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步進電機由于具有角位移和輸入脈沖數(shù)成正比并且沒有累積誤差的特點，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）有限公司的VID29系列步進電機。在多數(shù)情況下，人們會使用專用的驅(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(zhuǎn)動步數(shù)的脈沖就行了。另外，也有集成了步進電機驅(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、三輪貨車和摩托車的儀表上，人們?yōu)榱私档统杀荆Ｍ軌虿挥脤Ｓ抿?qū)動芯片或相對較貴的帶驅(qū)動電路的MCU，而是用普通的MCU直接去驅(qū)動步進電機。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系列步進電機的直接驅(qū)動。本文所附帶的程序，已經(jīng)在Freescale的LG32 Cluster ReferenceDesign演示板上運行驗證過。 VID29系列步進電機的工作原理 VID29系列步進電機是兩相步進電機經(jīng)三級齒輪減速傳動輸出的。該步進電機的工作原理可以用下面的簡化的結(jié)構(gòu)圖（圖1～4）進行說明。在象VID29系列這樣的兩相步進電機中，轉(zhuǎn)子是一個永磁體，定子上安裝了兩組線圈。當(dāng)給定子線圈通上電流的時候，就在轉(zhuǎn)子周圍的氣隙中產(chǎn)生了一個磁場，轉(zhuǎn)子就會在磁力的作用下轉(zhuǎn)動到使它自身的磁場方向和線圈電流產(chǎn)生的氣隙磁場方向平行的位置（下文中把它叫做平衡位置）。要讓步進電機連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，可以按如下步驟進行： 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； 2. 如圖2所示，斷開線圈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； 3. 如圖3所示，斷開線圈B中的電流，給線圈A通上跟步驟1中方向相反的電流，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90度到圖4所示的位置； 4. 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； 5. 重復(fù)步驟1～4，步進電機就會連續(xù)地旋轉(zhuǎn)起來了。 如果將步驟1～4的順序顛倒過來，那么步進電機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電流，那么產(chǎn)生的合成磁場的方向就和一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。 實際的步進電機由于轉(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，所以工作時驅(qū)動電流的時序和轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn)的角度也不完全一樣。對于VID29系列步進電機來說，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。 分步驅(qū)動和微步驅(qū)動 步進電機的驅(qū)動通常有分步方式和微步方式兩種，圖5中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一一對應(yīng)，因此只要使用MCU的普通數(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系列步進電機而言是60度的跳變，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一個平衡位置轉(zhuǎn)動，當(dāng)它到達平衡位置的那個瞬間，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(zhuǎn)動無關(guān)。下同）；然后，如果驅(qū)動信號沒有變化的話，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，而其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到最大時，其速度減為零，然后在磁場力作用下往回加速轉(zhuǎn)動；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)回平衡位置時，磁場力又變?yōu)榱悖俣炔粸榱悖谑窃趹T性的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動偏離平衡位置……如此反復(fù)，只要驅(qū)動信號還沒有再次改變，轉(zhuǎn)子就會象蕩秋千一樣在平衡位置附近來回振蕩，并在摩擦力的作用下幅度逐漸減小。這種振蕩還會產(chǎn)生一定的噪聲，所以用分步方式驅(qū)動時，步進電機的噪聲和抖動會比較大。 為了減小步進電機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，把一個分步一次的大跳變分成若干次較小的跳變來完成，于是就有了微步驅(qū)動方式，也叫細分驅(qū)動方式。 根據(jù)矢量合成的原理，當(dāng)步進電機中的兩個線圈各自產(chǎn)生的磁場的強度按照正/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)，而合成磁場的強度保持不變，如圖6所示。線圈產(chǎn)生的磁場強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)動電流不是象分步方式那樣在0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7所示。 那么如何來產(chǎn)生階梯變化的驅(qū)動電流呢？通常的做法是將一個PWM波形電壓信號施加到線圈上；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)換成電壓信號反饋回PWM控制器中；PWM控制器根據(jù)反饋信號調(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，常見的步進電機專用驅(qū)動芯片就是依據(jù)這個原理來工作的。在使用MCU直接驅(qū)動步進電機的時候，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來測量反饋信號的大小，并且要實時地計算出所需的PWM脈沖的占空比，因此將會占用太多的MCU的資源，使MCU幾乎無法再處理其他的事情。 為了減少對MCU資源的占用，我們可以將其中的反饋環(huán)節(jié)刪掉，從閉環(huán)控制變?yōu)殚_環(huán)控制。對每個階梯電流，我們事先計算出所需的PWM脈沖的占空比，并做成查找表存放在FLASH中。在驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動的時候，每走一個微步就從表中取出相應(yīng)的占空比來對PWM模塊進行設(shè)置，然后在當(dāng)前的這一步結(jié)束之前不再改變PWM脈沖的占空比。這樣一來就極大的減少了計算量，使MCU有足夠的資源去處理其他的事情。然而，由于定子線圈具有一定的電感，所以通過線圈的平均電流和PWM脈沖的占空比并不是線性關(guān)系，要想精確的計算出每個階梯電流對應(yīng)的占空比是相當(dāng)困難的；另外，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時候，還會在定子線圈中產(chǎn)生感生電動勢，這個感生電動勢會使通過線圈的電流發(fā)生改變，而它的大小又與轉(zhuǎn)子永磁體的磁場強度和旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)。因此，事實上在開環(huán)控制中不管你使用多么復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式來計算占空比，都無法使通過線圈的平均電流總是等于預(yù)期的階梯電流。不過，所幸的是：在低端的汽車儀表中，并不要求對步進電機的轉(zhuǎn)動控制到那么精確的程度，我們可以姑且認為通過線圈的平均電流是和PWM脈沖的占空比成正比的，反正只要減小了每一步跳變的角度（相對于分步方式而言），就可以讓步進電機轉(zhuǎn)動得更平穩(wěn)一些了，噪聲也能減小一些。 電機轉(zhuǎn)動的加減速 步進電機在轉(zhuǎn)動時，因為轉(zhuǎn)子、傳動齒輪和負載的轉(zhuǎn)動慣量，使它從一個位置轉(zhuǎn)動到下一個位置（一個分步或微步）需要一定的時間。如果在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到下一個位置之前，驅(qū)動信號就又往前走了一步的話，那么轉(zhuǎn)子的磁場方向和定子線圈產(chǎn)生的氣隙磁場方向的夾角就會超過一個分步或微步所對應(yīng)的角度。只要轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度跟不上驅(qū)動信號的變化速度，這個夾角就會越來越大，當(dāng)夾角超過180度的時候，磁場對轉(zhuǎn)子的作用力的方向就會變得跟原來的方向相反，如圖8所示。這時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度就會減慢，直到變成以相反的方向旋轉(zhuǎn)。最終的結(jié)果就是轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度和氣隙磁場所轉(zhuǎn)過的角度不相等了，也就是轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的步數(shù)和驅(qū)動信號走過的步數(shù)不相等了，人們常把這種現(xiàn)象叫做“失步”。同樣的，當(dāng)要使步進電機從高速的旋轉(zhuǎn)中停下來的時候，如果驅(qū)動信號的變化過快，轉(zhuǎn)子就有可能在慣性的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)超過180度，從而也產(chǎn)生失步。另外，由于轉(zhuǎn)子軸承、傳動齒輪和負載上都有一定的摩擦阻力，因此電機在連續(xù)轉(zhuǎn)動時的速度也是有限的，如果驅(qū)動信號的變化速度超過了電機能達到的最大轉(zhuǎn)速的話，電機也會失步。 那么，如果讓驅(qū)動信號一直保持較慢的變化速度，是不是就沒有問題了呢？答案當(dāng)然是否定的。這是因為步進電機作為儀表的顯示部件，我們要求它能夠?qū)⒈粶y信號的變化實時地顯示出來；而電機轉(zhuǎn)動如果比較慢，那么儀表的顯示就無法跟上被測信號的變化。 為了讓步進電機既不會失步，又能轉(zhuǎn)得盡可能的快，那么就要讓驅(qū)動信號的變化速度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度保持基本一致。當(dāng)電機啟動的時候，轉(zhuǎn)子做加速轉(zhuǎn)動，這時第一步的持續(xù)時間要比較長，然后每一步的持續(xù)時間逐漸變短，對應(yīng)的轉(zhuǎn)動速度變化如圖9所示。電機停止的過程則與之相反。在VID29系列步進電機的數(shù)據(jù)手冊上給出了電機啟動/停止時允許的驅(qū)動信號的變化速度（啟動頻率，Start-stop Frequency）和電機連續(xù)轉(zhuǎn)動時允許的驅(qū)動信號的變化速度（最大驅(qū)動頻率，Max Driving Frequency），我們可以根據(jù)它們計算出第一步的持續(xù)時間和加速過程結(jié)束后的每一步的持續(xù)時間。 步進電機和MCU的硬件連接 在LG32 Cluster Reference Design中，MCU和步進電機之間的連接如圖10所示。其中使用了一片74ACT125作為電流放大驅(qū)動，這是因為MC9S08LG32的I/O口輸出的電流最大只10mA，而VID29步進電機需要的驅(qū)動電流最大可達20mA。使用TPM模塊的兩個PWM輸出通道驅(qū)動步進電機兩個線圈的正極，兩個普通I/O口驅(qū)動兩個線圈的負極。TPM模塊的兩個通道也可以設(shè)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。 在MC9S08LG32中集成了兩個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(dāng)把一個TPM模塊的某一個通道設(shè)置為PWM輸出時，此TPM模塊公用的模數(shù)(MOD)寄存器將被設(shè)成一個比較特殊的值，這樣就會給它的其它通道的功能使用造成很多限制。所以為了更加充分地利用MCU的資源，這里選擇了通道較少的TPM1，而把通道較多的TPM2留作他用。 步進電機驅(qū)動程序 本驅(qū)動程序為應(yīng)用程序提供的接口函數(shù)有三個： 1. InitStepper：初始化函數(shù)，對驅(qū)動所用到的I/O口和定時器進行設(shè)置，并讓步進電機轉(zhuǎn)到初始位置——使儀表的指針指到零點的位置。 函數(shù)原型：void InitStepper(void); 參數(shù)：無 返回值：無 2. SetStepperTarget：設(shè)定步進電機的目標位置，也就是要讓儀表的指針轉(zhuǎn)到哪個位置（以相對于零點的角度來表示），整個轉(zhuǎn)動的過程（如需要轉(zhuǎn)多少步，往哪個方向轉(zhuǎn)等）應(yīng)用程序無需知道，而且應(yīng)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，目標位置相對于零點的角度，其值是以(1/12)度（等 于微步方式下的步距）為單位的； 返回值：無 3. GetStepperCurrent：得到步進電機的當(dāng)前位置。 函數(shù)原型：word GetStepperCurrent(void); 參數(shù)：無 返回值：返回儀表的指針當(dāng)前所指的位置（以相對于零點的角度來表示），其值也以(1/12)度（等于微步方式下的步距）為單位。 另外，在頭文件Stepper.h中定義了選擇驅(qū)動方式的宏，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)動信號的變化速度不能太快，每次變化后都必須保持一段時間不變，為了讓驅(qū)動程序占用的CPU的處理時間更少，就需要用到一個定時器。除了上面的三個接口函數(shù)外，驅(qū)動程序的其余部分都在定時器的中斷服務(wù)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的目標位置和當(dāng)前位置，其值是到零點的步數(shù)。定時器中斷由SetStepperTarget函數(shù)使能，在中斷服務(wù)程序中根據(jù)目標位置和當(dāng)前位置的差值來決定步進電機轉(zhuǎn)動的方向和步數(shù)，然后根據(jù)選擇的驅(qū)動方式執(zhí)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動程序。 分步方式程序 從前面的圖5中，可以看到分步方式下的驅(qū)動信號是周期性變化的，每個周期對應(yīng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈（輸出軸旋轉(zhuǎn)2度），其中包含6個分步，分別對應(yīng)轉(zhuǎn)子的6個平衡位置，我們也可以把它們叫做6個相位。因此，分步驅(qū)動方式下MCU的4個I/O口輸出的電平也有6種組合，分別對應(yīng)這6個相位。 在程序中，使用一個靜態(tài)局部變量bPhase來保存步進電機當(dāng)前所處的相位，步進電機每走一個分步，相位就加1（逆時針轉(zhuǎn)）或者減1（順時針轉(zhuǎn)），然后在一個switch…case結(jié)構(gòu)中按新的相位設(shè)置I/O口的輸出狀態(tài)，如下： switch(bPhase) { case 0: STEPPER_LP = 1; STEPPER_LN = 0; STEPPER_RP = 1; STEPPER_RN = 0; break; case 1: STEPPER_LP = 0; STEPPER_LN = 0; STEPPER_RP = 1; STEPPER_RN = 0; break; case 2: STEPPER_LP = 0; STEPPER_LN = 1; STEPPER_RP = 0; STEPPER_RN = 0; break; case 3: STEPPER_LP = 0; STEPPER_LN = 1; STEPPER_RP = 0; STEPPER_RN = 1; break; case 4: STEPPER_LP = 0; STEPPER_LN = 0; STEPPER_RP = 0; STEPPER_RN = 1; break; case 5: STEPPER_LP = 1; STEPPER_LN = 0; STEPPER_RP = 0; STEPPER_RN = 0; break; default: ; } 微步方式程序 從前面的圖7中，可以看到微步方式下的驅(qū)動信號是近似于正弦波的階梯電流信號，每個周期對應(yīng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈（輸出軸旋轉(zhuǎn)2度），當(dāng)把每個分步細分成4個微步的時候，一個正弦波周期里就有24個階梯。本文利用PWM來產(chǎn)生這些階梯電流，并且近似地認為PWM的占空比與平均電流大小成正比。 首先，把TPM1的通道0和1初始化成邊沿對齊的PWM工作模式，設(shè)置TPM1的工作時鐘為總線時鐘，預(yù)分頻系數(shù)為1，設(shè)置TPM1MOD的值為255，這樣當(dāng)總線時鐘頻率為16MHz時，所產(chǎn)生的PWM信號的頻率是64KHz。在對TPM進行設(shè)置的時候需要考慮兩個方面： 其一，因為PWM的占空比與平均電流大小成正比，所以要使產(chǎn)生的平均電流盡量接近理想的正弦波分成24個階梯時的值，就要求PWM占空比的精度比較高。TPM1MOD的值決定了每個PWM周期里有多少個時鐘周期，脈沖寬度則由各個通道的Value寄存器的值決定，最小為0（對應(yīng)占空比為0），最大為(TPM1MOD+1)（對應(yīng)占空比為100％），設(shè)置Value寄存器的值大于(TPM1MOD+1)的效果和設(shè)為等于(TPM1MOD+1)是一樣的。PWM的占空比其實就是Value寄存器的值(TPM1MOD+1)的比值，由于寄存器里的值只能是整數(shù)，所以占空比的精度只能達到1/(TPM1MOD+1)。因此，要使占空比的精度較高，就要給TPM1MOD設(shè)置比較大的值。 其二，因為電機的線圈是個感性負載，所以用PWM驅(qū)動的時候，線圈上的電流是波浪式變化的，如圖11所示。電流的變化導(dǎo)致磁場強度的變化，兩個線圈各自產(chǎn)生的磁場強度變化則導(dǎo)致合成磁場的強度和方向都發(fā)生變化，這種波浪式的變化將使電機產(chǎn)生振動和噪聲。顯然，電流波紋的幅度是PWM信號的周期的單調(diào)增函數(shù)，即PWM的周期越長則電流波紋的幅度越大。因此，PWM的周期應(yīng)當(dāng)盡量短，而PWM的周期等于(TPM1MOD+1)乘以TPM1的工作時鐘的周期，所以應(yīng)當(dāng)使TPM1的工作時鐘的頻率盡量高，而且TPM1MOD的值不宜設(shè)得太大。 設(shè)置完P(guān)WM的工作時鐘頻率和模值（TPM1MOD）后，還要計算出各個階梯電流所對應(yīng)的占空比，即Value寄存器的值，計算公式如下： 把算出的數(shù)值做成查找表放在FLASH存儲器中。兩個線圈的電流相位相差60度 ，而 ,因此把由上式計算得到的一組數(shù)字的順序循環(huán)移動4個位置就得到另一個線圈的電流對應(yīng)的查找表。由于PWM的占空比只能控制平均電流的大小，而電流的方向由其他設(shè)置決定，所以程序中這兩個表的數(shù)字都取絕對值，它們的定義如下： static const word waCosineTable[] = { 256, 246, 221, 180, 127, 65, 0, 65, 127, 180, 221, 246, 256, 246, 221, 180, 127, 65, 0, 65, 127, 180, 221, 246 }; static const word waShiftCosTable[] = { 127, 180, 221, 246, 256, 246, 221, 180, 127, 65, 0, 65, 127, 180, 221, 246, 256, 246, 221, 180, 127, 65, 0, 65 }; 與分步方式程序相似地，本文把這24個階梯叫做24個相位，用一個靜態(tài)局部變量bPhase來保存步進電機當(dāng)前所處的相位，步進電機每走一個微步，相位就加1（逆時針轉(zhuǎn)）或者減1（順時針轉(zhuǎn)），然后在兩個查找表中取出相應(yīng)的數(shù)值寫到TPM1的兩個通道的Value寄存器中。為了實現(xiàn)電流的方向變化，需要在電流過零對應(yīng)的相位時改變PWM輸出的極性和連接線圈另一極的GPIO口輸出的電平，在程序中用switch…case結(jié)構(gòu)來完成這個任務(wù)，代碼如下： void MoveStepper1Micro(void) { static byte bPhase; if(bDirection == 1) { if(bPhase == 0) bPhase = 23; else bPhase--; switch(bPhase) { case 17: V I t STEPPER_LN = 1; //設(shè)置左線圈負極GPIO口輸出高電平，并 TPM1C0SC = 0x24; //設(shè)置PWM極性為低有效，使電流方向為負 break; case 21: STEPPER_RN = 1; //設(shè)置右線圈負極GPIO口輸出高電平，并 TPM1C1SC = 0x24; //設(shè)置PWM極性為低有效，使電流方向為負 break; case 5: STEPPER_LN = 0; //設(shè)置左線圈負極GPIO口輸出低電平，并 TPM1C0SC = 0x28; //設(shè)置PWM極性為高有效，使電流方向為正 break; case 9: STEPPER_RN = 0; //設(shè)置右線圈負極GPIO口輸出低電平，并 TPM1C1SC = 0x28; //設(shè)置PWM極性為高有效，使電流方向為正 break; default: ; } wCurrentPosition++; } else if(bDirection == 0xFF) { if(bPhase == 23) bPhase = 0; else bPhase++; switch(bPhase) { case 6: STEPPER_LN = 1; //設(shè)置左線圈負極GPIO口輸出高電平，并 TPM1C0SC = 0x24; //設(shè)置PWM極性為低有效，使電流方向為負 break; case 10: STEPPER_RN = 1; //設(shè)置右線圈負極GPIO口輸出高電平，并 TPM1C1SC = 0x24; //設(shè)置PWM極性為低有效，使電流方向為負 break; case 18: STEPPER_LN = 0; //設(shè)置左線圈負極GPIO口輸出低電平，并 TPM1C0SC = 0x28; //設(shè)置PWM極性為高有效，使電流方向為正 break; case 22: STEPPER_RN = 0; //設(shè)置右線圈負極GPIO口輸出低電平，并 TPM1C1SC = 0x28; //設(shè)置PWM極性為高有效，使電流方向為正 break; default: ; } wCurrentPosition--; } TPM1C0V = waCosineTable[bPhase]; TPM1C1V = waShiftCosTable[bPhase]; } 轉(zhuǎn)動速度控制 由于被測量的輸入信號的變化是隨機的，有時快有時慢，為了讓儀表實時、直觀地顯示出輸入信號的變化，驅(qū)動程序就必須對步進電機的轉(zhuǎn)動速度進行適當(dāng)?shù)目刂啤？梢哉f，一個汽車儀表做得好不好，很大程度上就看它對步進電機的轉(zhuǎn)動控制得好不好。 通常，儀表對輸入信號進行周期性的定時測量，因此對步進電機目標位置（指針位置）的設(shè)定也是每隔一段時間進行一次的。在程序中給這個間隔時間定義了一個宏，放在Stepper.h頭文件中，以便根據(jù)應(yīng)用程序的需要作修改，宏定義如下： #define STEPPER_UPDATE_INTERVAL 256 //單位：毫秒，必須在(8,512)內(nèi) 這里把指針位置的更新間隔時間限定在8到512毫秒之間是因為： 1. 儀表是用來給人看的，而人眼并不能看清變化非常快的東西，所以對指針位置更新得太快就沒有實際意義，徒然增加CPU的處理負擔(dān)而已。 2. 如下文將要提到的，本程序使用的定時器所能達到的最大中斷間隔時間為512毫秒，為了簡化定時器的中斷服務(wù)程序，減小CPU的負荷，所以限定指針位置的更新間隔時間不要超過512毫秒。 為了讓儀表的指針擺動得更加平穩(wěn)、自然，最好能讓電機在下一次設(shè)定目標位置前的那一刻剛好轉(zhuǎn)動到本次設(shè)定的目標位置。為此就要計算出電機在這一段時間里的平均旋轉(zhuǎn)速度，也就是每個分步或微步的平均間隔時間。當(dāng)所需的平均速度較大時，如前所述，還需要對電機進行加減速的控制。 為了實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)動速度控制，在定時器的每次中斷里只讓電機轉(zhuǎn)動一個分步/微步，然后用一定的算法計算出這一步到下一步之間應(yīng)當(dāng)間隔的時間，以重新設(shè)置定時器的溢出時間。在本驅(qū)動程序中，定時器選用的是TPM2模塊的通道0，對其相關(guān)的寄存器的設(shè)置說明如下： 初始化： SCGC1_TPM2 = 1; //使能TPM2模塊的時鐘 TPM2MOD = 0; //設(shè)置TPM2的計數(shù)器為自由運行模式 TPM2SC = 0x0F; //選擇總線時鐘為時鐘源，預(yù)分頻系數(shù)為128 把預(yù)分頻系數(shù)設(shè)置為128是為了讓定時器的溢出時間能夠盡可能大，減少中斷對CPU造 成的負擔(dān)。當(dāng)總線時鐘頻率為16MHz時，此定時器能達到的最大中斷間隔時間是512毫秒。 啟動定時器： TPM2C0V = TPM2CNT + 2; TPM2C0SC = 0x50; 設(shè)置通道0為輸出比較模式，比較一致時產(chǎn)生中斷，但比較結(jié)果不輸出到管腳上（相關(guān)管腳仍然由GPIO控制）。因為啟動定時器時步進電機還沒有開始轉(zhuǎn)動，所以給比較值寄存器(TPM2C0V)設(shè)置的值是計數(shù)器(TPM2CNT)當(dāng)前的值加2，即讓它盡快地產(chǎn)生一次中斷。然后在每次中斷產(chǎn)生后，在中斷服務(wù)程序里讓步進電機轉(zhuǎn)動一步，并給TPM2C0V設(shè)置一個新的值，即根據(jù)所需的間隔時間給TPM2C0V增加一定的數(shù)值。 為了對步進電機進行加減速控制，我們需要知道它啟動時第一步所需的間隔時間和最大轉(zhuǎn)速時每一步所需的間隔時間。步進電機啟動時第一步所需的間隔時間的最小值(Tss)可以由下面的公式計算得到： 式中，d是步距，即每走一步輸出軸轉(zhuǎn)過的角度；fss是啟動頻率，即啟動時允許的輸出軸的最大轉(zhuǎn)速，單位是（度/秒）。 從VID29系列步進電機的數(shù)據(jù)手冊上可以查到，fss等于125(度/秒)，在分步方式下d等于(1/3)度。代入上式，可以算出Tss等于(1/375)秒，約等于2667微秒。 在程序中定義MAX_PARTIAL_STEP_TIME為400，當(dāng)在中斷服務(wù)程序里把TPM2C0V的值增加400后，下一次比較中斷產(chǎn)生的時間和本次中斷之間的間隔就為3200微秒，大于Tss且還有一定的裕量。 步進電機達到最大轉(zhuǎn)速時每一步所需的間隔時間(Tmm),計算公式如下： 式中，d仍是步距，fmm是最大驅(qū)動頻率，即連續(xù)旋轉(zhuǎn)時輸出軸的最大轉(zhuǎn)速，單位是（度/秒）。 從VID29系列步進電機的數(shù)據(jù)手冊上查到fmm等于600(度/秒)，算出Tmm約等于556微秒。在程序中定義MIN_PARTIAL_STEP_TIME為80，對應(yīng)的間隔時間為640微秒，同樣是大于Tmm且有一定的裕量。 對于微步方式，由于我們把每個分步細分成4個微步，所以相應(yīng)的Tss和Tmm都是分步方式時的四分之一。 在程序中，設(shè)定步進電機的目標位置SetStepperTarget函數(shù)里根據(jù)目標位置與當(dāng)前位置的差(wDiff) 計算出需要的平均轉(zhuǎn)速， 也就是每一步的平均間隔時間(wAverageStepTime)，根據(jù)平均間隔時間設(shè)置TPM2C0V的增量(wTimerIncrement)，并啟動定時器。在定時器的中斷服務(wù)程序中驅(qū)動電機一步一步地向目標位置轉(zhuǎn)動，當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動到目標位置后，讓定時器停止工作。 另外，考慮到輸入信號變化很快時，電機的轉(zhuǎn)動速度可能跟不上信號的變化，從而在下一次測量完輸入信號，對步進電機的目標位置再次進行設(shè)定時，電機還正在轉(zhuǎn)動之中。這時，電機的轉(zhuǎn)動速度有可能很快，在這種情況下如果重新啟動定時器則有可能造成失步，因此SetStepperTarget程序根據(jù)電機當(dāng)前的狀態(tài)進行了分別的處理，其流程如圖12所示。 在定時器的中斷服務(wù)程序中，首先判斷bBrakeFlag標志，如果不是0，則表示當(dāng)前轉(zhuǎn)動方向跟目標位置不一致，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)平均間隔時間決定何時讓電機轉(zhuǎn)動一個分步/微步，以及是否需要進行加減速。當(dāng)平均間隔時間大于Tss時，電機每隔一個平均間隔時間轉(zhuǎn)動一步，作勻速轉(zhuǎn)動。而當(dāng)平均間隔時間小于Tss時，則讓電機第一步的間隔時間為Tss，然后逐漸減小，即做加速轉(zhuǎn)動，直到達到需要的平均轉(zhuǎn)速或電機允許的最高轉(zhuǎn)速；到接近目標位置時，則讓每一步的間隔時間逐漸加長，電機減速轉(zhuǎn)動，并且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。 總結(jié) 使用本文給出的驅(qū)動程序，用戶的應(yīng)用程序和驅(qū)動程序之間的接口非常簡單，所有的控制步進電機的邏輯都封裝在驅(qū)動程序中，而且驅(qū)動程序占用CPU的處理時間非常少。另外，本程序根據(jù)汽車儀表應(yīng)用的特點對步進電機的轉(zhuǎn)動速度進行了相應(yīng)的控制，所以不管輸入信號變化快慢，電機輸出帶動的指針都能快速、平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動，以讓人感覺很自然的方式將輸入的物理量顯示出來。 |
