用步进电机改进位移式传感器实验系统

王士湖， 陈 奇

(淮阴工学院 电子与电气工程学院，江苏 淮安 223003)

0 引 言

传感器技术或自动检测技术是一门实践性很强的课程，一般都会在教学计划中安排适当的实验项目来锻炼学生的实践能力。位移传感器是重要的一部分，针对位移传感器开设的实验的项目有很多，如浙江高联科技开发有限公司生产的CSY-XS-01型传感器系列实验系统中就可以开设电容式位移传感器实验、差动变压器的性能实验、激励频率对差动变压器特性的影响实验、差动变压器零点残余电压补偿实验、差动变压器测位移实验、差动变压器测振动实验、电涡流传感器位移特性实验、被测体材质和面积对电涡流传感器特性影响实验、电涡流传感器测振动实验、线性霍尔传感器位移特性实验、光纤位移传感器测位移特性实验等实验项目。这些项目中的位移变化都是通过手动调节螺旋测微仪的微分筒进行，调节到位后进行读数和记录操作，操作结束后由学生在课后进行数据处理和分析，从而完成实验报告的撰写。在整个实验过程中学生必须非常小心和耐心地调节微分筒以免过调，由于机械回差的原因，过调后不能回调，这样就丢失一个数据点，若回调则测得的该点数据可信度就极大降低，该点数据往往是个坏数据，数据处理时也应予以剔除。在数据量较多的情况下，学生要有足够的耐心，实验强度也较大。当然,其实验系统可以外置数据采集卡,实现数据的自动采集,但学生仍需要调节测微仪,上述的缺陷仍然不能弥补,另外，每次读数时测微仪微分筒的定位是靠人工判断，也会带来读数误差。为了改变这一现状，对原有系统进行了改进。

1 原实验系统

电容传感器实验为例介绍原实验系统，其安装示意图如图1所示。图中上部分是机头安装部分，下部分是各种基于各种传感器的变换电路及信号源与指示仪表。差动电容位移传感器实验的连接如图1所示，基本原理是：差动电容传感器将位移信息转换为差动电容的变化，理论上，在量程范围内，电容变化与位移成正比，电容变换电路将电容变化转换为直流输出电压，再经过差动放大器放大后送入数显表头指示，放大后的直流输出电压与电容变化量正比，即直流输出电压与位移成正比，研究输出电压与位移的关系就可以得到电容传感器的特性。做其他实验时只要将电容传感器和变换器用其他传感器和相应变换器替换即可。

图1 改进前实验系统结构图

2 改进方案硬件结构

针对原系统存在的如下缺陷：① 实验效率低；② 实验强度大；③ 实验课堂容量小；④ 无法避免读数误差；⑤ 课后还要进行枯燥的数据处理。在仔细分析和观察的基础上，发现学生的大部分课堂时间用于调节和记录以及课后的数据处理上。改进的思路是采用单片机为核心控制器，控制直线式步进电机来驱动各种传感器的连杆实现位移的改变[1-3]。设计了两种模式，① 无上位机模式(即本地模式);② 有上位机模式。在有上位机的情况下，定位后由单片机控制A/D转换器进行A/D转换，并将转换结果存储到存储体器中，当正程和回程均测量完毕后，将测量数据上传到上位机，由上位机负责数据处理。在无上位机模式下，采用固定量程，直接通过下位机的键盘控制步进电机产生恒定的步进位移，通过原来的数显表读取实验结果，人工进行数据处理，系统结构示意图如图2所示。

图2 系统结构示意图

图2中，单片机采用通用单片机AT89C52[4],它具有较为丰富的资源，“看门狗”电路的设置是为了防止系统跑飞;键盘用于设定必要的参数：步进电机的转向(即正程或回程)、量程、本地处理还是上传处理;显示器采用1602液晶显示器显示设置值和每次的采样结果，为了满足原来系统的测量精度要求，A/D转换器采用12位A/D转换器[2]。为了实现直线步进电机在运行中的平稳性, 在控制上采用了细分控制策略。其控制方法是在每个齿距下,对直线步进电机绕组按细分规律通电, 采用每个整步距下逐渐变占空比的PWM 恒流控制办法。即:一相绕组的PWM占空比按正弦规律由大变小;另一相绕组的占空比按余弦曲线由小变大。这种逐渐过渡的变占空比控制方法可使电机磁势幅值均匀变化, 出力均匀,从而实现平稳运行，如果每个整步(不细分) 的细分步数为N,则在每个输入脉冲下步进电机运行步距为不细分时步距的1/n,从正、余弦波形来看, 细分数n取偶数容易做到半周期等细分,一般取n=2n(n=1,2,…,k),k为正整数。本系统单片机为8位,k最大为8,则n最大为256。但是细分数过多,电机快速运转时容易出现“丢步”或“越步”,直线位移不准确，在本系统的应用中要求直线位移准确、步进平稳，而对速度没有过高要求。细分控制驱动电路采用全桥PWM微型步进电机驱动器3957，该芯片将微步控制与H 桥功率器件集成在一起,是一种具有16细分功能的两相步进电机专用驱动芯片[5,15]。一片可以用来驱动一相电机绕组, 工作电压最高可达50 V,电流达1.5 A,易于与单片机接口,节约了单片机的软件开销，步进电机采用廉价的带丝杆的相机调焦电机改装。在结构上，只需要在原来安装测微头的位置上安装步进电机，控制器单独封装，在实验时与步进电机连接。

3 软件设计

为了简化设计，在该控制系统中，步进电机采用恒定的转速v，在本地处理时采用恒定的位移量Δx和恒定量程l，显示采用原来系统的数显表头显示，这样在本地处理时的操作就极为简单，只需要设定转向后每次按动“NEXT”按钮，便产生恒定的位移量Δx，然后读取数值并记录，相当于一个点动控制，每点动一次位移一个恒定的位移量Δx。在上位机模式下，由于数据处理无需人工进行，所以数据量可以大一点，步进电机的量程l、每次位移量Δx均由上位机设定后下传。系统软件流程如图3所示。

图3 系统软件流程图

4 结 语

改进后的方案，由于位移的产生由步进电机控制，避免了回调，也就避免了机械回差的产生，数据可信度更高。在上位机模式下，位移产生、数据采集和处理均

自动完成，大大降低了实验强度，提高了实验效率，扩大了实验容量，更为有效地利用了有限课内实验学时。

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