黃 英， 趙志杰， 郭太峰

（1.合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009）

步進電機是一個完整的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化執(zhí)行元件。在非超載的情況下，電機轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即其接受數(shù)字模擬型號（電脈沖信號）并轉(zhuǎn)化成與之相應的角位移。輸入一個脈沖信號就能得到一個規(guī)定的位置增量，所以可通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時也可通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。加之步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，在各控制領(lǐng)域步進電機的使用越來越廣泛［1］。

針對中國重汽新款重卡車型研發(fā)的新款儀表，采用瑞士SONCEBOZ公司型號6403R200的新型步進電機，微控制器（MCU）采用Freescale的MC9S12XHZ512芯片。

6403R200是6400系列儀表用步進電機的最新產(chǎn)品，采用無軸設計。工作電壓4.5～7.5V，驅(qū)動電流20mA，在－50℃～105℃的惡劣環(huán)境下也能正常工作［2］。

MC9S12XHZ512是Freescale公司在2006年10月推出的一款汽車儀表組設計的16位微控制器（MCU），其中集成了一個薄膜晶體管（TFT）顯示驅(qū)動。它負責處理關(guān)鍵應用的智能控制功能，并驅(qū)動汽車儀表板中的顯示屏。除了支持TFT顯示屏之外，該設備還可以驅(qū)動模擬儀表、液晶顯示屏（LCD）和發(fā)光二極管（LED）顯示屏。S12XHZ512的主要特色包括512KB的片上閃存（是以前S12HZ產(chǎn)品的2倍）、LCD驅(qū)動程序和儀表的步進馬達驅(qū)動模塊［3］。

本文主要利用S12XHZ512款中MCU所提供的12條道脈沖寬度調(diào)制（PWM）信道，采用軟件方式，實現(xiàn)儀表步進電機的驅(qū)動。

1 步進電機的驅(qū)動及細分技術(shù)

步進電機的驅(qū)動一般采用專用的驅(qū)動芯片和直接使用MCU驅(qū)動。專用芯片技術(shù)已相當成熟，在控制電機能力方面有較好的表現(xiàn)，具有一定的性價比和可操控性；用MCU驅(qū)動步進電機最簡單的方式是整步驅(qū)動，即直接用單片機的IO口產(chǎn)生各相脈沖通過功率器件來控制電機運轉(zhuǎn)。這種方法雖然簡單，卻存在精度不高、相電流突變導致運行不夠平穩(wěn)、有噪聲等缺點［4］。還有一種驅(qū)動方式，即采用脈寬調(diào)制（PWM），此法適用于提供PWM模塊的MCU。

步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術(shù)的一個附帶功能。以步進角為1.8°的兩相混合式步進電機為例，如果細分驅(qū)動器設為4，那么電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45°［2，5］。

控制技術(shù)是能夠較為有效地降低步進電機低頻運轉(zhuǎn)時的振動和噪聲的主要控制方法。不論是階梯型電壓驅(qū)動或PWM控制，實質(zhì)都是在電機的勵磁繞組中產(chǎn)生階梯波電流，達到相電流的階梯化正弦控制，使每步的電機轉(zhuǎn)子合成力矩相同，產(chǎn)生一個微步旋轉(zhuǎn)磁場，從而帶動電機以更小的步距角轉(zhuǎn)動。同時由于正弦波電流變化平滑，電機運行更平穩(wěn)、噪聲更小。

2 加減速算法控制

2.1 步進電機運行方式

（1）啟動階段。通常電機在低于啟動頻率下啟動，逐步增加脈沖頻率直至期望的最大速度，其變化速度要保證電機不發(fā)生失步，且加速時間盡量短。

（2）勻速階段。當電機達到最大速度時，不再加速，勻速運行。

（3）停止階段。電機停止下來之前，必須從最高速度開始，逐步減小脈沖頻率，直到一個能停止的速度（約等同于啟動速率）。

所以，當步進電機在負載下轉(zhuǎn)動時，其運動過程為加速→勻速→減速。其速度變化可以近似表示為圖1所示的形式。

圖1 步進電機加／減速過程中的頻率變化

2.2 簡單加（減）速算法

簡單加速算法就是用恒定的角加速度（即恒定的脈沖頻率）驅(qū)動電機，在此過程中，電機恒加速、恒減速，角速度是線性的一次函數(shù)。

2.3 變加（減）速算法

在實際操作中，簡單加速算法往往不盡如人意，運行不夠平穩(wěn)、安靜，精度亦無保障，所以對簡單加（減）速算法進行改進，加速度按照一定的指數(shù)曲線變化（上升或下降），角速度為非線性的指數(shù)（二次）函數(shù)。

變加（減）速算法更有利于步進電機運行，可以提高機器的定位精度，也可以縮短加速過程，提高性能。

2.4 設計一種易于操作的加（減）速算法

參考Motorola公司的專用步進電機驅(qū)動芯片MC33976的設計模型和理念，對步進電機的加減速也采取24個步驟的形式。設第1步的脈沖發(fā)送次數(shù)為N1，第2步的脈沖次數(shù)為N2，依次類推至。其中，，為使算法更簡單易行，令Δ為常數(shù)［6］。

對于加速階段，多次試驗后得到一組優(yōu)化數(shù)據(jù)，再將此組數(shù)據(jù)反向即可應用于減速階段。試驗結(jié)果令人滿意，步進電機角速度可以達到200°／s，噪音值≤30dB。

3 基于PWM的驅(qū)動細分

PWM（Pulse Width Modulation，簡稱PWM）脈寬調(diào)制，是一種開關(guān)式穩(wěn)壓電源應用，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。

PWM技術(shù)是采用脈寬調(diào)制方式，即占空比不同的方波電壓產(chǎn)生不同的平均電流。

由于電機線圈電感對電流變化的阻礙作用，線圈中的電流波形圍繞平均值上下波動，當PWM波的頻率足夠高時，線圈中的電流可以看成為大小恒定電流。通過調(diào)節(jié)占空比可以產(chǎn)生不同的平均電流，如圖2所示。

圖2 PWM中電壓／電流波形對比

使用帶PWM模塊的單片機驅(qū)動步進電機可以獲得較高的細分精度，根據(jù)細分程度的要求，可以將正弦波分割成階梯狀，計算出各個位置所對應的電流值［7］。

模仿步進電機驅(qū)動芯片MC33976的驅(qū)動細分方式，將正弦波分割成階梯狀，以15°為細分單位，將單個脈沖細分為24個微步，采用相同的占空比［6－7］，見表1所列和圖3所示。

表1 步進電機細分后各細步電流值

圖3 步進電機細分驅(qū)動電流示意圖

取MCPER＝900（MCPER為PWM的電機寄存器時間，經(jīng)過多次試驗后選取值為900），則電機控制的占空比系數(shù)為：

每個PWM信號重復1次。

4 設計解決方案

步進電機是借助其同步轉(zhuǎn)矩而啟動的，通過對定子上的各個線圈交替通電產(chǎn)生步進式旋轉(zhuǎn)磁場，從而帶動轉(zhuǎn)子作步進式旋轉(zhuǎn)，相應改變輸入電流的極性來改變步進電機的旋轉(zhuǎn)方向。

4.1 走步方案

在SCM的軟件設計上按照圖4所示方式，可實現(xiàn)步進電機的走步方案［8］。

圖4 軟件設計流程

（1）SinTb［］的計算方法：Sin＃＊900，再轉(zhuǎn)換為16進制數(shù)字。

（2）CosTb［］的計算方法：Cos＃＊900，再轉(zhuǎn)換為16進制數(shù)字，取值為 0，15°，…，330°，345°，360°。

如果轉(zhuǎn)動步數(shù)＞4 000時，計數(shù)器清零，不操作。為使轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，精度更高，進行再次細分，即步數(shù)／2，分次走完全部的轉(zhuǎn)動步數(shù)。

4.2 回零

當儀表掉電時，一些重要參數(shù)需要利用儀表電路板上的大電容儲存的少量余電進行工作，記錄到MCU的FLASH區(qū)或者片外EEPROM中。在下一次工作重啟后，再從這些儲存區(qū)讀出數(shù)據(jù)進行相關(guān)工作，即步進電機的回零。

本文直接將儲存區(qū)記錄的上一次工作狀態(tài)中當前步Current Position賦值給步進電機轉(zhuǎn)動所需步數(shù)，指定目標步為0，轉(zhuǎn)動方向恒為0。再以這些參數(shù)進行上節(jié)中所述操作，即可回零，只有回零后才可以進行后續(xù)的正常工作。

實驗中的PWM輸出波形如圖5所示，不同占空比的脈沖輸出代表不同的電壓輸出，此脈沖可以等效成正弦波電壓輸出。

圖5 PWM輸出波形

本方案在圖6所示的實際汽車儀表上演示，在大范圍同方向轉(zhuǎn)動以及往復轉(zhuǎn)動效果良好，指針走動平穩(wěn)快速，可達到400°／s，完全符合設計需求，并且定位精準，無失步現(xiàn)象。實驗具體數(shù)據(jù)見表2所列。

圖6 實驗用電動汽車儀表

表2 PWM驅(qū)動步進電機走步實驗結(jié)果

5 結(jié)束語

實驗結(jié)果證實，利用單片機自帶的PWM模塊來實現(xiàn)步進電機的細分驅(qū)動，可以充分利用單片機的硬件資源，節(jié)省了D／A等器件，有利于降低產(chǎn)品成本，同時也使步進電機的細分驅(qū)動更容易。本文所采用的細分方法經(jīng)過實踐驗證，在提高細分精度的同時，使步進電機的運行更平穩(wěn)，噪聲明顯降低，此法已成功運用于某新款儀表中。

［1］舒大松.基于STC單片機的SPWM步進電機細分控制研究與實現(xiàn)［J］.制造業(yè)與自動化，2011，33（3）：92－102.

［2］Sonceboz Ltd.Slimline stepper motors 6403reference manual［EB／OL］.［2011－10－02］.http：／／www.sonceboz.com／medias／produits／fiches－techniques／6403－bd.pdf.

［3］Freescale Semiconductor Corporation.MC9S12XHZ512 datasheet［EB／OL］.［2011－10－02］.http：／／pdf.ic37.com／icasp／pdf－download.asp？id＝4570478－217202.

［4］彭 礴，張明敏，林飛龍，等.基于AT89S52高精度步進電機伺服控制系統(tǒng)設計［J］.電子測量技術(shù)，2011，34（3）：49－53.

［5］黃 勇.一種基于TMS320F2812的五相電機細分驅(qū)動方案［J］.湖北民族學院學報：自然科學版，2011，29（1）：96－99.

［6］Freescale Semiconductor Corporation.MC33976Datasheet［EB／OL］.［2011－10－02］.http：／／pdf.ic37.com／icasp／pdfdownload.asp？id＝4874451－114230.

［7］譚 曄，江 平.單變量均勻靜態(tài)奇數(shù)點細分格式的構(gòu)造和連續(xù)性分析［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2010，33（6）：925－928.

［8］丁強強，鮑遠慧.基于CAN總線的汽車檢測線計算機控制系統(tǒng)［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2010，33（4）：514－518.