予指證和提出寶貴的意見。 5結(jié)束語 相對鎖相環(huán)的電機調(diào)速，本測試方法的實現(xiàn)容易。調(diào)速依靠軟件進行，克服了轉(zhuǎn)速漂移和累積誤差的缺點。筆者為了測試轉(zhuǎn)速表，完成過兩項轉(zhuǎn)速表測試儀的研究，認為這種調(diào)速方法值得推廣。 參考文獻 [1]吳健強 現(xiàn)代傳動及其控制技術(shù)[M]，北京：機械工業(yè)出版社,2003. [2]胡偉，季曉衡 單片機C程序設計及應用實例[M] 北京：人民郵電出版社,2003.