四相步進電機環(huán)形脈沖分配的兩種實現

南昌航空大學工程訓練中心 曹清國

南昌航空大學航空制造工程學院 肖 潔 候華騰

以四相混合式步進電機為例，對比介紹了用軟件和硬件方式實現步進電機環(huán)形脈沖分配，分析了兩種不同實現方法的優(yōu)缺點。

步進電機作為精密的執(zhí)行元件，廣泛應用于數字控制的各個領域，特別是在開環(huán)控制系統中，步進電機具有絕對優(yōu)勢。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而環(huán)行脈沖分配就是產生控制脈沖中心。因此，環(huán)行脈沖分配的可靠性、精確度以及可變性控制對步進電機的控制顯得尤為重要。

實現步進電機脈沖分配的方法主要有兩種：一種是通過計算機軟件采用查表和計算方法進行脈沖分配，簡稱軟環(huán)分，另一種是硬環(huán)分，即采用硬件手段實現脈沖分配。這兩種方法在使用上都各有千秋，本文將以四相混合式步進電機為例，對這兩種方法做些簡單介紹。

圖1 單片機與四相步進電機接線示意圖

1 軟環(huán)分

如圖1所示，單片機與步進電機通過P0口相接，要實現系統的電機脈沖環(huán)分功能，則需要在內存ROM中開辟一個區(qū)域存儲環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表。系統軟件通過查表得到電機輸出狀態(tài)控制字，送至輸出口。例如，在程序存儲器中，從2000H開始存儲電機的四相單四拍的狀態(tài)表，從3000H開始存儲電機的四相雙四拍的狀態(tài)表，從4000H開始存儲電機的四相八拍的狀態(tài)表，并且設定高電平導通，低電平截止，則不同地址的存儲內容已經對應電機繞組導通狀態(tài)如表1所示。

表1 存儲內容與電機繞組狀態(tài)對應表

在系統軟件中，設定一個字節(jié)R0作為狀態(tài)計數器，并按正反轉要求執(zhí)行加1減1操作，在程序中，判斷P1.0、P1.1、P1.2位狀態(tài)，決定電機的運轉方式，則對應正轉程序為：

調用延時子程序改變輸出狀態(tài)碼的間隔時間就可改變X向或Y向步進電動機的轉速，程序如下：

用軟環(huán)分的方法充分利用計算機軟件資源，降低硬件成本，尤其對多相電機的脈沖分配有更大的優(yōu)點，但由于軟環(huán)分占用計算機的運行時間，故會使插補周期增加，易影響步進電機的運行速度。

2 硬件環(huán)分

硬件環(huán)形分配器是由數字邏輯電路設計而成，相對于軟環(huán)分來說，硬環(huán)分提高了系統的靈活性和可靠性，使CPU專職于控制工作，而且專用芯片使用方便，接口簡單，易于編程。環(huán)行分配器組成結構多種多樣，如計數器和觸發(fā)器、單片機和存貯器、存貯器和計數器等。常用的集成環(huán)形脈沖分配器芯片有：CH250、PMM8713、PM03、L297等。但是專用的環(huán)形脈沖分配器芯片一般都固定了電機運轉方式，不易實現變拍驅動，本文將介紹存儲器和計數器結合的步進電機控制脈沖分配器。

圖2 存儲器＋計數器的四相電機環(huán)形脈沖分配器

這種環(huán)形分配器的基本思想是：將步進電動機在不同工作方式下的勵磁狀態(tài)轉換表按順序分別存入指定的EPROM地址區(qū)域內。用低四位地址作為每一個勵磁狀態(tài)轉換表的偏移地址，用高位地址來決定步進電動機的不同工作方式。EPROM的每一位數據輸出端作為步進電動機每一相繞組的控制信號。將計數器的四位并行數據輸出端與EPROM的低四位地址相連，EPROM的地址增減順序就決定了步進電動機的運行方向，因此，控制計數器的計數方向也就實現了步進電動機的方向控制。

如圖2所示，選用計數器74LS191和EPROM2732構成環(huán)形脈沖分配器。時鐘脈沖從P1.0端引入，方向控制由P1.1端控制，低電平向上（加），設定為正轉，高電平計數向下（減），設定為反轉。用P1.6和P1.7接EPROM的A4和A5，控制電機的工作方式：設定A5、A4為00時，電機為單四拍工作方式；當A5、A4為01時，電機為雙四拍工作方式；當A5、A4為10時，電機為四相八拍工作方式。設定存儲狀態(tài)高電平有效，則三種工作方式對應的存儲空間的內容見表2所示。

表2 EPROM2732存儲空間與內容對應表

于是，要控制電機的運轉，我們只需要在系統軟件中，設定P1.1的值（1或0）來選定電機轉動方向，根據運轉方式需要設定P1.6和P1.7的值，再給P1.0送脈沖，即可驅動電機。如要電機以四相八拍方式正轉，設定R0為脈沖個數計數器，若要給電機送8個脈沖，程序為：

采用這種方式組成的環(huán)形脈沖分配器結構簡單，只需要循環(huán)計數器和存儲器2個部分，而且功能多，應用靈活性強，可選用步進電動機的不同工作方式。該分配器與控制器的接口簡單（只有CP脈沖信號和方向輸入信號），相對軟環(huán)分來講，軟件編制要容易，占用CPU的時間短。