四相步進電機環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形脈沖分配，分析了兩種不同實現方法的優缺點。

步進電機作為精密的執行元件，廣泛應用于數字控制的各個領域，特別是在開環控制系統中，步進電機具有絕對優勢。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，而環行脈沖分配就是產生控制脈沖中心。因此，環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，簡稱軟環分，另一種是硬環分，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分功能，則需要在內存ROM中開辟一個區域存儲環形分配器的輸出狀態表。系統軟件通過查表得到電機輸出狀態控制字，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表，從3000H開始存儲電機的四相雙四拍的狀態表，從4000H開始存儲電機的四相八拍的狀態表，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如表1所示。

表1 存儲內容與電機繞組狀態對應表

在系統軟件中，設定一個字節R0作為狀態計數器，并按正反轉要求執行加1減1操作，在程序中，判斷P1.0、P1.1、P1.2位狀態，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點，但由于軟環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 硬件環分

硬件環形分配器是由數字邏輯電路設計而成，相對于軟環分來說，硬環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。環行分配器組成結構多種多樣，如計數器和觸發器、單片機和存貯器、存貯器和計數器等。常用的集成環形脈沖分配器芯片有：CH250、PMM8713、PM03、L297等。但是專用的環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形脈沖分配器

這種環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轉換表按順序分別存入指定的EPROM地址區域內。用低四位地址作為每一個勵磁狀態轉換表的偏移地址，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形脈沖分配器結構簡單，只需要循環計數器和存儲器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），相對軟環分來講，軟件編制要容易，占用CPU的時間短。