O 引言
步進電機可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。步進電機作為控制執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領域。例如，在儀器儀表，機床設備以及計算機的外圍設備中(如打印機和繪圖儀等)，凡需要對轉(zhuǎn)角進行精確控制的情況下，使用步進電機最為理想。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。
MCS-96系列16位單片機特別適用于各類自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速電機控制系統(tǒng)等，還適用于一般的信號處理系統(tǒng)和高級智能儀器，以及高性能的計算機外部設備控制器和辦公自動化設備控制器。這些系統(tǒng)通常要求實時處理，實時控制。由于8XCl96MC單片機完善而卓越的性能，它必將在智能儀表、家用電器、計算機終端設備、汽車電子、人工智能、機器人、機電一體化以及傳統(tǒng)設備改造等廣泛的應用領域中大顯身手，充分發(fā)揮其優(yōu)點，因此，它具有良好的發(fā)展前景。
1 波形發(fā)生器
1．1 片內(nèi)波形發(fā)生器WFG概述
片內(nèi)波形發(fā)生器’WFG(Wave Form Generator)是8XCl96MC／MD獨具的特點之一。它有三個同步的PWM模塊，每個模塊包含一個相位比較寄存器、一個無信號時間(dead— time)發(fā)生器和一對可編程的輸出。WFG可以產(chǎn)生獨立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式。一旦啟動之后，WFG只要求 CP[J在改變PWM的占空比時加以干預。波形發(fā)生器的專用寄存器有雙向計數(shù)器’WG—COUNT、重裝載寄存器WG—RELOAD、相位比較緩沖寄存器 WG-RCOMPX、控制寄存器WG·C0N、輸出控制緩沖寄存器WG—OUT。用戶可以對WG—RELOAD寄存器進行寫操作，而它的值周期地(取決于操作方式)裝到第2個寄存器中，用這個計數(shù)器比較寄存器與WG—COUNT比較。對第2個寄存器的裝載發(fā)生于WG-COUNT一1或WG—COUNT的值等于計數(shù)器比較寄存器的值時，與WFG的操作方式有關。若寫“O”到WG—RELOAD寄存器中，則當該值裝入計數(shù)器中，它就停止計數(shù)。
1.2 波形發(fā)生器基本工作原理
波形發(fā)生器從功能上分3部分。時基發(fā)生器，相位驅(qū)動器通道和控制電路。時基發(fā)生器為PWM建立載波周期。該周期取決于WG—RELOAD寄存器的值和操作方式。時基發(fā)生器的核心是一個16位雙向計數(shù)器WG—COUNT，可工作于4種不同的方式，產(chǎn)生中心對準或邊沿對準的PWM，中心對準的PWM波形所造成的諧波小，通常采用中心對準方式。相位驅(qū)動通道決定PWM波形占空比。它有3個獨立的相位驅(qū)動通道，它們電路是一樣的，每個通道有一對可編程的輸出。每個相位通道包含一個可編程的無信號時間發(fā)生器，用來防止一對互補輸出在同一時刻都有效。控制部分包含一些用來確定工作模式和其他配置信息的寄存器。一個可編程的保護電路可監(jiān)視。EXTINT輸入腳，若檢測到一次有效的事件，就產(chǎn)生一次中斷，禁止波形輸出。
時基發(fā)生器WG-COUNT的工作方式O、1在上電復位后WFG中所有寄存器的值為O。計數(shù)器停止工作，寫入到WG-REL0AD中的所有值在1／2狀態(tài)周期(一個晶振周期)后有效，首次寫入WG—RELOAD的值將傳送給WG—COUNT，若WG—CON寄存器中的允許計數(shù)位EC一1，開始減l計數(shù)，至 0001H，等待一個狀態(tài)周期后再加1計數(shù)，直至WG—COUNT中的值等于計數(shù)比較寄存器的值，此時完成一個載波周期。當計數(shù)比較寄存器的值與WG— COUNT相等時，WG—RELOAD的內(nèi)容裝入WG—COUNT和計數(shù)比較寄存器；WG-COMPX(X一1，2，3)的內(nèi)容裝入相位比較寄存器；輸出緩沖寄存器的內(nèi)容裝入WG—OUT；在PI—PEND寄存器中把WG中斷標志置1。在原來(或新)的值重新加載到WG—COUNT后，WG—COUNT開始新一個開關周期的計數(shù)，循環(huán)往復?！疻G—COUNT的輸出數(shù)據(jù)與時間的關系是三角形。載波周期Ts=4×WG-RELOAD／Fxtal(μs)； WG-RELOAD是16位的二進制數(shù)；Fxta是xtal引腳上的晶振頻率，不考慮無信號時間時；輸出“有效”的時間是ToutpuT=4×WG- COMP／Fxtal(μs)，其中WC-COMP的值是16位，等于或小于WG-RELOAD，占空比=WG-COMP／WG-RELOAD× 100％。由此可見，改變WG－RELOAD的值，不僅會改變PWM的載波周期，而且也會改變PWM的占空比。只有在改變WG-RELOAD的同時，按比例改變WG-COMP，才可能在改變載波周期的同時不改變占空比。
工作方式0和1產(chǎn)生的都是中心對準的PWM。在方式0中，每個載波周期產(chǎn)生一次中斷請求，產(chǎn)生于計數(shù)器三角波的峰頂(WG-COUT=WG- RELOAD)，此時，波形發(fā)生器各緩沖器的值將重裝載到關聯(lián)寄存器中。方式2和3是邊沿對準的PWM，計數(shù)器工作于向上計數(shù)方式，它計數(shù)器波形是鋸齒狀波形。
2 控制步進電機原理
2．1 步進電機控制工作原理
步進電動機又稱脈沖電動機，步進電動機是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件。每當輸入一個脈沖，電動機就轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。因此，步進電動機輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，相應地轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比?？刂戚斎朊}沖的數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序，就可以得到各種需要的運行特性，電機的位置和速度由導電次數(shù) (脈沖數(shù))和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。步進電機有步距角(涉及到相數(shù))、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。步進電機以相數(shù)可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。它們都廣泛運用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。
四相步進電機控制電路如圖1，本方案使用了8XC196MC波形發(fā)生器的兩組輸出。它由輸入電路、微處理器、功放電路等構(gòu)成，控制驅(qū)動步進電機的時序是半步距時序。一個調(diào)制周期控制八拍。它的控制時序是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A(正轉(zhuǎn))，DA-D-CD-C-BC-B-BA-A-DA (反轉(zhuǎn))。
步距角：Qn=360°／8*轉(zhuǎn)子齒數(shù)＝360°／8*50＝0．9°(轉(zhuǎn)子齒數(shù)＝50)，則步進電機轉(zhuǎn)一圈所需的步進數(shù)：360°／0．9°＝400，根據(jù)輸入信息決定電機的轉(zhuǎn)動。
2．2 電源一頻率控制特性
電源一頻率控制特性(AMP)數(shù)據(jù)表的建立，由于所加的是直流信號，故可以認為電流與電壓成正比，控制電流也就是控制電壓。當調(diào)制頻率為0時，電流幅值最大，表格數(shù)據(jù)規(guī)化為65535(0FFFFH)，調(diào)制頻率為400 Hz時，電流幅值數(shù)據(jù)為0，中間隔0．25 Hz取一個數(shù)據(jù)。最高調(diào)制頻率為200 Hz，故表格包含數(shù)據(jù)801項數(shù)據(jù)，共占1 602字節(jié)。所以WG_COMP=AMP×WB_RELOAD/216．其中：WG_COMP是裝入相比較寄存器的值；AMP是由表格查得的電流幅值； WG-RELOAD是載波周期。
2．3 程序框圖
主程序初始化須設置允許CAPCOMP0(INT02)中斷，允許EXTINT(INT14)中斷，設置最小、最大調(diào)制頻率，設置初始電流幅值，設置PWM載波周期，設置初始PWM占空比，開中斷等。由輸入電路裝入調(diào)制頻率，比較調(diào)制頻率，并控制調(diào)制頻率的極限在初始設置最大到最小范圍內(nèi)。查表取出AMP表中的數(shù)據(jù)，并計算再次節(jié)拍時間。CAPCOMP0中斷子程序?qū)﹄姍C的八拍轉(zhuǎn)動特性進行控制輸出，并在中斷程序最后修改占空比和下一次中斷時間。
3 結(jié)束語
本文利用單片機技術控制電機轉(zhuǎn)動工作，使編程由復雜化走向簡單化。INTEL公司的8XC196MC 系列是專門為電機高速控制所設計的一種16位微控制器，其后綴MC正是英文“電機控制器”(Motor Controller)的字頭縮寫，已被廣泛用于電機的控制中。它具有性能高，功能全，用戶使用方便等特點，尤其是高速的處理能力和對交流電的特殊應用，因此它必將在我國的智能領域控制廣泛應用，也將帶來可觀的經(jīng)濟效益。
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