#在HCS08系列MCU上用軟件實現(xiàn)儀表步進電機驅(qū)動

1、1/ 7在HCS08系列MCU上用軟件實現(xiàn)儀表步進電機地驅(qū)動作者：傅志強飛思卡爾半導體成都分公司時間：2018-05-212018-05-21 來源：電子產(chǎn)品世界步進電機因為具有角位移和輸入脈沖數(shù)成正比并且沒有累積誤差地特點，而被廣泛地用作汽車儀表地顯示部件.在多數(shù)情況下，人們會使用專用地驅(qū)動芯片來驅(qū)動步進電機,主控制器只需要給出方向控制信號和控制轉動步數(shù)地脈沖就行了另外，也有集成了步進電機驅(qū)動電路地MCU（微控制器 ,如 Freescale 地 MC9S12HY 系列,其使用方法也比較簡單然 而,在很多較低端地汽車儀表,如微型車、農(nóng)用車、三輪貨車和摩托車地儀表上，人們?yōu)榱私档统杀?，希望能夠?/p>

2、用專用驅(qū)動芯片或相對較貴地帶驅(qū)動電路地MCU，而是用普通地MCU直接去驅(qū)動步進電機.本文介紹了在 Freescale 地 HCS08 系列MCU上,如何用軟件 來實現(xiàn)對VID29系列步進電機地直接驅(qū)動.本文所附帶地程序，已經(jīng)在Freescale 地 LG32 Cluster RefereneeDesign演示板上運行驗證過.分步驅(qū)動和微步驅(qū)動步進電機地驅(qū)動通常有分步方式和微步方式兩種.分步方式地優(yōu)點是驅(qū)動信號地幅度只有 0 和電源電壓（5V兩種,與數(shù)字信號地低電平和高電平完全一一對應，因此只要使用MCUMCU地普通數(shù)字 I/O 口（GPIO就可以產(chǎn)生驅(qū)動信號,驅(qū)動程序也比較簡單.但是因為分 步

3、方式下，定子線圈產(chǎn)生地氣隙磁場地方向在每走一步地過程中都發(fā)生一個較大地跳變 對于 VID29 系列步進電機而言是 60 地跳變,定子磁場從原來地方向跳變到下一個 平衡位置地方向，轉子則在磁力地作用下加速向下一個平衡位置轉動，當它到達平衡位置地瞬間,速度達到最大值，而磁場力則變?yōu)榱悖ㄖ豢紤]切向力，不考慮徑向力，因為徑向力 與轉動無關.下同 。然后,如果驅(qū)動信號沒有變化地話,轉子就會在慣性地作用下繼續(xù) 往前轉動，偏離平衡位置，這時磁場力將會增大，而其方向卻變成跟剛才相反，于是就使轉 子減速,當轉子與平衡位置地偏離達到最大時，其速度減為零，然后在磁場力作用下往回加速轉動。當轉子轉回平衡位置時，磁場力

4、又變?yōu)榱?，而速度不為零，于是在慣性地作用 下繼續(xù)轉動偏離平衡位置如此反復，只要驅(qū)動信號還沒有再次改變，轉子就會象蕩秋 千一樣在平衡位置附近來回振蕩，并在摩擦力地作用下幅度逐漸減小.這種振蕩還會產(chǎn)生 一定地噪聲，所以用分步方式驅(qū)動時，步進電機地噪聲和抖動會比較大.2/ 7為了減小步進電機運行時地噪聲和抖動，人們設法讓定子線圈地磁場方向地跳變幅度變小,把一個分步一次地大跳變分成若干次較小地跳變來完成，于是就有了微步驅(qū)動方式也叫細分驅(qū)動方式紅勝B T一的血場臺成童場91兩個線塞產(chǎn)生的合匪磁場根據(jù)矢量合成地原理，當步進電機中地兩個線圈各自產(chǎn)生地磁場地強度按照正 /余弦 規(guī)律變化地時候，它們地合成磁場地

5、方向就會勻速旋轉，而合成磁場地強度保持不變，如 圖 1 所示.線圈產(chǎn)生地磁場強度與通過它地電流大小成正比，因此微步驅(qū)動方式就是讓通過線圈地驅(qū)動電流不是像分步方式那樣在o 和最大值之間跳變，而是按照正/余弦規(guī)律分成幾個階梯逐步變化，如圖 2 所示I3/ 7左蛭81電桃-右址應電議圖2微步方式下的驅(qū)動電流那么如何來產(chǎn)生階梯變化地驅(qū)動電流呢？通常地做法是將一個 PWM 波形電壓信號施加到線圈上，以 PWM 地占空比來控制通過線圈地平均電流 對每個階梯電流，我們事 先計算出所需地 PWM 脈沖地占空比 ,并做成查找表存放在 FLASH 中.在驅(qū)動步進電機轉動地時候 , 每走一個微步就從表中取出相應地占

6、空比來對PWM 模塊進行設置 ,然后在當前地這一步結束之前不再改變 PWM 脈沖地占空比 .電機轉動地加減速步進電機在轉動時 , 因為轉子、傳動齒輪和負載地轉動慣量 ,使它從一個位置轉動到下一 個位置（一個分步或微步 需要一定地時間 .如果在轉子轉動到下一個位置之前 ,驅(qū)動信 號就又往前走了一步地話 , 那么轉子地磁場方向和定子線圈產(chǎn)生地氣隙磁場方向之間地 夾角就會超過一個分步或微步所對應地角度 . 只要轉子地旋轉速度跟不上驅(qū)動信號地變 化速度 ,這個夾角就會越來越大 , 當夾角超過 180時,磁場對轉子地作用力地方向就會 變得跟原來地方向相反 . 結果就是轉子所轉過地角度和氣隙磁場所轉過地角

7、度不相等了 也就是轉子所轉過地步數(shù)和驅(qū)動信號走過地步數(shù)不相等了, 人們常把這種現(xiàn)象叫做 “失步”.同樣地,當要使步進電機從高速地旋轉中停下來地時候 ,如果驅(qū)動信號地變化過快 ,轉 子就有可能在慣性地作用下繼續(xù)旋轉超過180,從而也產(chǎn)生失步 .另外 ,因為轉子軸承、傳動齒輪和負載上都有一定地摩擦阻力 , 因此電機在連續(xù)轉動時地速度也是有限地 如果驅(qū)動信號地變化速度超過了電機能達到地最大轉速地話, 電機也會失步 .那么 ,如果讓驅(qū)動信號一直保持較慢地變化速度 ,是不是就沒有問題了呢 ?答案當然 是否定地 . 這是因為步進電機作為儀表地顯示部件 , 我們要求它能夠?qū)⒈粶y信號地變化實 時地顯示出來。而

8、電機轉動如果比較慢 ,那么儀表地顯示就無法跟上被測信號地變化.為了讓步進電機既不會失步 ,又能轉得盡可能快 ,那么就要讓驅(qū)動信號4/ 7窒3步逬電機加速過理地變化速度和轉子轉動地速度保持基本一致當電機啟動地時候，轉子做加速轉動，這時第一步地持續(xù)時間要比較長,然后每一步地持續(xù)時間逐漸變短,對應地轉動速度變化如圖 3 所示.電機停止地過程則與之相反.在 VID29 系列步進電機地數(shù)據(jù)手冊上給出了電機啟 動/停止時允許地驅(qū)動信號地變化速度（啟動頻率 和電機連續(xù)轉動時允許地驅(qū)動信號地 變化速度（最大驅(qū)動頻率 ,我們可以根據(jù)它們計算出第一步地持續(xù)時間和加速過程結束 后地每一步地持續(xù)時間.步進電機和MCU

9、MCU地硬件連接在 LG32 Cluster Referenee Design中,MCU和步進電機之間地連接如圖 4 所示.其中使用了一片 74ACT125 作為電流放大驅(qū)動,這是因為 MC9S08LG32 地 I/O 口輸 出地電流最大只有 10mA,而 VID29步進電機需要地驅(qū)動電流最大可達 20mA.使用 TPM 模塊地兩個 PWM 輸出通道驅(qū)動步進電機兩個線圈地正極，兩個普通 I/O 口驅(qū)動兩 個線圈地負極.TPM 模塊地兩個通道也可以設置成普通I/O 口 ,這樣就可以根據(jù)需要使用微步方式驅(qū)動或者分步方式驅(qū)動.5/ 7彌一翻MCU和步邃電嘰連婆更;在 MC9S08LG32 中集成了兩

10、個 TPM 模塊,其中 TPM1 有 2 個通道,TPM2 有 6個通道.在這里選擇 TPM1 來驅(qū)動步進電機,是因為當把一個 TPM 模塊地某一個通道設 置為 PWM輸出時,此 TPM 模塊公用地模數(shù)（MOD寄存器將被設成一個比較特殊地值 這樣就會給它地其它通道地功能使用造成很多限制所以為了更加充分地利用MCUMCU地資源,這里選擇了通道較少地 TPM1,而把通道較多地 TPM2 留作他用.步進電機驅(qū)動程序本驅(qū)動程序為應用程序提供地接口函數(shù)有三個：1.1 nitStepper :初始化函數(shù),對驅(qū)動所用到地 I/O 口和定時器進行設置,并讓步進電機轉到初始位置一一使儀表地指針指到零點地位置.函

11、數(shù)原型：void In itStepper（void 。參數(shù)：無。返回值：無.2.SetStepperTarget :設定步進電機地目標位置,也就是要讓儀表地指針轉到哪個 位置（以相$sQSLG32吱童,整個轉動地過程（如需要轉多少步，往哪個方向轉 等應用程序無需知道，而且應用程序可以指定任意目標位置 .函數(shù)原型： void SetStepperTarget（word wTargetDegree。參數(shù)： word wTargetDegree,(等于微步方式下地步距 為單位地返回值：無 .3.GetStepperCurrent ：得到步進電機地當前位置 .函數(shù)原型： word GetSteppe

12、rCurrent(void 。參數(shù)：無。返回值：返回儀表地指針當前所指地位置 ( 以相對于零點地角度來表示 , 其值也以 (1/12度(等于微步方式下地步距 為單位 .另外 ,在頭文件 Stepper.h 中定義了選擇驅(qū)動方式地宏 ,使用者修改宏定義就可以 選擇分步驅(qū)動方式或微步驅(qū)動方式 , 如下：#define STEPPER_PARTIAL_MODE 0#define STEPPER_MICRO_MODE !STEPPER_PARTIAL_MODE如前所述 ,驅(qū)動信號地變化速度不能太快 ,每次變化后都必須保持一段時間不變 , 為 了讓驅(qū)動程序占用地 CPU 地處理時間更少 ,就需要用到一個

13、定時器 .除了上面地三個接口 函數(shù)外 ,驅(qū)動程序地其余部分都在定時器地中斷服務程序中運行.在驅(qū)動程序中,用兩個靜態(tài)變量來保存步進電機地目標位置和當前位置 ,其值是到零點 地步數(shù) . 定時器中斷由 SetStepperTarget 函數(shù)使能 ,在中斷服務程序中根據(jù)目標位置 和當前位置地差值來決定步進電機轉動地方向和步數(shù) , 然后根據(jù)選擇地驅(qū)動方式執(zhí)行相應 地轉動程序 .結語目標位置相對于零點地角度 , 其值是以 (1/12 度7/ 7使用本文給出地驅(qū)動程序, 用戶地應用程序和驅(qū)動程序之間地接口非常簡單 , 所有地控 制步進電機地邏輯都封裝在驅(qū)動程序中,而且驅(qū)動程序占用 CPU 地處理時間非常少

14、.另外,本 程序根據(jù)汽車儀表應用地特點對步進電機地轉動速度進行了相應地控制 , 所以不管輸入信 號變化快慢 , 電機輸出帶動地指針都能快速、平穩(wěn)地轉動 ,以讓人感覺很自然地方式將輸 入地物理量顯示出來 .參考文獻：1 王曉明 .電動機地單片機控制 M. 第 2 版 .北京航空航天大學出版社 ,20072 孫建忠 ,白鳳仙 .特種電機及其控制 M. 中國水利水電出版社 ,20053 張俊 .匠人手記 M. 北京航空航天大學出版社 .20084 三浦宏文 .機電一體化實用手冊 M. 楊曉輝 ,譯.科學出版社 .20075Jhamb S.AN3828:Stepper Motor Motion Control Driver fo