基于8XC196MC波形發(fā)生器的步進(jìn)電機控制

　　1 波形發(fā)生器

　　1.1 片內波形發(fā)生器WFG概述

　　片內波形發(fā)生器’WFG(Wave Form Generator)是8XCl96MC/MD獨具的特點(diǎn)之一。它有三個(gè)同步的PWM模塊，每個(gè)模塊包含一個(gè)相位比較寄存器、一個(gè)無(wú)信號時(shí)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(wú)信號時(shí)間和操作方式。一旦啟動(dòng)之后，WFG只要求 CP[J在改變PWM的占空比時(shí)加以干預。波形發(fā)生器的專(zhuān)用寄存器有雙向計數器’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(hù)可以對WG—RELOAD寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作，而它的值周期地(取決于操作方式)裝到第2個(gè)寄存器中，用這個(gè)計數器比較寄存器與WG—COUNT比較。對第2個(gè)寄存器的裝載發(fā)生于WG-COUNT一1或WG—COUNT的值等于計數器比較寄存器的值時(shí)，與WFG的操作方式有關(guān)。若寫(xiě)“O”到WG—RELOAD寄存器中，則當該值裝入計數器中，它就停止計數。

　　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(shí)基發(fā)生器，相位驅動(dòng)器通道和控制電路。時(shí)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(shí)基發(fā)生器的核心是一個(gè)16位雙向計數器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。相位驅動(dòng)通道決定PWM波形占空比。它有3個(gè)獨立的相位驅動(dòng)通道，它們電路是一樣的，每個(gè)通道有一對可編程的輸出。每個(gè)相位通道包含一個(gè)可編程的無(wú)信號時(shí)間發(fā)生器，用來(lái)防止一對互補輸出在同一時(shí)刻都有效?？刂撇糠职恍┯脕?lái)確定工作模式和其他配置信息的寄存器。一個(gè)可編程的保護電路可監視。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(shí)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。計數器停止工作，寫(xiě)入到WG-REL0AD中的所有值在1/2狀態(tài)周期(一個(gè)晶振周期)后有效，首次寫(xiě)入WG—RELOAD的值將傳送給WG—COUNT，若WG—CON寄存器中的允許計數位EC一1，開(kāi)始減l計數，至 0001H，等待一個(gè)狀態(tài)周期后再加1計數，直至WG—COUNT中的值等于計數比較寄存器的值，此時(shí)完成一個(gè)載波周期。當計數比較寄存器的值與WG— COUNT相等時(shí)，WG—RELOAD的內容裝入WG—COUNT和計數比較寄存器;WG-COMPX(X一1，2，3)的內容裝入相位比較寄存器;輸出緩沖寄存器的內容裝入WG—OUT;在PI—PEND寄存器中把WG中斷標志置1。在原來(lái)(或新)的值重新加載到WG—COUNT后，WG—COUNT開(kāi)始新一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的計數，循環(huán)往復?！疻G—COUNT的輸出數據與時(shí)間的關(guān)系是三角形。載波周期Ts=4×WG-RELOAD/Fxtal(μs); WG-RELOAD是16位的二進(jìn)制數;Fxta是xtal引腳上的晶振頻率，不考慮無(wú)信號時(shí)間時(shí);輸出“有效”的時(shí)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(jiàn)，改變WG-RELOAD的值，不僅會(huì )改變PWM的載波周期，而且也會(huì )改變PWM的占空比。只有在改變WG-RELOAD的同時(shí)，按比例改變WG-COMP，才可能在改變載波周期的同時(shí)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(gè)載波周期產(chǎn)生一次中斷請求，產(chǎn)生于計數器三角波的峰頂(WG-COUT=WG- RELOAD)，此時(shí)，波形發(fā)生器各緩沖器的值將重裝載到關(guān)聯(lián)寄存器中。方式2和3是邊沿對準的PWM，計數器工作于向上計數方式，它計數器波形是鋸齒狀波形。

　　2 控制步進(jìn)電機原理

　　2.1 步進(jìn)電機控制工作原理

　　步進(jìn)電動(dòng)機又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機，步進(jìn)電動(dòng)機是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線(xiàn)位移的機電執行元件。每當輸入一個(gè)脈沖，電動(dòng)機就轉動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。因此，步進(jìn)電動(dòng)機輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比，相應地轉速與脈沖頻率成正比?？刂戚斎朊}沖的數量、頻率及電動(dòng)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 (脈沖數)和頻率成一一對應關(guān)系。而方向由導電順序決定。步進(jìn)電機有步距角(涉及到相數)、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機的型號便確定下來(lái)了。步進(jìn)電機以相數可分為：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字控制系統中。

　　四相步進(jìn)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、功放電路等構成，控制驅動(dòng)步進(jìn)電機的時(shí)序是半步距時(shí)序。一個(gè)調制周期控制八拍。它的控制時(shí)序是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A(正轉)，DA-D-CD-C-BC-B-BA-A-DA (反轉)。

　　步距角：Qn=360°/8*轉子齒數=360°/8*50=0.9°(轉子齒數=50)，則步進(jìn)電機轉一圈所需的步進(jìn)數：360°/0.9°=400，根據輸入信息決定電機的轉動(dòng)。

　　2.2 電源一頻率控制特性

　　電源一頻率控制特性(AMP)數據表的建立，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。當調制頻率為0時(shí)，電流幅值最大，表格數據規化為65535(0FFFFH)，調制頻率為400 Hz時(shí)，電流幅值數據為0，中間隔0.25 Hz取一個(gè)數據。最高調制頻率為200 Hz，故表格包含數據801項數據，共占1 602字節。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(kāi)中斷等。由輸入電路裝入調制頻率，比較調制頻率，并控制調制頻率的極限在初始設置最大到最小范圍內。查表取出AMP表中的數據，并計算再次節拍時(shí)間。CAPCOMP0中斷子程序對電機的八拍轉動(dòng)特性進(jìn)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(shí)間。

　　3 結束語(yǔ)

　　本文利用單片機技術(shù)控制電機轉動(dòng)工作，使編程由復雜化走向簡(jiǎn)單化。INTEL公司的8XC196MC 系列是專(zhuān)門(mén)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(xiě)，已被廣泛用于電機的控制中。它具有性能高，功能全，用戶(hù)使用方便等特點(diǎn)，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(lǐng)域控制廣泛應用，也將帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益。