O 引言

　　步進(jìn)電機(jī)可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行高精度控制,。步進(jìn)電機(jī)作為控制執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域,。例如，在儀器儀表,，機(jī)床設(shè)備以及計算機(jī)的外圍設(shè)備中(如打印機(jī)和繪圖儀等),，凡需要對轉(zhuǎn)角進(jìn)行精確控制的情況下，使用步進(jìn)電機(jī)最為理想,。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用,。

　　MCS-96系列16位單片機(jī)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(jī)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(jī)外部設(shè)備控制器和辦公自動化設(shè)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(jī)完善而卓越的性能,，它必將在智能儀表、家用電器,、計算機(jī)終端設(shè)備,、汽車電子、人工智能,、機(jī)器人,、機(jī)電一體化以及傳統(tǒng)設(shè)備改造等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)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(yù),。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(jìn)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(guān)。若寫“O”到WG—RELOAD寄存器中,，則當(dāng)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(zhǔn)或邊沿對準(zhǔn)的PWM,，中心對準(zhǔn)的PWM波形所造成的諧波小，通常采用中心對準(zhǔn)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,?？刂撇糠职恍┯脕泶_定工作模式和其他配置信息的寄存器。一個可編程的保護(hù)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(fù)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(dāng)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(biāo)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(guān)周期的計數(shù),，循環(huán)往復(fù),。’WG—COUNT的輸出數(shù)據(jù)與時間的關(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(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(zhǔn)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(guān)聯(lián)寄存器中,。方式2和3是邊沿對準(zhǔn)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(jìn)電機(jī)原理

　　2．1 步進(jìn)電機(jī)控制工作原理

　　步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件,。每當(dāng)輸入一個脈沖,，電動機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步。因此,，步進(jìn)電動機(jī)輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比,，相應(yīng)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(jī)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(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù) (脈沖數(shù))和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系,。而方向由導(dǎo)電順序決定。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了,。步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī),、四相電機(jī),、五相電機(jī)等,。它們都廣泛運用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。

　　四相步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需的步進(jìn)數(shù)：360°／0．9°＝400，根據(jù)輸入信息決定電機(jī)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(rèn)為電流與電壓成正比,，控制電流也就是控制電壓,。當(dāng)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(shè)置允許CAPCOMP0(INT02)中斷，允許EXTINT(INT14)中斷,，設(shè)置最小,、最大調(diào)制頻率，設(shè)置初始電流幅值,，設(shè)置PWM載波周期,，設(shè)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(shè)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(jī)的八拍轉(zhuǎn)動特性進(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間,。

　　3 結(jié)束語

　　本文利用單片機(jī)技術(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動工作,，使編程由復(fù)雜化走向簡單化。INTEL公司的8XC196MC 系列是專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計的一種16位微控制器,，其后綴MC正是英文“電機(jī)控制器”(Motor Controller)的字頭縮寫,，已被廣泛用于電機(jī)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(yīng)用,，因此它必將在我國的智能領(lǐng)域控制廣泛應(yīng)用,，也將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。