光学剪切流变仪中函数运动控制的设计与实现

　　0 引 言

　　步进电机正在被广泛的应用于工业、军事、医疗、汽车等领域中，对其转动模式的要求也越来越高。光学剪切流变仪是控制复杂流体在不同温度和各种剪切模式下利用光学显微系统分析其结构动力学的专用分析仪器。利用光学剪切组件能详细研究复杂流体在许多物理过程中的微细结构变化。仪器采用两片平行的高度抛光石英盘，石英盘通过加热盘提供热源，利用铂电阻温度传感器测量温度。样品置于下石英盘上，石英盘可进行摆动和步进模式剪切。调节两片石英盘的间距使仪器适合各种材质和颗粒大小的物质。

　　剪切模式可设置为稳态剪切，即步进电机匀速运行模式;正弦波振荡剪切，即步进电机正弦曲线运行模式;阶跃剪切，即步进电机定步匀速运行模式;振荡叠加剪切，即步进电机匀速加正弦的运行模式。本文所讨论的内容是如何实现步进电机正弦函数运行模式。

　　步进电机分三种：永磁式(PM)，反应式(VR)和混合式(HB)永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度;反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。基于以上几点，本系统采用性能平稳，性价比较高，应用广泛的四相步进电机，它可以根据需要由片上电源驱动，还可以选择通过驱动器由外部提供电源。另外，低频振荡是步进电机(尤其是反应式电机)的固有特性，如果步进电机有时要如走圆弧，则必须在共振区工作，为了完全消除电机的低频振荡，建议最好选用细分驱动器。

　　1 步进频率的算法

　　现在经常采用的主要算法是定步法，正弦函数前1/4周期的曲线如图1所示。将总升频步数N等分，得步数间隔为△p=P/N，然后求取这N个点的所对应的频率值，转化为单片机的定时器的定时时间常数，存人单片机内存中形成表格，当步进电机在升频过程中每走△P步，改变一次时间常数，输出进给脉冲以实现定步升频，使步进电机按照固定的频率运行，从而实现步进电机的正弦运动。

　　这种算法存在一个问题，即当前速度如果比较慢时，定时就会很长，则延时超出了应该的延时。所以这里应该作一下修正，在延时超过一定值时以设定的值运行。所以这种算法只保证了精确的步数，周期不能保证。