用軟件實(shí)現(xiàn)儀表步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

1、在HCS08系列MCU上用軟件實(shí)現(xiàn)儀表步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)飛思卡爾半甘體成都分公司傅志強(qiáng) （frank. fufreescale com）步進(jìn)電機(jī)由丁貝冇角位移和輸入脈沖數(shù)成正比并且沒(méi)冇累枳謀差的特點(diǎn)，而被廣泛的 用作汽車儀表的顯示部件，其中具有代表性的是偉力驅(qū)動(dòng)技術(shù)（深圳）令限公司的VID29 系列步進(jìn)電機(jī)。在多數(shù)情況下，人們會(huì)便用專用的業(yè)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，主控制器只 需要給出方向控制信號(hào)和控制轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)的脈沖就行了。另外，也冇集成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電 路的MCU,如Freescale的MC9S12HY系列，其使用方法也比較簡(jiǎn)單.然而，在很多較低端的 汽車儀表，如微型車、農(nóng)用車、三輪貨車和靡托車的儀

2、表上，人們?yōu)榱私档统杀?希望能 夠不用&用驅(qū)動(dòng)芯片或相對(duì)較貴的帯驅(qū)動(dòng)電路的MCS而是用普通的MCU自接公騾動(dòng)步進(jìn)電 機(jī)。本應(yīng)用筆記介紹了在Freescale的HCS08系列MCU上，如何用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)VID29系列步 進(jìn)電機(jī)的自接張動(dòng)。本文所附帯的程序，1_1經(jīng)在Freescale的LG32 Cluster Reference Design演示板上運(yùn)行驗(yàn)證過(guò)。VID29系列步進(jìn)電機(jī)的工作原理VID29系列步進(jìn)電機(jī)是兩相步進(jìn)電機(jī)經(jīng)三級(jí)齒輪減速傳動(dòng)輸出的。該步進(jìn)電機(jī)的工作 原理對(duì)以川下面的簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)圖（圖14）進(jìn)行說(shuō)明。在象ID29系列這樣的兩相步進(jìn)電 機(jī)屮.轉(zhuǎn)子是一個(gè)水磁體，定子上安裝了兩組線圈

3、。當(dāng)給定子線圈通上電流的時(shí)候，就在 轉(zhuǎn)子周鬧的氣隙中產(chǎn)生了-個(gè)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子就會(huì)在磁力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)到使它門身的磁場(chǎng)方向 和線圈電流產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)方向半行的位置（卜文屮把它叫做平衡位置）。要讓步進(jìn)電機(jī) 連續(xù)地旋轉(zhuǎn).可以按如下步驟進(jìn)行1. 如圖1所示，在線圈A中通上電流，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)90度到圖2所示的位置；fo,L A0COIL Bffll.步進(jìn)電機(jī)線圈A通電2. 如圖2所示，斷丿|：線圈A中的電流，給線圈B通上電流，轉(zhuǎn)子又會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90度到圖3 所示的位置；COILA圖2步進(jìn)電機(jī)線圈B通電COILB圖3步進(jìn)電機(jī)線圈A反向通電oCOILBO3. 如圖3所品斷開(kāi)線圈B中的電流，給線圈A通I：跟步驟1中方

4、向相反的電流，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90度到圖4所示的位紀(jì)COLL A )C34. 如圖4所示，斷開(kāi)線圈A中的電流，給線圈B通上跟步驟2中方向相反的電流，轉(zhuǎn)子繼 續(xù)旋轉(zhuǎn)90度回到圖1所示的位置；COIL A圖4.步進(jìn)電機(jī)線圈B反向通電5. 重復(fù)步驟14,步進(jìn)電機(jī)就會(huì)連續(xù)地旋轉(zhuǎn)起來(lái)了。如果將步驟14的順序顛倒過(guò)來(lái)，那么步進(jìn)電機(jī)就會(huì)以相反的方向旋轉(zhuǎn)。另外，如果 將A和B兩個(gè)線圈同時(shí)通以大小相同的那么的合成磁場(chǎng)的方向就和個(gè)線圈單獨(dú) 通電時(shí)的磁場(chǎng)方向成45度夾角，這樣轉(zhuǎn)子就將旋轉(zhuǎn)45度，而不是90度.實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)由丁轉(zhuǎn)子的形狀和定子線圈的安裝方位跟上述的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)不同，所以 匸作時(shí)驅(qū)動(dòng)電流的時(shí)序和轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn)

5、的角度也不完全-樣。對(duì)于VID29系列步進(jìn)電機(jī) 來(lái)說(shuō)，它的驅(qū)動(dòng)脈沖序列和轉(zhuǎn)子相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度如圖5所示。180八齒輪系減速動(dòng)f轉(zhuǎn)子齒輪系馬達(dá)輸出圖5VID29系列步進(jìn)電機(jī)工作原理*分步驅(qū)動(dòng)和微步驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)通常仃分步方式和微步方式兩種，圖5屮的脈沖序列是分步方式下的 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。分步方式的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度只有0和電源電壓(5V)兩種，與數(shù)字信號(hào) 的低電平和高電平完全 對(duì)應(yīng)，【月此只要使用MCI；的普通數(shù)字1/01 I (GPI0)就町以產(chǎn)生驅(qū) 動(dòng)信小 驅(qū)動(dòng)程序也比較簡(jiǎn)單。但是由于分步方式下，定子線圈產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)的方向在 每走一步的過(guò)程中都發(fā)生一個(gè)較大的跳變對(duì)于VID29系列步進(jìn)電機(jī)而言

6、是60&I J. 變，定子磁場(chǎng)從原來(lái)的方向跳變到下一個(gè)平衡位置的方向，轉(zhuǎn)子則在磁力的作用下加速向 下個(gè)平衡位宜轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)它到達(dá)平衡位宣的那個(gè)瞬速度達(dá)到最人值，而磁場(chǎng)力則變?yōu)?零（只考慮切向力，不考慮徑向力，因?yàn)閺较蛄εc轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)關(guān)。下同）：然后，如果驅(qū)動(dòng)信 號(hào)沒(méi)仃變化的話，轉(zhuǎn)子就會(huì)在慣性的作用下繼續(xù)往前轉(zhuǎn)動(dòng)偏離平衡位置，這時(shí)磁場(chǎng)力將會(huì) 增大.而苴方向卻變成跟剛才相反，于是就使轉(zhuǎn)子減速，當(dāng)轉(zhuǎn)子與平衡位置的偏離達(dá)到最 人時(shí)其速度減為冬.然后在磁場(chǎng)力作用卜往回加速轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)凹平衡位置時(shí)，磁場(chǎng) 力又變?yōu)榱悖俣炔粸榱?，于是在慣性的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)偏離平衡位置如此反父. 只要驅(qū)動(dòng)信號(hào)還沒(méi)令再次改變，轉(zhuǎn)子就

7、會(huì)彖蕩秋千一樣在卜衡位置附近來(lái)冋振蕩，并在摩 擦力的作用下幅度逐漸減小。這種振蕩還會(huì)產(chǎn)生定的噪聲，所以用分步方式驅(qū)動(dòng)時(shí)，步 進(jìn)電機(jī)的噪聲和抖動(dòng)會(huì)比較大。為了減小步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲和抖動(dòng)，人們?cè)O(shè)法讓定子線圈的磁場(chǎng)方向的跳變幅度 變小.把 個(gè)分步 次的人跳變分成若次較小的跳變來(lái)完成，于是就有了微步驅(qū)動(dòng)方 式，也叫細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)矢帚介成的原理，為步進(jìn)電機(jī)中的兩個(gè)線囲并自產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度按照正/余弦 規(guī)律變化的時(shí)候，它們的合成磁場(chǎng)的方向就會(huì)勻速旋轉(zhuǎn)，而合成礎(chǔ)場(chǎng)的強(qiáng)度保持不變，如 圖6所示。線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與通過(guò)它的電流大小成正比，因此微步驅(qū)動(dòng)方式就是讓通 過(guò)線圈的驅(qū)動(dòng)電流不是彖分步方式那樣40

8、和最人值Z間跳變，而是按照止余弦觀律分成 幾個(gè)階梯逐步變化.如圖7所示。圖6兩個(gè)線圈產(chǎn)生的介成碗場(chǎng)那么如何來(lái)產(chǎn)左階梯變化的驅(qū)動(dòng)電流呢？通常的做法是將-個(gè)PWM波形電壓信兮施加 到線圈上：同時(shí)串聯(lián)一個(gè)阻值較小的電阻作為電流傳感器.將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電床信號(hào)反 饋回PWM控制器中：PWM控制器根據(jù)反饋信勺調(diào)整輸出脈沖的占空比，從而使線圈上的平均 電流等于所需的階梯電流。目前，常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)專用騾動(dòng)芯片就是依據(jù)這個(gè)原珅來(lái)作 的。在使用MCU直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的時(shí)候，因?yàn)镸CU內(nèi)部也集成了PWM模塊,所以我們也可 以采用這個(gè)方法.但是，這種方法還需要使用ADC來(lái)測(cè)竜反饋信弓的人小，并II浚實(shí)時(shí)地 計(jì)算出所

9、需的PWM脈沖的占空比，因此將會(huì)占用太多的MCU的資源，使HCU幾乎無(wú)法再處理 其他的爭(zhēng)情。微步驅(qū)動(dòng)豚沖（電流援幅=l 根據(jù)平均間隔時(shí)間設(shè)置TPM2C0V的增 M. （wTimerIncrement） 并啟動(dòng) 定時(shí)器。在定時(shí)器的中斷服務(wù)程序中驅(qū)動(dòng)電機(jī)一步一步地向目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動(dòng)，為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng)到目標(biāo)位置后，讓定時(shí)器停止工作。另外，考慮到輸入信兮變化很快時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)及速度町能跟不上信兮的變化，從而在 卜一次測(cè)晴完輸入借號(hào)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的H標(biāo)位置再次進(jìn)行設(shè)定時(shí)，電機(jī)還止在轉(zhuǎn)動(dòng)Z中。這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度右FJ能很快.在這種情況下如果重新心動(dòng)定時(shí)器則仃町能造成火 藝，因此SetStepperTargetff

10、i序根據(jù)電機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行了分別的處理，比流程如圖12所 示。關(guān)中斷圖 12. SetStepperTargetO 流程圖在定時(shí)器的中斷服務(wù)程序中,首先判斷bBrakeFlag標(biāo)志,如果不是0,則表示當(dāng)前轉(zhuǎn) 動(dòng)方向跟目標(biāo)位置不一致，需要先減速到停止，然后再反向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)bBrakeFlag為0時(shí)， 根據(jù)半均間隔時(shí)間決定何時(shí)讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)分步/微步，以及是否需要進(jìn)行加減速。當(dāng)平 均間礪時(shí)間人丁Tss時(shí)，電機(jī)每隔個(gè)平均間隔時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)步，作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。而當(dāng)平均間 隔時(shí)間小于Tss時(shí)，則讓電機(jī)第一步的間隔時(shí)間為Tss.然后逐漸減小即做加速轉(zhuǎn)動(dòng),直 到達(dá)到需要的平均轉(zhuǎn)速或電機(jī)允許的最高轉(zhuǎn)速;到接近LI標(biāo)位置時(shí)，則讓每一步的間隔時(shí) 間逐漸加長(zhǎng)，電機(jī)減速轉(zhuǎn)動(dòng)，并何使最后一步的間隔時(shí)間不小于Tss,以保證不會(huì)失步。 定時(shí)器中斷服務(wù)程序的流程如圖13所示。圖13.定時(shí)器中斷服務(wù)F序渝卅圖總結(jié)使用本文給出的驅(qū)動(dòng)