單片機與TA8435的步進電機細分控制

1 步進電機

步進電動機是純粹的數字控制電動機，它將電脈衝信號轉變為角位移，即給一個脈衝，步進電機就轉一個角度，因此非常合適單片機控制，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響，電機則轉過一個步距角，同時步進電機只有周期性的無累積誤差，精度高。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/21266.htm

步進電動機有如下特點：

1）步進電動機的角位移與輸入脈衝數嚴格成正比。因此，當它轉一圈後，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。

2）由步進電動機與驅動電路組成的開環數控系統，既簡單、廉價，又非常可靠，同時，它也可以與角度反饋環節組成高性能的閉環數控系統。

3）步進電動機的動態響應快，易於啟停、正反轉及變速。

4）速度可在相當寬的範圍內平穩調整，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負載。

5）步進電機只能通過脈衝電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源。

6）步進電機存在振蕩和失步現象，必須對控制系統和機械負載採取相應措施。

步進電機具有和機械結構簡單的優點，圖1是四相六線制步進電機原理圖，這類步進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。

步進電機有兩種工作方式：整步方式和半步方式。以步進角1.8度四相混合式步進電機為例，在整步方式下，步進電機每接收一個脈衝，旋轉1.8度，旋轉一周，則需要200個脈衝，在半步方式下，步進電機每接收一個脈衝，旋轉0.9度，旋轉一周，則需要400個脈衝。控制步進電機旋轉必須按一定時序對步進電機引線輸入脈衝，以上述四相六線制步進電機為例，其半步工作方式和整步工作方式的控制時序如表1和表2所列。

步進電機在低頻工作時，會有振動大、噪聲大的缺點。如果使用細分方式，就能很好的解決這個問題，步進電機的細分控制，從本質上講是通過對步進電機勵磁繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場為均勻的圓形旋轉磁場，從而實現步進電機步距角的細分，一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小，步進電機半步工作方式就蘊涵了細分的工作原理。

實現細分方式有多種方法，最常用的是脈寬調製式斬波驅動方式，大多數專用的步進電機驅動晶片都採用這種驅動方式，ta8435就是其中一種晶片。

2 基於ta8435h晶片的步進電機細分方式

2.1 ta8435晶片特點

ta8435是東芝公司生產的單片正弦細分二相步進電機驅動專用晶片，該晶片具有以下特點：

1）工作電壓範圍寬（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）採用脈寬調試式斬波驅動方式；

5）具有正/反轉控制功能；

6）帶有復位和使能引腳；

7）可選擇使用單時鐘輸入或雙時鐘輸入。

從圖2中可以看出，ta8435主要由1個解碼器，2個橋式驅動電路、2個輸出電流控制電路、2個最大電流限制電路、1個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ck時鐘周期時，解碼器打開橋式驅動電路，電流從vma流經電機的線圈後經rnfa後與地構成迴路，由於線圈電感的作用，電流是逐漸增大的，所以rnfb上的電壓也隨之上升。當rnfb上的電壓大於比較器正端的電壓時，比較器使橋式驅動電路關閉，電機線圈上的電流開始衰減，rnfb上的電壓也相應減小；當電壓值小於比較器正向電壓時，橋式驅動電路又重新導通，如此循環，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，另外由於斬波器頻率很高，一般在幾十khz，其頻率大小與所選用電容有關，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個時鐘周期開始時，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，流經步進電機線圈的電流從第1階段也升至第二階段2，電流波形如圖ia第2部分，第3時鐘周期，第4時鐘周期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，加在線圈b上的電流，如圖3中ib。在ck一個時鐘周期內，流經線圈a和線圈b的電流共同作用下，步進電機運轉一個細分步。

2.3 步進電機的應用

圖4是單片機與ta8435相連控制步進電機的原理圖，引腳m1和m2決定電機的轉動方式：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控制電機轉動方向，ck1、ck2時鐘輸入的最大頻率不能超過5khz，控制時鐘的頻率，即可控制電機轉動速率。refin為高電平時，nfa和nfb的輸出電壓為0.8v，refin為低電平時，nfa和nfb輸出電壓為0.5v，這2個引腳控制步進電機輸入電流，電流大小與nf端外接電阻關係式為：io＝vref/rnf。圖4中，設refin＝1，選用步進電機額定電流為0.4a，r1，r2選用1.6歐姆、2w的大功率電阻，o、c兩線不接。步進電機按二相雙極性使用，四相按二相使用時可以提高步進電機的輸出轉矩，d1－d4快恢復二極體用來洩放繞組電流。

以下是利用ta8435控制步進電機的程序，實現採用1/8細分方式控制步進電機的順時鐘方向轉動的功能，利用定時器1向ta8435輸出脈衝，用來控制步進電機轉速。

3 結論

本文介紹了步進電機的特點和ta8435晶片工作原理，使用細分方式可以提高步進電機的控制精度，降低步進電機的振動和噪聲，因此，在低頻工作時，可以選用1/4細分或1/8細分模式，以降低系統的振動和噪聲，當系統需要在高速工作時，細分模式就有可能達不到要求的速度，這時可以選用整步或半步方式，在速度較高時，在整步或半步工作模式下，步進電機運行穩定，振動小、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控制步進電機具有價格低、控制簡單、工作可靠的特點，所以具有很高的推廣價值和廣闊的應用前景。