在HCS08系列MCU上用軟件實(shí)現(xiàn)儀表步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

　　步進(jìn)電機(jī)由于具有角位移和輸入脈沖數(shù)成正比并且沒(méi)有累積誤差的特點(diǎn)，而被廣泛地用作汽車儀表的顯示部件。在多數(shù)情況下，人們會(huì)使用專用的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，主控制器只需要給出方向控制信號(hào)和控制轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)的脈沖就行了。另外，也有集成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的MCU(微控制器)，如Freescale的MC9S12HY系列，其使用方法也比較簡(jiǎn)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(dòng)芯片或相對(duì)較貴的帶驅(qū)動(dòng)電路的MCU，而是用普通的MCU直接去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。本文介紹了在Freescale的HCS08系列MCU上，如何用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)VID29系列步進(jìn)電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)。本文所附帶的程序，已經(jīng)在Freescale的LG32 Cluster Reference Design演示板上運(yùn)行驗(yàn)證過(guò)。

　　分步驅(qū)動(dòng)和微步驅(qū)動(dòng)

　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)通常有分步方式和微步方式兩種。分步方式的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度只有0和電源電壓(5V)兩種，與數(shù)字信號(hào)的低電平和高電平完全一一對(duì)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(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)程序也比較簡(jiǎn)單。但是由于分步方式下，定子線圈產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)的方向在每走一步的過(guò)程中都發(fā)生一個(gè)較大的跳變——對(duì)于VID29系列步進(jìn)電機(jī)而言是60°的跳變，定子磁場(chǎng)從原來(lái)的方向跳變到下一個(gè)平衡位置的方向，轉(zhuǎn)子則在磁力的作用下加速向下一個(gè)平衡位置轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)它到達(dá)平衡位置的瞬間，速度達(dá)到最大值，而磁場(chǎng)力則變?yōu)榱?只考慮切向力，不考慮徑向力，因?yàn)閺较蛄εc轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)關(guān)。下同);然后，如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)沒(méi)有變化的話，轉(zhuǎn)子就會(huì)在慣性的作用下繼續(xù)往前轉(zhuǎn)動(dòng)，偏離平衡位置，這時(shí)磁場(chǎng)力將會(huì)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(dá)到最大時(shí)，其速度減為零，然后在磁場(chǎng)力作用下往回加速轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)回平衡位置時(shí)，磁場(chǎng)力又變?yōu)榱?，而速度不為零，于是在慣性的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)偏離平衡位置……如此反復(fù)，只要驅(qū)動(dòng)信號(hào)還沒(méi)有再次改變，轉(zhuǎn)子就會(huì)象蕩秋千一樣在平衡位置附近來(lái)回振蕩，并在摩擦力的作用下幅度逐漸減小。這種振蕩還會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，所以用分步方式驅(qū)動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的噪聲和抖動(dòng)會(huì)比較大。

　　為了減小步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲和抖動(dòng)，人們?cè)O(shè)法讓定子線圈的磁場(chǎng)方向的跳變幅度變小，把一個(gè)分步一次的大跳變分成若干次較小的跳變來(lái)完成，于是就有了微步驅(qū)動(dòng)方式，也叫細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式。

　　根據(jù)矢量合成的原理，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)中的兩個(gè)線圈各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度按照正/余弦規(guī)律變化的時(shí)候，它們的合成磁場(chǎng)的方向就會(huì)勻速旋轉(zhuǎn)，而合成磁場(chǎng)的強(qiáng)度保持不變，如圖1所示。線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與通過(guò)它的電流大小成正比，因此微步驅(qū)動(dòng)方式就是讓通過(guò)線圈的驅(qū)動(dòng)電流不是像分步方式那樣在0和最大值之間跳變，而是按照正/余弦規(guī)律分成幾個(gè)階梯逐步變化，如圖2所示。

　　那么如何來(lái)產(chǎn)生階梯變化的驅(qū)動(dòng)電流呢?通常的做法是將一個(gè)PWM波形電壓信號(hào)施加到線圈上，以PWM的占空比來(lái)控制通過(guò)線圈的平均電流。對(duì)每個(gè)階梯電流，我們事先計(jì)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，每走一個(gè)微步就從表中取出相應(yīng)的占空比來(lái)對(duì)PWM模塊進(jìn)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。