用軟件實現(xiàn)儀表步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動

1、在HCS08系列MCU上用軟件實現(xiàn)儀表步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動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)成正比并且沒冇累枳謀差的特點，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，人們會便用專用的業(yè)動芯片來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，主控制器只 需要給出方向控制信號和控制轉(zhuǎn)動步數(shù)的脈沖就行了。另外，也冇集成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電 路的MCU,如Freescale的MC9S12HY系列，其使用方法也比較簡單.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)動芯片或相對較貴的帯驅(qū)動電路的MCS而是用普通的MCU自接公騾動步進(jìn)電 機(jī)。本應(yīng)用筆記介紹了在Freescale的HCS08系列MCU上，如何用軟件來實現(xiàn)對VID29系列步 進(jìn)電機(jī)的自接張動。本文所附帯的程序，1_1經(jīng)在Freescale的LG32 Cluster Reference Design演示板上運行驗證過。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)三級齒輪減速傳動輸出的。該步進(jìn)電機(jī)的工作 原理對以川下面的簡化的結(jié)構(gòu)圖（圖14）進(jìn)行說明。在象ID29系列這樣的兩相步進(jìn)電 機(jī)屮.轉(zhuǎn)子是一個水磁體，定子上安裝了兩組線圈

3、。當(dāng)給定子線圈通上電流的時候，就在 轉(zhuǎn)子周鬧的氣隙中產(chǎn)生了-個磁場，轉(zhuǎn)子就會在磁力的作用下轉(zhuǎn)動到使它門身的磁場方向 和線圈電流產(chǎn)生的氣隙磁場方向半行的位置（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)子就會轉(zhuǎn)過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)就會連續(xù)地旋轉(zhuǎn)起來了。如果將步驟14的順序顛倒過來，那么步進(jìn)電機(jī)就會以相反的方向旋轉(zhuǎn)。另外，如果 將A和B兩個線圈同時通以大小相同的那么的合成磁場的方向就和個線圈單獨 通電時的磁場方向成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化結(jié)構(gòu)不同，所以 匸作時驅(qū)動電流的時序和轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn)

5、的角度也不完全-樣。對于VID29系列步進(jìn)電機(jī) 來說，它的驅(qū)動脈沖序列和轉(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)動和微步驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動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)動信號。分步方式的優(yōu)點是驅(qū)動信號的幅度只有0和電源電壓(5V)兩種，與數(shù)字信號 的低電平和高電平完全 對應(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) 動信小 驅(qū)動程序也比較簡單。但是由于分步方式下，定子線圈產(chǎn)生的氣隙磁場的方向在 每走一步的過程中都發(fā)生一個較大的跳變對于VID29系列步進(jìn)電機(jī)而言

6、是60&I J. 變，定子磁場從原來的方向跳變到下一個平衡位置的方向，轉(zhuǎn)子則在磁力的作用下加速向 下個平衡位宜轉(zhuǎn)動，當(dāng)它到達(dá)平衡位宣的那個瞬速度達(dá)到最人值，而磁場力則變?yōu)?零（只考慮切向力，不考慮徑向力，因為徑向力與轉(zhuǎn)動無關(guān)。下同）：然后，如果驅(qū)動信 號沒仃變化的話，轉(zhuǎn)子就會在慣性的作用下繼續(xù)往前轉(zhuǎn)動偏離平衡位置，這時磁場力將會 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 人時其速度減為冬.然后在磁場力作用卜往回加速轉(zhuǎn)動；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)凹平衡位置時，磁場 力又變?yōu)榱悖俣炔粸榱?，于是在慣性的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動偏離平衡位置如此反父. 只要驅(qū)動信號還沒令再次改變，轉(zhuǎn)子就

7、會彖蕩秋千一樣在卜衡位置附近來冋振蕩，并在摩 擦力的作用下幅度逐漸減小。這種振蕩還會產(chǎn)生定的噪聲，所以用分步方式驅(qū)動時，步 進(jìn)電機(jī)的噪聲和抖動會比較大。為了減小步進(jìn)電機(jī)運行時的噪聲和抖動，人們設(shè)法讓定子線圈的磁場方向的跳變幅度 變小.把 個分步 次的人跳變分成若次較小的跳變來完成，于是就有了微步驅(qū)動方 式，也叫細(xì)分驅(qū)動方式。根據(jù)矢帚介成的原理，為步進(jìn)電機(jī)中的兩個線囲并自產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度按照正/余弦 規(guī)律變化的時候，它們的合成磁場的方向就會勻速旋轉(zhuǎn)，而合成礎(chǔ)場的強(qiáng)度保持不變，如 圖6所示。線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度與通過它的電流大小成正比，因此微步驅(qū)動方式就是讓通 過線圈的驅(qū)動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 幾個階梯逐步變化.如圖7所示。圖6兩個線圈產(chǎn)生的介成碗場那么如何來產(chǎn)左階梯變化的驅(qū)動電流呢？通常的做法是將-個PWM波形電壓信兮施加 到線圈上：同時串聯(lián)一個阻值較小的電阻作為電流傳感器.將電流信號轉(zhuǎn)換成電床信號反 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，常見的步進(jìn)電機(jī)專用騾動芯片就是依據(jù)這個原珅來作 的。在使用MCU直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的時候，因為MCU內(nèi)部也集成了PWM模塊,所以我們也可 以采用這個方法.但是，這種方法還需要使用ADC來測竜反饋信弓的人小，并II浚實時地 計算出所

9、需的PWM脈沖的占空比，因此將會占用太多的MCU的資源，使HCU幾乎無法再處理 其他的爭情。微步驅(qū)動豚沖（電流援幅=l 根據(jù)平均間隔時間設(shè)置TPM2C0V的增 M. （wTimerIncrement） 并啟動 定時器。在定時器的中斷服務(wù)程序中驅(qū)動電機(jī)一步一步地向目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動，為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 動到目標(biāo)位置后，讓定時器停止工作。另外，考慮到輸入信兮變化很快時，電機(jī)的轉(zhuǎn)及速度町能跟不上信兮的變化，從而在 卜一次測晴完輸入借號，對步進(jìn)電機(jī)的H標(biāo)位置再次進(jìn)行設(shè)定時，電機(jī)還止在轉(zhuǎn)動Z中。這時電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度右FJ能很快.在這種情況下如果重新心動定時器則仃町能造成火 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。當(dāng)bBrakeFlag為0時， 根據(jù)半均間隔時間決定何時讓電機(jī)轉(zhuǎn)動一個分步/微步，以及是否需要進(jìn)行加減速。當(dāng)平 均間礪時間人丁Tss時，電機(jī)每隔個平均間隔時間轉(zhuǎn)動步，作勻速轉(zhuǎn)動。而當(dāng)平均間 隔時間小于Tss時，則讓電機(jī)第一步的間隔時間為Tss.然后逐漸減小即做加速轉(zhuǎn)動,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，則讓每一步的間隔時 間逐漸加長，電機(jī)減速轉(zhuǎn)動，并何使最后一步的間隔時間不小于Tss,以保證不會失步。 定時器中斷服務(wù)程序的流程如圖13所示。圖13.定時器中斷服務(wù)F序渝卅圖總結(jié)使用本文給出的驅(qū)動