仪表步进电机介绍

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机某相线圈加一脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不像普通的直流电机、交流电机那样在常规下使用。它必须在双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统下使用。

仪表步进电机属于步进电机中体积、功耗较小的类别，可以由单片机或专用芯片的引脚直接驱动，不需外接驱动器，因而在仪表中被用于指针的旋转控制。

需求分析

本方案中使用的仪表具有如下特点和设计参数：

●指针响应灵敏、走位准确，即收到驱动脉冲后不能丢步;

●指针转动平稳，即指针从当前位置到目标位置之间的走位要平稳，正、反转都不能出现抖动;

●两相、步距角10o、转动范围300o。

根据技术参数可知，采用两相四拍和两相八拍时的步距角为10o和5o，在300o的范围内只能作30和60个刻度划分，在实际应用中，会发现指针步距角不能满足要求而且抖动不可避免。为了实现指针高精度的准确走位和平稳运转，要对步进电机步距进行高分辨率细分，这也是设计的难点所在。

步进电机的细分技术是一种电子阻尼技术，其主要目的是提高电机的运转精度，实现步进电机步距角的高精度细分。其基本概念为：步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一。以两相四拍为例：当电机工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动10o;而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了1o。细分功能完全是由驱动器或单片机靠精确控制电机的相电流所实现的，与电机本身无关。

细分原理

两相四拍A、B、/A、/B的驱动状态表如表1所示。

两相八拍A、B、/A、/B的驱动状态表如表2所示。

从以上的分析可知，两相四拍是整步运转不细分，两相八拍其实是2细分。合成的磁场和电流矢量夹角以90o和45o的方式变化，如此往复循环。

参考相关资料后不难发现：细分驱动技术常用近似正弦波的阶梯型电流代替矩形波电流，产生一个微步旋转磁场，从而带动电机以更小的步距角转动，其电流波形和旋转磁场矢量如图1所示。同时由于正弦波电流变化平滑，使电机运行更平稳、噪声更小。即通过改变相邻两相(A，B)电流的大小和方向(A相正弦波和B相余弦波矢量叠加)，以改变合成磁场的夹角，通过电流矢量合成的方式来控制步进电机运转。

硬件设计和软件编程

根据细分原理可知，对于两相步进电机，需要同时控制两组线圈的电压大小和方向才能达到合成电流矢量控制的目的，控制线圈的电流大小有两种方案：其一是通过单片机写入数字量，由数模转换器件输出模拟电压，控制线圈电流大小;其二是通过某些单片机自带的PWM引脚输出占空比可控的方波，用其交流有效值控制线圈电流大小。很显然，按照正弦规律变化的占空比决定了线圈电流大小也按照相同的正弦规律变化。线圈的电压施加方向可以通过逻辑门电路来实现。

综上，选用具有两路16位精度PWM功能的ATMEGA48单片机，外围硬件电路设计如图2。

使用该单片机具有PWM功能的PB1和PB2连接PWM_A和PWM_B，使用两个普通引脚连接DIR_A和DIR_B即可实现对电机的控制。原理说明如下：电机的A、/A、B、/B分别对应四输入与门电路的3、6、8、11引脚。在DIR_A和DIR_B为低电平时，门电路的1、9引脚为0状态，三极管Q3、Q4截止，门电路的4、12引脚由于上拉处于1状态，这样，与门电路的3、8输出为0，即A、B为0;此时与门电路的6、11输出与PWM_A和PWM_B保持一致，即/A、/B由PWM_A和PWM_B决定。在其他状态下，也具有同类特点：A和/A之间、B和/B之间的通电极性由DIR_A和DIR_B决定;A和/A之间、B和/B之间的电流大小由PWM_A和PWM_B的占空比决定。而且只要三极管Q3、Q4工作正常，与门电路就不会出现逻辑混乱的情况。

配合硬件的设计，软件上编写了一个由64个数据组成的数组，分别对应了0~90o正弦波幅度变化的8位数字量化值(以阶梯波的方式模拟了64点正弦波抽样)，每个值用来控制输出波形占空比，实际上参与了电流矢量夹角转动90o过程中其电流大小的计算。众所周知，正弦、余弦波相位相差90o，在已知0~90o正弦波幅度变化表后，同样可以得出90o~180o、180o~270o、270o~360o(0o)的正弦波、余弦波幅度变化表，所以通过0~90o正弦波幅度变化的8位数字量化表的演化，就可以在两相八拍(二细分)的基础上把电流矢量夹角分成四个象限，配合极性的控制，在每个象限中把A或/A的正弦波和B或/B的余弦波作8种组合，在每种组合中完成电流大小的变化，最终作到两相64拍(16细分)的控制。而且，最巧妙的一点就在于：通过选择64个数据对应每90o范围的正弦波的64个点，就可以用一个字节的大小来作为区分4个象限的标志，便于对正、余弦的角度进行演化，即0~63对应0~90o，64~127对应90o~180o，128~191对应180o~270o，192~255对应270o~360o。

两相64拍A、B、/A、/B的驱动状态表如表3(以B为起始状态)。

由于仪表指针从当前角指向目标角时，变化量会有不同。为保证指针响应灵敏、无抖动，必须在正、反转时考虑加、减速控制。程序中，可以根据变化量的大小和正负设定几个控制区间，分别写入不同的延时参数，根据此延时参数来控制电流大小、方向(改变PWM_A和PWM_B、DIR_A和DIR_B)变化时间，就达到了加、减速的控制的目的。

通过双PWM方式控制两相步进电机，既达到了高精度细分的目的，又在硬件成本上得到了优化。在现有电路的后级增加功率驱动电路并作程序的少量修改，就可以做成高精度、多细分步进电机驱动器。

atmega48单片机

atmega48具有8K 系统内可编程Flash的8位微控制器。

ATmega48/V

ATmega88/V

ATmega168/V

特性· 高性能、低功耗的8 位AVR® 微处理器

· 先进的RISC 结构

– 131 条指令 – 大多数指令的执行时间为单个时钟周期

– 32 x 8 通用工作寄存器

– 全静态操作

– 工作于20 MHz 时性能高达20 MIPS

– 只需两个时钟周期的硬件乘法器

· 非易失性的程序和数据存储器

– 4/8/16K 字节的系统内可编程Flash (ATmega48/88/168)

擦写寿命: 10,000 次

– 具有独立锁定位的可选Boot 代码区

通过片上Boot 程序实现系统内编程

真正的同时读写操作

– 256/512/512 字节的EEPROM (ATmega48/88/168)

擦写寿命: 100,000 次

– 512/1K/1K 字节的片内SRAM (ATmega48/88/168)

– 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密

外设特点编辑

– 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器

– 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器

– 具有独立振荡器的实时计数器RTC

– 六通道PWM

– 8路10 位ADC(TQFP 与MLF 封装)

– 6路10 位ADC( PDIP 封装)

– 可编程的串行USART 接口

– 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口

– 面向字节的两线串行接口

– 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器

– 片内模拟比较器

– 引脚电平变化可引发中断及唤醒MCU

· 特殊的微控制器特点

– 上电复位以及可编程的掉电检测

– 经过标定的片内振荡器

– 片内/ 外中断源

– 五种休眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和Standby 模式

· I/O 口与封装

– 23个可编程的I/O 口线

– 28引脚PDIP, 32 引脚TQFP 与32 引脚MLF 封装

· 工作电压:

– ATmega48V/88V/168V：1.8 - 5.5V

– ATmega48/88/168：2.7 - 5.5V

· 工作温度范围:

– -40°C 至85°C

· 工作速度等级:

– ATmega48V/88V/168V: 0 - 4 MHz @ 1.8 - 5.5V, 0 - 10 MHz @ 2.7 - 5.5V

– ATmega48/88/168: 0 - 10 MHz @ 2.7 - 5.5V, 0 - 20 MHz @ 4.5 - 5.5V

· 极低功耗

– 正常模式：

1 MHz, 1.8V: 240μA

32 kHz, 1.8V: 15μA ( 包括振荡器)

– 掉电模式:

1.8V， 0.1μA

现在型号有所升级，替代有

ATmega48PA

ATmega88PA

ATmega168PA

ATmega328P

步进电动机有如下特点：

1)步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。

2)由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

3)步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。

4)速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。

5)步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。

6)步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。

步进电机具有和机械结构简单的优点，图1是四相六线制步进电机原理图，这类步进电机既可作为四相电机使用，也可以做为两相电机使用，使用灵活，因此应用广泛。

步进电机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角1.8度四相混合式步进电机为例，在整步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转1.8度，旋转一周，则需要200个脉冲，在半步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转0.9度，旋转一周，则需要400个脉冲。控制步进电机旋转必须按一定时序对步进电机引线输入脉冲，以上述四相六线制步进电机为例，其半步工作方式和整步工作方式的控制时序如表1和表2所列。

步进电机在低频工作时，会有振动大、噪声大的缺点。如果使用细分方式，就能很好的解决这个问题，步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分，一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小，步进电机半步工作方式就蕴涵了细分的工作原理。

实现细分方式有多种方法，最常用的是脉宽调制式斩波驱动方式，大多数专用的步进电机驱动芯片都采用这种驱动方式，TA8435就是其中一种芯片。

2 基于TA8435H芯片的步进电机细分方式

2.1 TA8435芯片特点

TA8435是东芝公司生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，该芯片具有以下特点：

1)工作电压范围宽(10-40V);

2)输出电流可达1.5A(平均)和2.5A(峰值);

3)具有整步、半步、1/4细分、1/8细分运行方式可供选择;

4)采用脉宽调试式斩波驱动方式;

5)具有正/反转控制功能;

6)带有复位和使能引脚;

7)可选择使用单时钟输入或双时钟输入。

从图2中可以看出，TA8435主要由1个解码器，2个桥式驱动电路、2个输出电流控制电路、2个最大电流限制电路、1个斩波器等功能模块组成。

2.2 TA8435细分工作原理

在图3中，第一个CK时钟周期时，解码器打开桥式驱动电路，电流从VMA流经电机的线圈后经RNFA后与地构成回路，由于线圈电感的作用，电流是逐渐增大的，所以RNFB上的电压也随之上升。当RNFB上的电压大于比较器正端的电压时，比较器使桥式驱动电路关闭，电机线圈上的电流开始衰减，RNFB上的电压也相应减小;当电压值小于比较器正向电压时，桥式驱动电路又重新导通，如此循环，电流不断的上升和下降形成 锯齿波，其波形如图3中IA波形的第1段，另外由于斩波器频率很高，一般在几十KHz，其频率大小与所选用电容有关，在OSC作用下，电流锯齿波纹是非常小的，可以近似认为输出电流是直流。在第2个时钟周期开始时，输出电流控制电路输出电压Ua达到第2阶段，比较器正向电压也相应为第2阶段的电压，因此，流经步进电机线圈的电流从第1阶段也升至第二阶段2，电流波形如图IA第2部分，第3时钟周期，第4时钟周期TA8435的工作原理与第1、2是一样的，只有又升高比较器正向电压而已，输出电流波形如图IA中第3、4部分。如此最终形成阶梯电流，加在线圈B上的电流，如图3中IB。在CK一个时钟周期内，流经线圈A和线圈B的电流共同作用下，步进电机运转一个细分步。

2.3 步进电机的应用

图4是单片机与TA8435相连控制步进电机的原理图，引脚M1和M2决定电机的转动方式：M1=0、M2=0，电机按整步方式运转;M1=1、M2=0，电机按半步方式运转;M1=0、M2=1，电机按1/4细分方式运转;M1=1、M2=1，电机按1/8步细分方式运转，CW/CWW控制电机转动方向，CK1、CK2时钟输入的最大频率不能超过5KHz，控制时钟的频率，即可控制电机转动速率。REFIN为高电平时，NFA和NFB的输出电压为0.8V，REFIN为低电平时，NFA和NFB输出电压为0.5V，这2个引脚控制步进电机输入电流，电流大小与NF端外接电阻关系式为：IO=Vref/Rnf。图4中，设REFIN=1，选用步进电机额定电流为0.4A，R1，R2选用1.6欧姆、2W的大功率电阻，O、C两线不接。步进电机按二相双极性使用，四相按二相使用时可以提高步进电机的输出转矩，D1-D4快恢复二极管用来泄放绕组电流。

以下是利用TA8435控制步进电机的程序，实现采用1/8细分方式控制步进电机的顺时钟方向转动的功能，利用定时器1向TA8435输出脉冲，用来控制步进电机转速。

TA8435H

概述：

TA8435H 是一款单片步进电机专用驱动芯片。采用TA8435H构成步进电机驱动器，输出步进脉冲的设计方案具有占用CPU时间短、编程容易、结构简单、成本低、可靠性好、抗干扰能力强等优点，因此可在控制和测量领域中得到广泛应用。

主要特点：

TA8435H是单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，TA8435H可以驱动二相步进电机，且电路简单，工作可靠。该芯片还具有以下特点：

●工作电压范围宽(10V～40V)

●输出电流可达1.5A平均和2.5A峰值

●具有整步、半步、1/4细分、1/8细分运行方式可供选择;

●采用脉宽调制式斩波驱动方式;

●具有正/反转控制功能;

●带有复位和使能引脚;

●可选择使用单时钟输入或双时钟输入。

3 结论

本文介绍了步进电机的特点和TA8435芯片工作原理，使用细分方式可以提高步进电机的控制精度，降低步进电机的振动和噪声，因此，在低频工作时，可以选用1/4细分或1/8细分模式，以降低系统的振动和噪声，当系统需要在高速工作时，细分模式就有可能达不到要求的速度，这时可以选用整步或半步方式，在速度较高时，在整步或半步工作模式下，步进电机运行稳定，振动小、噪声也小。TA8435在细分、半步、整步几种工作模式之间的切换是相当容易的，使用TA8435控制步进电机具有价格低、控制简单、工作可靠的特点，所以具有很高的推广价值和广阔的应用前景。