單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制

1 步進(jìn)電機(jī)

?????? 步進(jìn)電動機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動機(jī)，它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰疲唇o一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)一個角度，因此非常合適單片機(jī)控制，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角，同時步進(jìn)電機(jī)只有周期性的無累積誤差，精度高。

????? 步進(jìn)電動機(jī)有如下特點：

?????? 1）步進(jìn)電動機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。

?????? 2）由步進(jìn)電動機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價，又非常可靠，同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。

?????? ? 3）步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。

?????? 4）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整，低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。

?????? 5）步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)措施。

?????? 步進(jìn)電機(jī)具有和機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，圖1是四相六線制步進(jìn)電機(jī)原理圖，這類步進(jìn)電機(jī)既可作為四相電機(jī)使用，也可以做為兩相電機(jī)使用，使用靈活，因此應(yīng)用廣泛。

?????? 步進(jìn)電機(jī)有兩種工作方式：整步方式和半步方式。以步進(jìn)角1.8度四相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，在整步方式下，步進(jìn)電機(jī)每接收一個脈沖，旋轉(zhuǎn)1.8度，旋轉(zhuǎn)一周，則需要200個脈沖，在半步方式下，步進(jìn)電機(jī)每接收一個脈沖，旋轉(zhuǎn)0.9度，旋轉(zhuǎn)一周，則需要400個脈沖。控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)必須按一定時序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)引線輸入脈沖，以上述四相六線制步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)在低頻工作時，會有振動大、噪聲大的缺點。如果使用細(xì)分方式，就能很好的解決這個問題，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分，一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)半步工作方式就蘊(yùn)涵了細(xì)分的工作原理。

?????? 實現(xiàn)細(xì)分方式有多種方法，最常用的是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動方式，大多數(shù)專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片都采用這種驅(qū)動方式，TA8435就是其中一種芯片。

?????? 2 基于TA8435H芯片的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分方式

?????? 2.1 TA8435芯片特點

?????? TA8435是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(dá)1.5A（平均）和2.5A（峰值）；

?????? 3）具有整步、半步、1/4細(xì)分、1/8細(xì)分運行方式可供選擇；

?????? 4）采用脈寬調(diào)試式斬波驅(qū)動方式；

?????? 5）具有正/反轉(zhuǎn)控制功能；

6）帶有復(fù)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(qū)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(xì)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(qū)動電路，電流從VMA流經(jīng)電機(jī)的線圈后經(jīng)RNFA后與地構(gòu)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(dāng)RNFB上的電壓大于比較器正端的電壓時，比較器使橋式驅(qū)動電路關(guān)閉，電機(jī)線圈上的電流開始衰減，RNFB上的電壓也相應(yīng)減小；當(dāng)電壓值小于比較器正向電壓時，橋式驅(qū)動電路又重新導(dǎo)通，如此循環(huán)，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(guān)，在OSC作用下，電流鋸齒波紋是非常小的，可以近似認(rèn)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(dá)到第2階段，比較器正向電壓也相應(yīng)為第2階段的電壓，因此，流經(jīng)步進(jìn)電機(jī)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(nèi)，流經(jīng)線圈A和線圈B的電流共同作用下，步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)一個細(xì)分步。

?????? 2.3 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用

?????? 圖4是單片機(jī)與TA8435相連控制步進(jìn)電機(jī)的原理圖，引腳M1和M2決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方式：M1＝0、M2＝0，電機(jī)按整步方式運轉(zhuǎn)；M1＝1、M2＝0，電機(jī)按半步方式運轉(zhuǎn)；M1＝0、M2＝1，電機(jī)按1/4細(xì)分方式運轉(zhuǎn)；M1＝1、M2＝1，電機(jī)按1/8步細(xì)分方式運轉(zhuǎn)，CW/CWW控制電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)輸入電流，電流大小與NF端外接電阻關(guān)系式為：IO＝Vref/Rnf。圖4中，設(shè)REFIN＝1，選用步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)按二相雙極性使用，四相按二相使用時可以提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，D1－D4快恢復(fù)二極管用來泄放繞組電流。

?????? 以下是利用TA8435控制步進(jìn)電機(jī)的程序，實現(xiàn)采用1/8細(xì)分方式控制步進(jìn)電機(jī)的順時鐘方向轉(zhuǎn)動的功能，利用定時器1向TA8435輸出脈沖，用來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

?????? 3 結(jié)論

?????? 本文介紹了步進(jìn)電機(jī)的特點和TA8435芯片工作原理，使用細(xì)分方式可以提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度，降低步進(jìn)電機(jī)的振動和噪聲，因此，在低頻工作時，可以選用1/4細(xì)分或1/8細(xì)分模式，以降低系統(tǒng)的振動和噪聲，當(dāng)系統(tǒng)需要在高速工作時，細(xì)分模式就有可能達(dá)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(jìn)電機(jī)運行穩(wěn)定，振動小、噪聲也小。TA8435在細(xì)分、半步、整步幾種工作模式之間的切換是相當(dāng)容易的，使用TA8435控制步進(jìn)電機(jī)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(yīng)用前景。