51單片機與TA8435的步進(jìn)電機細分控制

　　1 步進(jìn)電機
　　步進(jìn)電動(dòng)機是純粹的數字控制電動(dòng)機，它將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰?，即給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機就轉一個(gè)角度，因此非常合適單片機控制，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，而不受負載變化的影響，電機則轉過(guò)一個(gè)步距角，同時(shí)步進(jìn)電機只有周期性的無(wú)累積誤差，精度高。

　　步進(jìn)電動(dòng)機有如下特點(diǎn)：

　　1）步進(jìn)電動(dòng)機的角位移與輸入脈沖數嚴格成正比。因此，當它轉一圈后，沒(méi)有累計誤差，具有良好的跟隨性。

　　2）由步進(jìn)電動(dòng)機與驅動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數控系統，既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？煽?，同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節組成高性能的閉環(huán)數控系統。


　　3）步進(jìn)電動(dòng)機的動(dòng)態(tài)響應快，易于啟停、正反轉及變速。

　　4）速度可在相當寬的范圍內平穩調整，低速下仍能獲得較大轉距，因此一般可以不用減速器而直接驅動(dòng)負載。

　　5）步進(jìn)電機只能通過(guò)脈沖電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源。

　　6）步進(jìn)電機存在振蕩和失步現象，必須對控制系統和機械負載采取相應措施。

　　步進(jìn)電機具有和機械結構簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，圖1是四相六線(xiàn)制步進(jìn)電機原理圖，這類(lèi)步進(jìn)電機既可作為四相電機使用，也可以做為兩相電機使用，使用靈活，因此應用廣泛。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　步進(jìn)電機有兩種工作方式：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)電機為例，在整步方式下，步進(jìn)電機每接收一個(gè)脈沖，旋轉1.8 度，旋轉一周，則需要200個(gè)脈沖，在半步方式下，步進(jìn)電機每接收一個(gè)脈沖，旋轉0.9度，旋轉一周，則需要400個(gè)脈沖?？刂撇竭M(jìn)電機旋轉必須按一定時(shí)序對步進(jìn)電機引線(xiàn)輸入脈沖，以上述四相六線(xiàn)制步進(jìn)電機為例，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)。如果使用細分方式，就能很好的解決這個(gè)問(wèn)題，步進(jìn)電機的細分控制，從本質(zhì)上講是通過(guò)對步進(jìn)電機勵磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機內部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉磁場(chǎng)，從而實(shí)現步進(jìn)電機步距角的細分，一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機旋轉力矩的大小，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)電機半步工作方式就蘊涵了細分的工作原理。

　　實(shí)現細分方式有多種方法，最常用的是脈寬調制式斬波驅動(dòng)方式，大多數專(zhuān)用的步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片都采用這種驅動(dòng)方式，TA8435就是其中一種芯片。

　　2 基于TA8435H芯片的步進(jìn)電機細分方式

　　2.1 TA8435芯片特點(diǎn)

　　TA8435是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細分二相步進(jìn)電機驅動(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1.5A（平均）和2.5A（峰值）；

　　3）具有整步、半步、1/4細分、1/8細分運行方式可供選擇；

　　4）采用脈寬調試式斬波驅動(dòng)方式；

　　5）具有正/反轉控制功能；

　　6）帶有復位和使能引腳；


　　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)橋式驅動(dòng)電路，電流從VMA流經(jīng)電機的線(xiàn)圈后經(jīng)RNFA后與地構成回路，由于線(xiàn)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RNFB上的電壓大于比較器正端的電壓時(shí)，比較器使橋式驅動(dòng)電路關(guān)閉，電機線(xiàn)圈上的電流開(kāi)始衰減，RNFB上的電壓也相應減??；當電壓值小于比較器正向電壓時(shí)，橋式驅動(dòng)電路又重新導通，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達到第2階段，比較器正向電壓也相應為第2階段的電壓，因此，流經(jīng)步進(jìn)電機線(xiàn)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(xiàn)圈B上的電流，如圖3中IB。在CK一個(gè)時(shí)鐘周期內，流經(jīng)線(xiàn)圈A和線(xiàn)圈B的電流共同作用下，步進(jìn)電機運轉一個(gè)細分步。

　　　　　　　

　　2.3 步進(jìn)電機的應用

　　圖4是單片機與TA8435相連控制步進(jìn)電機的原理圖，引腳M1和M2決定電機的轉動(dòng)方式：M1＝0、M2＝0，電機按整步方式運轉；M1＝ 1、M2＝0，電機按半步方式運轉；M1＝0、M2＝1，電機按1/4細分方式運轉；M1＝1、M2＝1，電機按1/8步細分方式運轉，CW/CWW控制電機轉動(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，即可控制電機轉動(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REFIN＝1，選用步進(jìn)電機額定電流為0.4A，R1，R2選用1.6歐姆、2W的大功率電阻，O、C兩線(xiàn)不接。步進(jìn)電機按二相雙極性使用，四相按二相使用時(shí)可以提高步進(jìn)電機的輸出轉矩，D1－D4快恢復二極管用來(lái)泄放繞組電流。

　　以下是利用TA8435控制步進(jìn)電機的程序，實(shí)現采用1/8細分方式控制步進(jìn)電機的順時(shí)鐘方向轉動(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)電機轉速。
　　　　　　　　　　　　　

　　3 結論

　　本文介紹了步進(jìn)電機的特點(diǎn)和TA8435芯片工作原理，使用細分方式可以提高步進(jìn)電機的控制精度，降低步進(jìn)電機的振動(dòng)和噪聲，因此，在低頻工作時(shí)，可以選用1/4細分或1/8細分模式，以降低系統的振動(dòng)和噪聲，當系統需要在高速工作時(shí)，細分模式就有可能達不到要求的速度，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)電機運行穩定，振動(dòng)小、噪聲也小。TA8435在細分、半步、整步幾種工作模式之間的切換是相當容易的，使用TA8435控制步進(jìn)電機具有價(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)值和廣闊的應用前景。