單片機與步進電機細分控制

1 步進電機

?????? 步進電動機是純粹的數字控制電動機，它將電脈沖信號轉變為角位移，即給一個脈沖，步進電機就轉一個角度，因此非常合適單片機控制，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，電機則轉過一個步距角，同時步進電機只有周期性的無累積誤差，精度高。

????? 步進電動機有如下特點：

?????? 1）步進電動機的角位移與輸入脈沖數嚴格成正比。因此，當它轉一圈后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。

?????? 2）由步進電動機與驅動電路組成的開環數控系統，既簡單、廉價，又非?？煽?，同時，它也可以與角度反饋環節組成高性能的閉環數控系統。

?????? ? 3）步進電動機的動態響應快，易于啟停、正反轉及變速。

?????? 4）速度可在相當寬的范圍內平穩調整，低速下仍能獲得較大轉距，因此一般可以不用減速器而直接驅動負載。

?????? 5）步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源。

?????? 6）步進電機存在振蕩和失步現象，必須對控制系統和機械負載采取相應措施。

?????? 步進電機具有和機械結構簡單的優點，圖1是四相六線制步進電機原理圖，這類步進電機既可作為四相電機使用，也可以做為兩相電機使用，使用靈活，因此應用廣泛。

?????? 步進電機有兩種工作方式：整步方式和半步方式。以步進角1.8度四相混合式步進電機為例，在整步方式下，步進電機每接收一個脈沖，旋轉1.8度，旋轉一周，則需要200個脈沖，在半步方式下，步進電機每接收一個脈沖，旋轉0.9度，旋轉一周，則需要400個脈沖?？刂撇竭M電機旋轉必須按一定時序對步進電機引線輸入脈沖，以上述四相六線制步進電機為例，其半步工作方式和整步工作方式的控制時序如表1和表2所列。

?????? 步進電機在低頻工作時，會有振動大、噪聲大的缺點。如果使用細分方式，就能很好的解決這個問題，步進電機的細分控制，從本質上講是通過對步進電機勵磁繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場為均勻的圓形旋轉磁場，從而實現步進電機步距角的細分，一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小，步進電機半步工作方式就蘊涵了細分的工作原理。

?????? 實現細分方式有多種方法，最常用的是脈寬調制式斬波驅動方式，大多數專用的步進電機驅動芯片都采用這種驅動方式，TA8435就是其中一種芯片。

?????? 2 基于TA8435H芯片的步進電機細分方式

?????? 2.1 TA8435芯片特點

?????? TA8435是東芝公司生產的單片正弦細分二相步進電機驅動專用芯片，該芯片具有以下特點：

?????? 1）工作電壓范圍寬（10－40V）；

?????? 2）輸出電流可達1.5A（平均）和2.5A（峰值）；

?????? 3）具有整步、半步、1/4細分、1/8細分運行方式可供選擇；

?????? 4）采用脈寬調試式斬波驅動方式；

?????? 5）具有正/反轉控制功能；

6）帶有復位和使能引腳；

?????? 7）可選擇使用單時鐘輸入或雙時鐘輸入。

?????? 從圖2中可以看出，TA8435主要由1個解碼器，2個橋式驅動電路、2個輸出電流控制電路、2個最大電流限制電路、1個斬波器等功能模塊組成。

?????? 2.2 TA8435細分工作原理

?????? 在圖3中，第一個CK時鐘周期時，解碼器打開橋式驅動電路，電流從VMA流經電機的線圈后經RNFA后與地構成回路，由于線圈電感的作用，電流是逐漸增大的，所以RNFB上的電壓也隨之上升。當RNFB上的電壓大于比較器正端的電壓時，比較器使橋式驅動電路關閉，電機線圈上的電流開始衰減，RNFB上的電壓也相應減小；當電壓值小于比較器正向電壓時，橋式驅動電路又重新導通，如此循環，電流不斷的上升和下降形成 鋸齒波，其波形如圖3中IA波形的第1段，另外由于斬波器頻率很高，一般在幾十KHz，其頻率大小與所選用電容有關，在OSC作用下，電流鋸齒波紋是非常小的，可以近似認為輸出電流是直流。在第2個時鐘周期開始時，輸出電流控制電路輸出電壓Ua達到第2階段，比較器正向電壓也相應為第2階段的電壓，因此，流經步進電機線圈的電流從第1階段也升至第二階段2，電流波形如圖IA第2部分，第3時鐘周期，第4時鐘周期TA8435的工作原理與第1、2是一樣的，只有又升高比較器正向電壓而已，輸出電流波形如圖IA中第3、4部分。如此最終形成階梯電流，加在線圈B上的電流，如圖3中IB。在CK一個時鐘周期內，流經線圈A和線圈B的電流共同作用下，步進電機運轉一個細分步。

?????? 2.3 步進電機的應用

?????? 圖4是單片機與TA8435相連控制步進電機的原理圖，引腳M1和M2決定電機的轉動方式：M1＝0、M2＝0，電機按整步方式運轉；M1＝1、M2＝0，電機按半步方式運轉；M1＝0、M2＝1，電機按1/4細分方式運轉；M1＝1、M2＝1，電機按1/8步細分方式運轉，CW/CWW控制電機轉動方向，CK1、CK2時鐘輸入的最大頻率不能超過5KHz，控制時鐘的頻率，即可控制電機轉動速率。REFIN為高電平時，NFA和NFB的輸出電壓為0.8V，REFIN為低電平時，NFA和NFB輸出電壓為0.5V，這2個引腳控制步進電機輸入電流，電流大小與NF端外接電阻關系式為：IO＝Vref/Rnf。圖4中，設REFIN＝1，選用步進電機額定電流為0.4A，R1，R2選用1.6歐姆、2W的大功率電阻，O、C兩線不接。步進電機按二相雙極性使用，四相按二相使用時可以提高步進電機的輸出轉矩，D1－D4快恢復二極管用來泄放繞組電流。

?????? 以下是利用TA8435控制步進電機的程序，實現采用1/8細分方式控制步進電機的順時鐘方向轉動的功能，利用定時器1向TA8435輸出脈沖，用來控制步進電機轉速。

?????? 3 結論

?????? 本文介紹了步進電機的特點和TA8435芯片工作原理，使用細分方式可以提高步進電機的控制精度，降低步進電機的振動和噪聲，因此，在低頻工作時，可以選用1/4細分或1/8細分模式，以降低系統的振動和噪聲，當系統需要在高速工作時，細分模式就有可能達不到要求的速度，這時可以選用整步或半步方式，在速度較高時，在整步或半步工作模式下，步進電機運行穩定，振動小、噪聲也小。TA8435在細分、半步、整步幾種工作模式之間的切換是相當容易的，使用TA8435控制步進電機具有價格低、控制簡單、工作可靠的特點，所以具有很高的推廣價值和廣闊的應用前景。