單片機(jī)與TA8435的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，即給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)一個(gè)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(hào)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(guò)一個(gè)步距角，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的無(wú)累積誤差，精度高。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：

1）步進(jìn)電動(dòng)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(méi)有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。

2）由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常可靠，同時(shí)，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(dòng)機(jī)的動(dòng)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(dòng)負(fù)載。

5）步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)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(duì)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(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，圖1是四相六線制步進(jìn)電機(jī)原理圖，這類(lèi)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(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)1.8度，旋轉(zhuǎn)一周，則需要200個(gè)脈沖，在半步方式下，步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)0.9度，旋轉(zhuǎn)一周，則需要400個(gè)脈沖?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)必須按一定時(shí)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(shí)序如表1和表2所列。

步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)，會(huì)有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)。如果使用細(xì)分方式，就能很好的解決這個(gè)問(wèn)題，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分，一般情況下，合成磁場(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(dòng)方式，大多數(shù)專(zhuān)用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片都采用這種驅(qū)動(dòng)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(diǎn)

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(dòng)專(zhuān)用芯片，該芯片具有以下特點(diǎn)：

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(yùn)行方式可供選擇；

4）采用脈寬調(diào)試式斬波驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入。

從圖2中可以看出，ta8435主要由1個(gè)解碼器，2個(gè)橋式驅(qū)動(dòng)電路、2個(gè)輸出電流控制電路、2個(gè)最大電流限制電路、1個(gè)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(gè)ck時(shí)鐘周期時(shí)，解碼器打開(kāi)橋式驅(qū)動(dòng)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(shí)，比較器使橋式驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉，電機(jī)線圈上的電流開(kāi)始衰減，rnfb上的電壓也相應(yīng)減??；當(dāng)電壓值小于比較器正向電壓時(shí)，橋式驅(qū)動(dòng)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(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)，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(shí)鐘周期，第4時(shí)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(gè)時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)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(dòng)方式：m1＝0、m2＝0，電機(jī)按整步方式運(yùn)轉(zhuǎn)；m1＝1、m2＝0，電機(jī)按半步方式運(yùn)轉(zhuǎn)；m1＝0、m2＝1，電機(jī)按1/4細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn)；m1＝1、m2＝1，電機(jī)按1/8步細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn)，cw/cww控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，ck1、ck2時(shí)鐘輸入的最大頻率不能超過(guò)5khz，控制時(shí)鐘的頻率，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率。refin為高電平時(shí)，nfa和nfb的輸出電壓為0.8v，refin為低電平時(shí)，nfa和nfb輸出電壓為0.5v，這2個(gè)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(shí)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(lái)泄放繞組電流。

以下是利用ta8435控制步進(jìn)電機(jī)的程序，實(shí)現(xiàn)采用1/8細(xì)分方式控制步進(jìn)電機(jī)的順時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，利用定時(shí)器1向ta8435輸出脈沖，用來(lái)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(diǎn)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(dòng)和噪聲，因此，在低頻工作時(shí)，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(dòng)和噪聲，當(dāng)系統(tǒng)需要在高速工作時(shí)，細(xì)分模式就有可能達(dá)不到要求的速度，這時(shí)可以選用整步或半步方式，在速度較高時(shí)，在整步或半步工作模式下，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)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(jià)格低、控制簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)，所以具有很高的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。